WO2012066241A2 - Procede de fabrication de materiau fibreux pre-impregne de polymere thermodurcissable - Google Patents

Procede de fabrication de materiau fibreux pre-impregne de polymere thermodurcissable Download PDF

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WO2012066241A2
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    • B29K2105/167—Nanotubes

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a preimpregnated fibrous material and the uses of such fibrous materials.
  • fibrous materials an assembly of reinforcing fibers which may be either short fibers such as felts or nonwovens which may be in the form of strips, plies, braids, locks or pieces, or continuous fibers such as for example in 2D fabrics, UD or non-woven fibers.
  • the fibers that may be included in the composition of the material are more particularly carbon fibers, glass fibers, mineral fibers such as basalt, silicon carbide, polymer-based fibers, vegetable fibers, cellulosic fibers such as viscose, flax, hemp, silk, sisal, used alone or as a mixture.
  • the invention relates more particularly to the manufacture of fibrous materials impregnated with a thermosetting polymer or otherwise called thermosetting resin (the two terms meaning the same thing) or a mixture of thermosetting polymers (or resins) and the uses of such materials called pre-fibrous materials. -impregnated for the manufacture of composite materials for the production of three-dimensional (3D) parts.
  • the fibrous materials pre-impregnated with a polymer are used in the manufacture of particularly mobile machinery structural parts, in order to lighten them while giving them a mechanical strength comparable to that obtained with structural parts metal and / or provide thermal protection and / or evacuation of electrostatic charges.
  • These fibrous materials may be impregnated with a thermoplastic polymer or a thermosetting polymer.
  • the preimpregnated fibrous materials may further contain conductive carbon nanocharges such as carbon nanotubes (or CNTs), carbon black, nanofibres or graphenes, more particularly carbon nanotubes (CNTs).
  • conductive carbon nanocharges such as carbon nanotubes (or CNTs), carbon black, nanofibres or graphenes, more particularly carbon nanotubes (CNTs).
  • CNTs carbon nanotubes
  • the presence of carbon nanotubes in the fibrous material makes it possible to improve the mechanical and / or thermal and / or electrical properties of the mechanical parts based on said material.
  • the preimpregnated fibrous materials constitute lightweight materials providing a strength comparable to the metal, providing an increase in the electrical and / or thermal resistance of the mechanical part made to ensure the evacuation of heat and / or the electrostatic charge.
  • These materials are particularly suitable for the simple realization of any three-dimensional mechanical structure, commonly symbolized 3D, especially for the automobile, aeronautics, nautical field, rail transport, sports or aerospace.
  • the invention applies to the production of parts having a 3D structure such as aircraft wings, the fuselage of an aircraft, the hull of a boat, the spars or spoilers of an automobile or discs of brakes, cylinder body or steering wheels, by means of preimpregnated fibrous materials.
  • thermosetting resin that is to say by a thermosetting polymer
  • the impregnation is done at the melting temperature Tf of the resin as a minimum temperature or at a higher temperature. This temperature Tf varies according to the resins used.
  • the resin is in a stable state that allows shaping of the material for the manufacture of three-dimensional parts. The shaping can be done just after impregnation or later.
  • the hardener or activation element of the crosslinking reaction which has been introduced into the thermosetting resin remains inactive as long as its reaction temperature is not reached.
  • This temperature is higher than the glass transition temperature Tg of the resin (crosslinked) and is higher than the melting temperature Tf (of the resin before crosslinking) if it exists.
  • the fibrous materials are shaped and heated to a temperature at least equal to the glass transition temperature Tg of the resin.
  • the resin is transformed into a thermoset resin and the piece thus takes its final form.
  • nanofillers such as CNTs are introduced into the thermosetting resin, they are in fact dispersed in the basic formulation of the resin, that is to say in the resin or thermosetting resin composition containing the hardener.
  • the Applicant has found in this case that the presence in the resin of nanofillers, in particular like CNTs, poses several technical problems to be solved. Firstly, their dry handling in the form of nanoscale pulverulent powder poses risks to the health, safety and the environment in general for the users in the workshops for manufacturing pre-impregnated fibrous materials. Then, the introduction of these nanofillers, in particular the CNTs, leads to the formation of aggregates, requiring the use of particular high shear mixers to disintegrate them with risk of heating and early crosslinking of the resin in the presence hardener. Similarly, these nanofillers, because of their size (large surface area) and their interactions with the resin, lead to a significant increase in the viscosity of the medium. This significantly limits the rate of nanofillers, in particular the rate of CNTs, which can be incorporated in a thermosetting resin already containing the hardener, without using the particular methods of high shear dispersion with the mentioned drawbacks.
  • thermosetting resin portion remains adsorbed on the surface of the CNTs and is therefore no longer available for the crosslinking reaction to participate in the crosslinked network.
  • the formation of sub-cross-linked domains then contributes to the decrease the glass transition temperature and the thermomechanical performances (Auad et al., Poly Engin.Sci 2010, 183-190).
  • the present invention aims to remedy this problem. It makes it possible to prevent the formation of subcrosslinked domains and to maintain a glass transition temperature Tg of the thermosetting resin (thermosetting polymer or thermosetting polymer blend) which is high.
  • the nanofillers are introduced into the thermosetting polymer, not only, but by means of the nanofiller / hardener mixture.
  • the nanofiller / hardener mixture can be introduced directly into the thermosetting polymer before impregnation of the fibrous material or be incorporated into the fibrous material during the impregnation.
  • the nanofiller / hardener mixture may be in the form of fluid, powder, fibers, film, depending on the hardener and the nanofillers ratio.
  • this mixture will preferably be produced, either in the form of fibers, or in film form, or in powder form.
  • these fibers will advantageously be in the assembly of fibers forming the fibrous material.
  • the mixture is in powder form, it will be deposited on the fibrous material.
  • the mixture is in the form of a film, it will advantageously be deposited on the fibrous material.
  • thermosetting polymer The fibrous material thus obtained is then impregnated with the thermosetting polymer. It has furthermore become apparent to the Applicant that this invention could also be applied to other carbon-conducting nanocharges than carbon nanotubes and in particular to carbon black, carbon nanofibers or graphenes, which are also likely to pose security issues because of they are pulverulent and have an ability to impart improved conductive or mechanical properties to the materials in which they are incorporated.
  • the present invention more particularly relates to a method of manufacturing a fibrous material comprising an assembly of one or more fibers, composed of carbon fibers or glass fibers or vegetable fibers or mineral fibers or cellulosic fibers or of polymer-based fibers, used alone or in admixture, impregnated with a thermosetting polymer or a mixture of thermosetting polymers containing a hardener and nanocharges of carbon origin such as carbon nanotubes (CNTs), carbon black, carbon nanofibers or graphenes, mainly characterized in that, for introducing said nanofillers into the fibrous material, a mixture containing the nanocharges of carbonic origin such as CNTs and the hardener (nanofillers predispersed in said hardener).
  • the nanocharging mixture of carbonic origin / hardener advantageously comprises a nanofiller content of between 10% and 60%, preferably between 20% and 50% relative to the total weight of the mixture.
  • the mixture of carbon nanocharges / hardener may further comprise an accelerator or a crosslinking catalyst.
  • an accelerator or a crosslinking catalyst Different types of crosslinking and, depending on these, of corresponding hardeners can be considered according to the present invention for example:
  • the hardener being in this case the radical initiator, of the peroxide type including hydroperoxide, with the possible presence of a peroxide decomposition accelerator, such as a tertiary amine, Co 2 salts + or Fe 2+ .
  • the nanofillers of organic origin hereinafter referred to as nanofillers, consist of carbon nanotubes (CNTs).
  • the other reactive component of this system corresponds to the definition of hardener according to the invention which corresponds to the least viscous component and / or of lower molecular weight in said two-component system.
  • said hardener is, for example, a radical initiator, in particular a peroxidic initiator, which term means, for the invention, either a peroxide or a hydroperoxide.
  • a hydroperoxide initiator decomposition accelerators can be used, such as tertiary amines, cobalt (2+) or iron (2+) salts.
  • the term "hardener” means a compound capable of causing a chemical crosslinking and of leading to a three-dimensional polymer network, by means of irreversible covalent crosslinking bonds, which once obtained can no longer be transformed by the action of heat, with said three-dimensional network being infusible by heating and insoluble in a solvent.
  • This compound is therefore firstly a crosslinking agent or crosslinking of said thermosetting resin.
  • This compound is in general the least viscous compound and / or of lower molecular weight, in particular among the two components of a two-component crosslinkable system.
  • thermosetting resin is intended to mean a polymer which can be chemically crosslinked by a hardener, in a thermoset resin which is of three-dimensional, infusible and insoluble structure, which once obtained can no longer be converted by the action of heat.
  • a thermosetting resin once the three-dimensional polymer network is formed, becomes a thermoset polymer network that will not flow under the effect of heat (no creep), even with a shearing mechanical energy input ( by shear).
  • thermosetting resins to be crosslinked with the aid of the hardener according to the invention comprise: epoxy resins, unsaturated polyesters and polyesters, vinyl esters, phenolic resins, polyurethanes, cyanoacrylates and polyimides, such as bisphenol resins. maleimides, aminoplasts (resulting from the reaction of an amine such as melamine with an aldehyde such as glyoxal or formaldehyde) and mixtures thereof, without this list being limiting.
  • the unsaturated polyesters, vinyl esters or acrylated multifunctional resins crosslink by opening at least two ethylenic unsaturations in the presence of a radical initiator which, in this case, acts as a hardener, generally in the presence of a ethylenic comonomer such as acrylic or vinyl aromatic monomers.
  • the preferred radical initiator is of the peroxidic type, this term including peroxides and hydroperoxides.
  • the decomposition of the peroxidic initiator and, in particular of the hydroperoxide initiator can be accelerated in the presence of a decomposition accelerator such as a tertiary amine, a salt of cobalt ( 2+ ) or iron ( 2+ ).
  • the impregnation may be carried out by placing, according to a first option, the fibrous material in a thermosetting polymer (s) bath (s) in which the nanofiller / hardener mixture is introduced or introduced (nanofillers predispersed in the hardener). .
  • the impregnation can also be carried out by placing the fibrous material in a fluidized bed, the thermosetting polymer or the thermosetting polymer mixture being in powder form, as well as the nanofiller / hardener mixture.
  • the impregnation can also be carried out by directly extruding a stream of thermosetting polymer containing the nanofiller / hardener mixture onto the fibrous material which is in the form of a web or web or braid.
  • thermosetting polymer resin
  • the impregnation consists of: i) using at least two sets of different fibers, a first series of continuous fibers forming the reinforcing fibers of said material, and a second series of fibers consisting of thermosetting (non-crosslinked) polymer containing the nanofiller / hardener mixture and having a temperature of Tf fusion;
  • the reinforcing fibers constituting the first series may be mineral fibers or organic fibers of thermoplastic or thermosetting polymer or else a mixture of mineral fibers and organic fibers of thermoplastic or thermosetting polymer.
  • the invention also relates to an apparatus for implementing the method in which the impregnation consists in using two sets of fibers, the impregnation of the reinforcing fibers forming the first series being made directly by melting at a temperature Tf of the polymer fibers. thermosetting which have been brought into contact.
  • the apparatus comprises a line of continuous formation of said material in the form of at least one calibrated and homogeneous strip of reinforcing fibers (mineral or organic) impregnated with thermosetting polymer, comprising the device for placing at least one set of two sets of fibers used to form a strip, so as to arrange the two series of fibers in contact with each other, this device being provided with a first calendering device and comprising a shaping device , provided with a second calendering device, provided with two cylinders comprising at least one pressing segment of desired width to obtain by pressure a band calibrated in width during its passage over the cylinders.
  • the two series of fibers are heated to the melting temperature Tf of the thermosetting polymer fiber, they are also shaped to obtain a homogeneous material of shape and dimensions calibrated in the form of a strip.
  • the apparatus For the simultaneous formation of several homogenously sized and homogeneous webs of preimpregnated fibrous material, the apparatus has inputs for several sets of two sets of fibers and a plurality of band width shaping and sizing segments.
  • the invention also relates to the uses of fibrous materials pre-impregnated with a composition containing a thermosetting polymer or a mixture of thermosetting polymers and a mixture of nanofillers such as carbon nanotubes and hardener, for the manufacture of parts having a structure with three dimensions.
  • This use comprises a step of shaping the preimpregnated fibrous materials, associated with a heating of said materials to a temperature at least equal to the glass transition temperature Tg of the thermosetting polymer in order to activate the reaction of the hardener, it is that is, cross-linking the polymer to make the composition thermoset (i.e. cross-linked) and give the piece its final shape.
  • the shaping of the fibrous materials may consist in arranging the preimpregnated fibrous materials on a preform, staggered and so that they overlap at least in part until the desired thickness is obtained. and heating by means of a laser which furthermore makes it possible to adjust the positioning of the fibrous materials with respect to the preform, the preform then being removed.
  • the shaping of the pre-impregnated materials is carried out by one of the following known techniques:
  • FIG. 1 represents the diagram of an apparatus for implementing the method in the case where the impregnation is carried out by melting a series of thermosetting fibers in contact with a series of reinforcing fibers
  • FIG. the diagram of a half-oven with the groove for placing fibers
  • FIG. 3 represents the schematic of the calendering rolls with the complementary elements of calibration and shaping of the strip-shaped material
  • FIG. 4 represents the diagram of a half-furnace with several grooves for placing fibers
  • FIG. 5 represents the schematic of the calendering rolls with several complementary elements for calibrating and shaping the material in several strips.
  • carbon nanocharge intended to be mixed with the hardener according to the invention, denotes a filler comprising at least one element of the group consisting of carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon black, graphene, graphite or a mixture of these in all proportions.
  • the particle size of these nanofillers does not exceed 150 nm, these particles may be in the form of particle aggregates not exceeding 10 ⁇ (microns).
  • Nanocharges of carbonic origin are hereinafter referred to as nanofillers.
  • the reactive compound comprises at least one hardener or a curative composition. It may also include an accelerator or a catalyst. We will speak later, for simplicity, hardener.
  • the mixture contains nanofillers and the hardener or a combination of hardeners selected according to the resin used in a manner known to those skilled in the art.
  • the nanofiller / curative mixture may comprise additives, for example compounds which will be inert with respect to the crosslinking reaction (as solvents) or, conversely, reactive solvents or diluents which will control the crosslinking reaction by adjusting certain mechanical properties of the final thermoset resin, as well as catalysts or accelerators for accelerating the crosslinking of the reactive components.
  • thermoplastic polymer or a thermoplastic polymer mixture such as, for example, a polyamide (PA), a polyetherimide (PEI) or a solid epoxy.
  • an accelerator or a catalyst is present in the mixture, they are also chosen in a manner known to those skilled in the art depending on the resin used.
  • the nanocharging mixture of carbonic origin / hardener advantageously comprises a nanofiller content of between 10% and 60%, preferably between 20% and 50% relative to the total weight of the mixture.
  • Carbon nanotubes have particular crystalline structures, tubular, hollow and closed, composed of atoms regularly arranged in pentagons, hexagons and / or heptagons, obtained from carbon.
  • CNTs generally consist of one or more coiled graphite sheets.
  • One-sided nanotubes Single Wall Nanotubes or SWNTs
  • Multi Wall Nanotubes or MWNTs are thus distinguished.
  • the double-walled nanotubes can in particular be prepared as described by FLAHAUT et al in Chem. Corn. (2003), 1442.
  • Nanotubes with walls multiples can be prepared as described in WO 03/02456. It is preferred according to the invention to use multi-wall CNTs.
  • the carbon nanotubes used according to the invention usually have a mean diameter ranging from 0.1 to 200 nm, preferably from 0.1 to 100 nm, more preferably from 0.4 to 50 nm, and better still from 1 to 100 nm. 30 nm and advantageously a length of more than 0.1 ⁇ and advantageously from 0.1 to 20 ⁇ , for example about 6 ⁇ . Their length / diameter ratio is advantageously greater than 10 and most often greater than 100.
  • These nanotubes therefore comprise nanotubes called "VGCF" (carbon fibers obtained by chemical vapor deposition or Vapor Grown Carbon Fibers).
  • the multi-walled carbon nanotubes may for example comprise from 5 to 15 sheets and more preferably from 7 to 10 sheets.
  • An example of crude carbon nanotubes is the trade name Graphistrength® C100 from Arkema.
  • Carbon nanofibers like carbon nanotubes, are nanofilaments produced by chemical vapor deposition (or CVD) from a carbon source that is decomposed on a catalyst comprising a transition metal (Fe, Ni, Co, Cu), in the presence of hydrogen, at temperatures of 500 to 1200 ° C.
  • a catalyst comprising a transition metal (Fe, Ni, Co, Cu)
  • these two carbonaceous charges are differentiated by their structure (I. MARTIN-GULLON et al., Carbon 44 (2006) 1572-1580).
  • the carbon nanotubes consist of one or more sheets of graphene wound concentrically around the axis of the fiber to form a cylinder having a diameter of 10 to 100 nm.
  • carbon nanofibers are composed of more or less organized graphitic zones (or turbostratic stacks) whose planes are inclined at variable angles with respect to the axis of the fiber.
  • These stacks may take the form of platelets, fish bones or stacked cups to form structures generally ranging in diameter from 100 nm to 500 nm or more.
  • carbon black is a colloidal carbon material produced industrially by incomplete combustion of heavy petroleum products which is in the form of carbon spheres and aggregates of these spheres and whose dimensions are generally between 10 and 1000 nm.
  • Graphenes are isolated and individualized graphite sheets, but very often graphene are called assemblies comprising between one and a few dozen leaflets. Unlike carbon nanotubes, they have a more or less flat structure with ripples due to thermal agitation all the stronger as the number of layers is reduced.
  • FLG Few Layer Graphene
  • NGP Nanosized Graphene Plates
  • CNS Carbon NanoSheets
  • GNR Graphene NanoRibbons
  • Graphite is characterized by a crystalline structure composed of carbon atoms organized in planes of regular hexagons. Graphite is available for example under the trademarks Timrex or Ensaco.
  • the hardener is chosen according to the nature of the thermosetting resin and its mode of crosslinking (or its reactivity) in a bicomponent reactive system (in fact coreactive), for example by (poly) condensation or by (poly) addition or by crosslinking via the opening of ethylenic unsaturations by radical route or (crosslinkable) by other routes. If the thermosetting resin carries reactive functions by condensation or addition, said hardener carries coreactive functions, that is to say capable of reacting with the functions carried by said thermosetting resin, respectively by condensation and addition. The thermosetting resin and the hardener thus form a two-component reactive system having a mean reactive functionality greater than 2 to be crosslinkable.
  • thermosetting resins crosslinkable via the opening of ethylenic unsaturations by radical crosslinking or other route, at least two ethylenic unsaturations per polymer chain are present.
  • the hardeners may be, for example, radical initiators, such as the family of peroxidic compounds which may be peroxides or hydroperoxides. These can be decomposed into free radicals, either by the rise of the temperature (by thermal effect), but also at low temperature by the use of a reducing agent which is a radical decomposition accelerator of the initiator and commonly known as accelerator in this type of thermosetting (crosslinkable) compositions.
  • the hardeners that can be used according to the invention can comprise amines, derivatives obtained by reaction of urea with a polyamine, acid anhydrides, organic acids, polyols. and their mixtures without this list being limiting.
  • aliphatic amines such as cyclohexylamine, linear ethylene polyamines such as ethylenediamine, diethylenetriamine (DETA), triethylenetetramine (TETA), tetraethylene pentamine (TEPA), cycloaliphatic amines such as 1,2-diaminocyclohexane, isophorone diamine, ⁇ , ⁇ '-diisopropyl isophorone diamine, hexamine, aromatic amines such as benzylamine, diethyltoluenediamine (DETDA), metaphenylenediamine (MPDA), diaminodiphenyl methane (DDM) ), diaminodiphenyl sulfone (DDS), dicyanodiamide (DICY such as Dyhard 100SF from AlzChem), 4,4'-diaminodiphenyl sulfone, 4,4'-methylene dianiline
  • HEIO hydroxyethyl) imidazolidone
  • HEIO 1- (2 - [(2-aminoethyl) amino] ethyl) imidazolidone
  • UTETA 1- (2 - [(2-aminoethyl) amino] ethyl) imidazolidone
  • UTEPA 2- ⁇ 2 - [(2-aminoethylamino] ethyl ⁇ amino) ethyl] imidazolidone
  • UPy N- (6-aminohexyl) -N '- (6-methyl-4-oxo-1,4-dihydropyrimidin-2-yl) urea
  • phthalic anhydrides examples include phthalic anhydrides and derivatives such as phthalic anhydride, dichlorophthalic anhydride, tetrachlorophthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methyl hexahydrophthalic anhydride (MHHPA), methyl tetrahydrofluoric anhydride.
  • HHPA methyl hexahydrophthalic anhydride
  • APN methyl nadic anhydride
  • DDSA dodecenyl succinic anhydride
  • Organic acids that may be mentioned include organic acids such as oxalic acid, succinic acid, citric acid, tartaric acid, adipic acid, sebacic acid, perchloric acid, phosphoric acid, disulfonic acids such as m-benzenedisulphonic acid, p-toluenesulphonic acid, methanedisulfonyl chloride or methanedisulfonic acid.
  • organic acids such as oxalic acid, succinic acid, citric acid, tartaric acid, adipic acid, sebacic acid, perchloric acid, phosphoric acid, disulfonic acids such as m-benzenedisulphonic acid, p-toluenesulphonic acid, methanedisulfonyl chloride or methanedisulfonic acid.
  • organic phosphates mention may be made of monomethyl orthophosphate, monoethyl orthophosphate, mono-n-butyl orthophosphate and monoamyl orthophosphate.
  • Polyols that can be used as hardeners, in particular with isocyanate resins include glycerol, ethylene glycol, trimethylolpropane, pentaerythritol and polyether polyols, for example those obtained by condensation of an alkylene oxide or a mixture of alkylene oxides with glycerol, ethylene glycol, trimethylolpropane, pentaerythritol, polyesterspolyols, for example those obtained from polycarboxylic acids, in particular oxalic acid, malonic acid, succinic acid, adipic acid, maleic acid, fumaric acid, isophthalic acid, terephthalic acid, with glycerol, ethylene glycol, trimethylolpropane, pentaerythritol.
  • polyether polyols for example those obtained by condensation of an alkylene oxide or a mixture of alkylene oxides with glycerol, ethylene glycol, trimethylolpropan
  • polyether polyols obtained by the addition of alkylene oxides, in particular ethylene oxide and / or propylene oxide, to the aromatic amines, in particular the mixture of 2,4 and 2,6 toluene diamine, are suitable. also.
  • isocyanates such as bis-4-phenyl diisocyanate, phenol derivatives such as Dow's DEH 85 product, ethylene oxide or oxide adducts.
  • propylene with a polyamine such as DETA, for example hydroxyethyldiethylene triamine, polyetheramines marketed by Hunstman under the trade name Jeffamine® D-2000, T-403, DGEBA-aliphatic amine adducts in excess of amine functions relative to glycidyls polyamidoamines, for example Versamid® 140 from Cognis Corp., Epikure® 3090 from Hexion, polyamides such as Epi-cure® 3090 and Epikure® 3100-ET-60 from Hexion, the amidoamines obtained by condensation between a fatty acid and a polyamine such as Ancamide®-260A®, and Ancamide® 501 from Air Products, the "Flexiblized" polyamides such as Epi-cure® 3164 from Hexion, polymercaptans such as Capcure® 3830-81 from Cognis Corp., Mannich bases obtained by reaction between (poly) amine, formaldehyde and
  • thermosetting resins As another compound that can be used as a hardener, in particular for ethylenically unsaturated thermosetting resins, mention may also be made of organic peroxides / hydroperoxides with their matrices (often organic solvents because the peroxides are never packaged pure) as mentioned above. after. For example, cumene hydroperoxide (Arkema's Luperox® CU50VE containing 50% organic solvents) can be chosen.
  • the catalyst is chosen from: substituted benzoic acids such as salicylic, 5-chloro-benzoic or acetylsalicylic acids. Sulfonated (or sulfonic) acids such as m-benzene-disulfonic acid.
  • the accelerator in particular the decomposition accelerator of a hydroperoxide
  • the accelerator can be chosen from: tertiary amines such as dimethylaminoethyl phenol (DMP), benzyl dimethylaniline (BDMA), monoethylamine associated with boron trifluoride (MEA-BF3 ), imidazoles such as imidazole-2-ethyl-4-methyl, metal alcoholates.
  • DMP dimethylaminoethyl phenol
  • BDMA benzyl dimethylaniline
  • MEA-BF3 monoethylamine associated with boron trifluoride
  • imidazoles such as imidazole-2-ethyl-4-methyl, metal alcoholates.
  • thermosetting polymers also called thermosetting resins
  • thermosetting polymers or "thermosetting resin” is meant a generally liquid material at room temperature or low melting point which is likely to be cured, usually in the presence of a hardener, under the effect of heat, 'an accelerator, a catalyst or a combination of these elements, to obtain a thermoset resin.
  • This (thermoset resin) consists of a material containing variable length polymer chains bonded together by covalent bonds, so as to form a three-dimensional network. In terms of its properties, this thermoset resin is infusible and insoluble. It can be softened by heating it above its glass transition temperature (Tg) but does not exhibit creep and once a shape has been imparted to it, it can not be reshaped later by heating.
  • Tg glass transition temperature
  • thermosetting polymers are chosen from:
  • unsaturated polyesters epoxy resins, vinyl esters, phenolic resins, polyurethanes, cyanoacrylates, acrylated multifunctional resins and polyimides, such as bis-maleimide resins, aminoplasts (resulting from the reaction of an amine such as melamine with an aldehyde such as glyoxal or formaldehyde) and mixtures thereof.
  • polyimides such as bis-maleimide resins, aminoplasts (resulting from the reaction of an amine such as melamine with an aldehyde such as glyoxal or formaldehyde) and mixtures thereof.
  • thermosetting resins those comprising epoxy, acid or isocyanate units, such as those which lead to obtaining epoxy, polyester or polyurethane-type thermoset networks, by reaction with a carrier hardener respectively of amine, acid or alcohol.
  • a carrier hardener respectively of amine, acid or alcohol.
  • the invention applies to thermosetting epoxy (or epoxidized) resins crosslinkable in the presence of an amine type hardener (including polyamines, polyamides-amines, polyether-amines) or anhydride type.
  • epoxy resins to be crosslinked with the aid of the hardener by way of example, mention may be made of epoxidized resins having a defined functionality such as the number of epoxide functions (or oxiranes) per molecule, at least 2, such as diglycidyl ether of bisphenol A, butadiene diepoxide, 3,4-epoxycyclohexylmethyl 3,4-epoxycyclohexane carboxylate, vinylcyclohexene dioxide, 4,4'-di (1,2) epoxyethyl) diphenyl ether, 4,4 '(1,2-epoxyethyl) biphenyl, 2,2-bis (3,4-epoxycyclohexyl) propane, diglycidyl ether of resorcinol, diglycidyl ether of phloroglucinol, bis (2,3-epoxycyclo pentyl) ether, 2- (3,4-epoxy) cycl
  • Such resins can generally be represented by the formula: wherein R3 is a group of formula -CH2-O-R4-O-CH2- wherein R4 is a divalent group selected from alkylene groups having 2 to 12 carbon atoms and those comprising at least one aliphatic or substituted aromatic ring or not.
  • polyepoxide resins comprising three or more epoxide groups per molecule, for example, triglyceride ether of p-aminophenol, polyarylglycidyl ethers, 1,3,5-tri (1,2-epoxy) benzene, 2,2 ', 4,4'-tetraglycidoxybenzophenone, tetraglycidoxytetraphenylethane, polyglycidyl ether of novolak phenol formaldehyde resin (polyepoxidized novolaks), epoxidized polybutadiene, triglyceride ether of glycerol, triglycidyl ether of trimethylolpropane and tetraglycidyl 4,4'-diaminodiphenylmethane.
  • triglyceride ether of p-aminophenol polyarylglycidyl ethers, 1,3,5-tri (1,2-epoxy) benzene
  • Epoxy resins generally require as the curing agent an acid anhydride or an amine.
  • Saturated polyester and unsaturated polyester resins are obtained by reaction of a polyacid (or corresponding anhydride) with a polyol.
  • Said polyacid is saturated for saturated and ethylenically unsaturated polyesters for unsaturated polyesters.
  • acids heptanedioic acid, octanedioic acid, azelaic acid, sebacic acid, undecanedioic acid, dodecanedioic acid, brassylic acid, tetradecanedioic acid, hexadecanedioic acid, octadecanedioic acid, octadecenedioic acid, eicosanedioic acid, docosanedioic acid and fatty acid dimers containing 36 carbon atoms (C36) or trimers of C 54 fatty acids.
  • C36 carbon atoms
  • the dimers or trimers of fatty acids mentioned above are oligomeric fatty acids (dimerized / trimerized) obtained by oligomerization or polymerization of unsaturated monobasic fatty acids with a long Cis hydrocarbon chain (such as linoleic acid and acid). oleic), as described in particular in EP 0 471 566.
  • the diacid when it is cycloaliphatic, it may comprise the following carbon skeletons: norbornyl methane, cyclohexylmethane, dicyclohexylmethane, dicyclohexylpropane, di (methylcyclohexyl), di (methylcyclohexyl) propane.
  • the diacid is aromatic, it is chosen from phthalic acid, terephthalic acid, isophthalic acid, tetrahydrophthalic acid, trimellitic acid and naphthalenic (or naphthenic) diacids, as well as the corresponding anhydrides of these acids.
  • polyols compounds whose molecule comprises at least two hydroxyl groups for reacting on polyacids to obtain polyesters
  • Unsaturated polyesters resulting from the condensation polymerization of dicarboxylic acids containing an ethylenically unsaturated compound (such as maleic anhydride or fumaric acid) and glycols such as propylene glycol are preferred. They are generally hardened by dilution in a reactive monomer such as styrene, by reaction of the latter with the unsaturations present on the polyester chain, generally using a hardener selected from organic peroxides including hydroperoxides, or by effect thermal (heating), either in the presence of a tertiary amine decomposition accelerator or cobalt salt (2+), such as cobalt octoate or an iron salt (2+).
  • the vinyl esters include the products of the reaction of epoxides with (meth) acrylic acid. They can be cured after dissolution in styrene (similar to polyester resins) using organic peroxides such as unsaturated polyesters.
  • HMDI hexamethylene diisocyanate
  • TMDIs trimethyl hexamethylene diisocyanates
  • 2,2,4-trimethyl hexamethylene diisocyanate and 2,4,4-trimethyl hexamethylene diisocyanate undecane triisocyanates.
  • isocyanates (UNTIs), 2-methylpentane diisocyanate, isophorone diisocyanate, norbornane diisocyanate (NBDI), 1,3-bis (isocyanatomethyl) cyclohexane (hydrogenated XDI), 4,4'-bis (isocyanatocyclohexyl) methane ( H12MDI), 2,4- or 2,6-toluene diisocyanate (TDI), diphenylmethane diisocyanates (MDIs), 1,5-naphthalene diisocynanate (NDI), p-phenylene diisocyanate (PPDI), the adducts comprising at least two isocyanate functions and formed by condensation between compounds comprising at least two isocyanate functional groups of those mentioned and compounds bearing other functions reactive with the isocyanate functional groups, for example hydroxyl or thiol functions.
  • adducts comprising at least two isocyanate functions and
  • thermosetting resins bearing isocyanate functional groups mention may be made of isocyanate-terminated prepolymers resulting from the reaction of an excess diisocyanate and a diol or an oligomer (polyether, polyester) diol or from a diisocyanate in excess and a diamine or a diamine oligomer (polyether-amine, polyamide-amine).
  • polyisocyanates that may be mentioned are modified polyisocyanates such as those containing carbodiimide groups, urethane groups, isocyanurate groups, urea groups or biurea groups.
  • Polyols capable of reacting with the polyisocyanates are used as hardeners for obtaining polyurethanes and polyamines to obtain polyureas.
  • the fibers constituting the fibrous materials may be mineral or organic fibers, for example carbon fibers, fibers glass fibers, mineral fibers such as basalt, silicon carbide, polymer-based fibers, for example aromatic polyamides or aramids or polyolefins, cellulosic fibers such as viscose, vegetable fibers such as flax, hemp, silk, sisal, used alone or mixed.
  • mineral fibers such as basalt, silicon carbide
  • polymer-based fibers for example aromatic polyamides or aramids or polyolefins
  • cellulosic fibers such as viscose
  • vegetable fibers such as flax, hemp, silk, sisal, used alone or mixed.
  • the impregnation can be carried out by placing the fibrous material in a bath of thermosetting polymer (s) fluid, into which the nanofiller / hardener mixture is introduced.
  • s thermosetting polymer
  • the term "fluid” means a medium which flows under its own weight and which does not have its own form (unlike a solid), such as a liquid which can be more or less viscous or a powder suspended in a gas (air for example) generally known as the "fluidized bed".
  • the fibrous materials When the fibrous materials are in the form of a strip or sheet, they may be circulated in the fluid thermosetting polymer bath, for example liquid.
  • the impregnation can be carried out according to a fluidized bed impregnation process in which the polymer composition, namely the polymer or the polymer mixture containing the nanofiller / hardener mixture, is in the form of powder.
  • the fibrous materials are passed through fluidized bed impregnation baths of polymer particles containing the nanofiller / hardener mixture and these impregnations are optionally dried and may be heated in order to effect the impregnation of the polymer with the fibers or fabrics, calendered if necessary.
  • the impregnation can be carried out by placing the fibrous material in a fluidized bed, with the thermosetting polymer or the thermosetting polymer mixture being in powder form.
  • the impregnation may be carried out by placing the fibrous material in a bath of thermosetting polymer (s) fluid or by depositing a thermosetting polymer film on the fibrous material, calendering and heating.
  • the assembly may rest on a vibrating plate, for example, to distribute the powder well.
  • the impregnation step is advantageously carried out by depositing a thermosetting polymer film on the fibrous material, calendering and heating.
  • the fibrous material is formed of a first series of fibers constituting the mineral or organic reinforcing fibers and of a second series of thermosetting polymer fibers containing the nanofiller / hardener mixture, having a melting point T f ( before crosslinking) lower than the melting temperature of the fibers of the first series and lower than the glass transition temperature Tg of the thermosetting polymer (crosslinked).
  • T f before crosslinking
  • Tg glass transition temperature
  • thermosetting polymers forming part of the thermosetting fibers according to this embodiment are chosen from: unsaturated polyesters, epoxy resins, vinyl esters, multifunctional monomeric or oligomeric acrylates (MFA), acrylated acrylic resins ( multifunctional), phenolic resins, polyurethanes, cyanoacrylates and polyimides, such as bis-maleimide resins, aminoplasts (resulting from the reaction of an amine such as melamine with an aldehyde such as glyoxal or formaldehyde) and their mixtures.
  • MFA monomeric or oligomeric acrylates
  • phenolic resins polyurethanes
  • cyanoacrylates cyanoacrylates
  • polyimides such as bis-maleimide resins
  • aminoplasts resulting from the reaction of an amine such as melamine with an aldehyde such as glyoxal or formaldehyde
  • pre-impregnated material when the two series of fibers are heated to the melting temperature Tf of the fibers of the second series, they are also shaped to obtain a homogeneous material of shape and dimensions calibrated with the apparatus as described below.
  • thermosetting fibers fibers of the second series
  • introduction of the two series of fibers and the shaping of the material impregnated with fused thermosetting fibers (fibers of the second series) are advantageously achieved by a system comprising the implementation of calendering operations.
  • the apparatus illustrated by the diagram of FIG. 1 comprises a line of continuous formation of said material in the form of a calibrated and homogeneous band of reinforcing fibers, for example mineral, impregnated with thermosetting polymer according to the invention.
  • the continuous training line comprises a device for setting up the two series of fibers provided with a first calendering device.
  • the apparatus comprises a line L of continuous formation of the material in the form of a calibrated and homogeneous strip, described hereinafter with reference to FIGS. 1, 2 and 3.
  • line L of continuous formation of the material is provided to simultaneously form several calibrated and homogeneous bands, as will be described in connection with Figures 4 and 5.
  • This line L of continuing education comprises:
  • a device for placing fibers 100 equipped with:
  • this device 104 comprises fiber coils 141 for the fibers of the first series and coils 142 for the fibers of the second series.
  • a preheating device 105 it has two half-ovens horizontal opening, infrared ramps. Its length is 1 m. The maximum temperature that can be reached is 600 ° C.
  • the passage groove 13 has a section of about 40 x 40 mm, a calendering device 106; it comprises two cylinders as illustrated in FIG. 3, of diameter 100 mm, width 100 mm, a polished chrome surface with Ra less than 0.1 micron.
  • the surface of the cylinders 15 and 17 has elements 16 and 18, male and female.
  • the shape of these elements is suitable for interlocking one into the other, by pressure, so as to calibrate the band 10 in width, as it passes over the cylinders.
  • the width of the strip is 3 mm to a few tens of mm and for example 6 mm.
  • This device comprises an electric heating providing a maximum temperature at about 260 ° C, a heating cartridge with rotating collector for supply and regulation by a thermocouple probe on the surface, a self-aligning bearing and adjustable spacing of 0 to 2 mm per screw.
  • setting device shaped 150 equipped:
  • the temperature of a heating device 1 10 identical to the preheating device 105 is set to reach the melting temperature Tf of the thermoplastic polymer fibers.
  • the half-oven 1 1 has a passage groove
  • a third calendering device 1 16 these calendering devices are identical to the first calendering device 106.
  • the details of the cylinder structure are illustrated in the diagram of FIG.
  • a cooling device 1 17 it is in the form of a tray 1 m long stainless steel in which the strip is introduced and immersed in cold water if necessary (the strip is shown in dotted lines in the crossing) Tray). It includes a compressed air dryer and a water cooling unit of about 3 KW,
  • a winding device 300 this device comprises several flat coils shaped like 301, 302, about 600 mm in diameter. The slabs are superimposed on a vertical axis XX as filling progresses. It is planned to store 10 to 20 pancakes with an interlayer between them. The passage of a slab 301 to the next 302 is done manually. The synchronization with pulling of the band is done by a regulating pad. The tension is adjusted by the counterweight of the shoe, a pulling train 350 makes it possible to drive the belt continuously. It comprises elastomer rollers and allows to exert a fixed pressure by pneumatic cylinder. It is electrically synchronized with the calendering devices.
  • the continuous training line L is controlled by a control station 400, of the computer type with display screen.
  • This station 400 is connected by network, for example, to the various electrical control devices of the line: electric motors, variable speed drives and speed regulators, temperature, engine pulling train to allow the various synchronizations necessary for continuous operation
  • This control station also allows you to save all the parameters for automation and synchronization management.
  • the coating layer may be removed if necessary, that is to say say in case of incompatibility with thermosetting polymer melt fibers according to the invention.
  • the coating layer will be removed before contacting the two sets of fibers 1, 2.
  • the laser device 1 10 of the laser type is arranged so that the laser beam arrives in the longitudinal axis of the fibers (ribbon), that is to say the axis of pulling.
  • the heating is direct and therefore concentrated on the fibers.
  • the heating device 1 10 is induction heating type or microwave.
  • an induction heating device or microwave is particularly suitable when electrically conductive fibers are present in the assembly or when electric conductive fillers such as CNTs are present in the pre-impregnated material. Because, in the case of induction or microwave heating, the electrical conductivity of the latter is implemented and contributes to obtaining a core cooking and better homogeneity of the fibrous material. The thermal conduction of the fibers of the assembly or of the NTC fillers present in the preimpregnated fibrous material also contributes, with this type of heating, to core cooking improving the homogeneity of the material.
  • Microwave or induction heating which is particularly well suited in the presence of fillers such as carbon nanotubes NTC in the preimpregnated material, makes it possible to obtain a better dispersion / distribution of the CNTs within the material, leading to a better homogeneity of the physico-chemical properties and, consequently, better overall properties on the final product.
  • the fibrous materials pre-impregnated with a composition containing a thermosetting polymer or a mixture of thermosetting polymers and an NTC / hardener mixture according to the invention are particularly suitable for the manufacture of three-dimensional parts.
  • the materials are shaped and heated to a temperature at least equal to the glass transition temperature Tg of the thermosetting polymer to activate the reaction of the hardener, that is to say, to crosslink the polymer to make the thermodide composition and give the piece its final shape.
  • the shaping of the fibrous materials may consist in arranging the preimpregnated fibrous materials on a preform, staggered and so that they overlap at least in part until the desired thickness is obtained. and heating by means of a laser which furthermore makes it possible to adjust the positioning of the fibrous materials with respect to the preform, the preform then being removed.
  • the pultrusion method is used.
  • the fibrous material which is in the form of unidirectional fibers or fabric strips is placed in a bath of thermosetting resin (s) which is then passed through a heated die where the shaping and crosslinking
  • the shaping of the pre-impregnated materials is carried out by one of the following known techniques:
  • R.T.M low pressure injection
  • RIM RIM or S-RIM. It is thus possible to produce parts having a structure with 2 and 3 dimensions, for example the wings of an airplane, the fuselage of an airplane, the hull of a boat, the spars or spoilers of an automobile or brakes, rams or steering wheels.
  • the heating of the fibrous material can be achieved by laser heating or a plasma torch, nitrogen or an infrared oven or by microwave or induction.
  • the heating is carried out by induction or by microwaves.
  • the conductivity properties of the preimpregnated material containing conductive fibers and / or charged with conductive particles such as CNTs are advantageous in combination with induction heating or microwave heating because, then, the electrical conductivity is implemented and contributes to obtaining a thorough cooking and a better homogeneity of the fibrous material.
  • the thermal conduction of the charges such as CNTs present in the preimpregnated fibrous material also contributes with this type of heating to core cooking improving the homogeneity of the substrate.
  • Induction heating is achieved, for example, by exposing the substrate to an alternating electromagnetic field by means of a high frequency unit from 650 KHz to 1 MHz.
  • Microwave heating is obtained, for example, by exposure of the substrate to a microwave electromagnetic field by means of a microwave generator of 2 to 3 GHz.
  • the Tg can be measured by DMA dynamic mechanical analysis at a frequency of 1 Hz and with a rise in temperature of 2 ° C per minute and with a stabilization time of 30 s every 2 ° C before the measurement.
  • Tf can be measured by DSC (Differential Scanning Calorimetry).
  • Example 1 is presented for illustration of the present invention.
  • Example 1 Preparation of a thermosetting epoxy-amine composite the invention.
  • a 1 st step preparing a mixture curing agent / NTC with polyamine hardener according to the following procedure:
  • the polyamine mixture hardener (Aradur ® 5052 from Hunstman) is injected in liquid form at room temperature into the second zone of the co-kneader. After kneading, a solid mixture is obtained at the exit of the extruder, at the outlet of the die, containing 25% of CNT and 75% of hardener. This mixture is then used as such or after dilution in the same hardener, depending on the target CNT level, for the manufacture of an epoxy-amine / glass fiber composite, by infusion.
  • the hardening liquid / NTC mixture (1% NTC) is introduced into the thermosetting resin (Araldite LY 5052 from Huntsman) with a weight ratio of 38 parts of hardener per 100 parts of resin.
  • the mixing is carried out by means of a blade mixer at room temperature and at a speed of 100 rpm for a few seconds.
  • thermosetting resin - hardener - CNT thermosetting resin - hardener - CNT
  • a composite consisting of 50 vol% of glass fibers and 50 vol% of thermoset resin loaded with CNT is obtained.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau fibreux comportant des fibres de carbone ou de fibres de verre ou de fibres végétales ou de fibres à base de polymère, utilisées seules ou en mélange, imprégnées par un polymère thermodurcissable ou un mélange de polymères thermodurcissables, en utilisant un mélange contenant un durcisseur et des nanocharges carboniques, telles que les nanotubes de carbone (NTC). Selon l'invention, on utilise un mélange contenant lesdites nanocharges comme les NTC et le durcisseur pour introduire lesdites nanocharges, comme les NTC, dans le matériau fibreux. Les matériaux fibreux pré-imprégnés sont utilisés pour la fabrication de pièces ayant une structure à trois dimensions.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE MATERIAU FIBREUX PRE-IMPREGNE DE POLYMERE THERMODURCISSABLE
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un matériau fibreux pré-imprégné et les utilisations de tels matériaux fibreux.
On entend par matériaux fibreux un assemblage de fibres de renfort qui peuvent être, soit des fibres courtes comme les feutres ou les non tissés pouvant se présenter sous forme de bandes, nappes, tresses, mèches ou morceaux, soit des fibres continues comme par exemple dans les tissus 2D, fibres UD ou non tissées.
Les fibres pouvant entrer dans la composition du matériau sont plus spécialement des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres minérales telles que le basalte, le carbure de silicium, des fibres à base de polymères, des fibres végétales, des fibres cellulosiques telles que la viscose, le lin, le chanvre, la soie, le sisal, utilisées seules ou en mélange.
L'invention concerne plus particulièrement la fabrication de matériaux fibreux imprégnés par un polymère thermodurcissable ou autrement appelée résine thermodurcissable (les deux termes signifiant la même chose) ou un mélange de polymères (ou résines) thermodurcissables et les utilisations de tels matériaux dénommés matériaux fibreux pré-imprégnés pour la fabrication de matériaux composites servant à la réalisation de pièces à trois dimensions (3D).
En effet, les matériaux fibreux pré-imprégnés d'un polymère sont utilisés dans la fabrication de pièces de structure d'engins en particulier mobiles, en vue de les alléger tout en leur conférant une résistance mécanique comparable à celle obtenue avec des pièces de structure en métal et/ou d'assurer une protection thermique et/ou d'assurer l'évacuation de charges électrostatiques. Ces matériaux fibreux peuvent être imprégnés d'un polymère thermoplastique ou d'un polymère thermodurcissable.
Les matériaux fibreux pré-imprégnés peuvent en outre renfermer des nanocharges d'origine carbonique conductrices telles que des nanotubes de carbone (ou NTC), du noir de carbone, des nanofibres ou des graphènes, plus particulièrement des nanotubes de carbone (NTC). La présence de nanotubes de carbone dans le matériau fibreux permet d'améliorer les propriétés mécaniques et/ou thermiques et/ou électriques des pièces mécaniques à base dudit matériau.
Ainsi, les matériaux fibreux pré-imprégnés constituent des matériaux légers assurant une résistance mécanique comparable au métal, procurant une augmentation de la résistance électrique et/ou thermique de la pièce mécanique réalisée afin d'assurer l'évacuation de la chaleur et/ou de la charge électrostatique. Ces matériaux sont particulièrement adaptés à la réalisation simple de toute structure mécanique en trois dimensions, couramment symbolisée 3D, notamment pour l'automobile, l'aéronautique, le domaine nautique, le transport ferroviaire, le sport ou l'aérospatial.
L'invention s'applique à la réalisation de pièces ayant une structure 3D comme notamment les ailes d'avion, le fuselage d'un avion, la coque d'un bateau, les longerons ou spoilers d'une automobile ou encore des disques de freins, le corps de vérin ou de volants de direction, au moyen de matériaux fibreux préimprégnés.
Dans la fabrication de matériau fibreux imprégné par une résine thermodurcissable (c'est-à-dire par un polymère thermodurcissable) ou un mélange de polymères thermodurcissables, l'imprégnation se fait à la température de fusion Tf de la résine comme température minimale ou à une température supérieure. Cette température Tf varie en fonction des résines utilisées. Après l'étape d'imprégnation du matériau, la résine est dans un état stable qui permet une mise en forme du matériau pour la fabrication de pièces à trois dimensions. La mise en forme peut être faite juste après imprégnation ou ultérieurement. Le durcisseur ou élément d'activation de la réaction de réticulation qui a été introduit dans la résine thermodurcissable reste inactif tant que sa température de réaction n'est pas atteinte. Cette température est supérieure à la température de transition vitreuse Tg de la résine (réticulée) et est supérieure à la température de fusion Tf (de la résine avant réticulation) si elle existe. Pour la réalisation de pièces ayant une structure à trois dimensions, les matériaux fibreux sont mis en forme et chauffés à une température au moins égale à la température de transition vitreuse Tg de la résine. La résine se transforme en résine thermodure et la pièce prend ainsi sa forme finale.
Jusqu'à présent, lorsque des nanocharges telles que les NTC sont introduites dans la résine thermodurcissable, elles sont en fait dispersées dans la formulation de base de la résine, c'est-à-dire dans la résine ou composition de résine thermodurcissable contenant le durcisseur.
Le Déposant a constaté dans ce cas, que la présence dans la résine de nanocharges, en particulier comme les NTC, pose plusieurs problèmes techniques à résoudre. D'abord, leur manipulation à sec sous forme de poudre pulvérulente de taille nanométrique présente des risques pour la santé, la sécurité et l'environnement en général pour les utilisateurs dans les ateliers de fabrication des matériaux fibreux pré-imprégnés. Ensuite, l'introduction de ces nanocharges, en particulier les NTC, conduit à la formation d'agrégats, nécessitant l'utilisation de mélangeurs particuliers à très haut cisaillement pour les désagréger avec risque d'échauffement et de réticulation précoce de la résine en présence du durcisseur. De même, ces nanocharges, du fait de leur taille (grande surface spécifique) et de leurs interactions avec la résine, entraînent une augmentation significative de la viscosité du milieu. Ceci limite de manière significative le taux de nanocharges, en particulier le taux des NTC, qu'il est possible d'incorporer dans une résine thermodurcissable contenant déjà le durcisseur, sans utiliser les méthodes particulières de dispersion à haut cisaillement avec les inconvénients cités.
A défaut de résolution des problèmes cités, la présence dans la résine des nanocharges, comme les NTC, provoque une formation de domaines sous- réticulés contribuant à la diminution de la température de transition vitreuse Tg de la résine par rapport à la température spécifiée par les fabricants et, par conséquent, une affectation avec diminution des performances thermomécaniques directement liées à la Tg, comme des performances électriques (conductivité) par l'hétérogénéité du matériau. Une des raisons ou explications possibles est que la partie de résine thermodurcissable reste adsorbée sur la surface des NTC et donc elle n'est plus disponible à la réaction de réticulation pour participer au réseau réticulé. La formation de domaines sous-réticulés contribuent alors à la diminution de la température de transition vitreuse et des performances thermomécaniques (Auad et al., Poly. Engin.Sci. 2010, 183-190).
La présente invention a pour but de remédier à ce problème. Elle permet d'éviter la formation de domaines sous-réticulés et de maintenir une température de transition vitreuse Tg de la résine thermodurcissable (polymère thermodurcissable ou mélange de polymères thermodurcissables) élevée.
A cette fin, il est proposé, selon l'invention, d'utiliser un mélange contenant les nanocharges, en particulier les nanotubes de carbone et le durcisseur, c'est-à- dire des nanocharges prédispersées séparément dans le durcisseur, afin d'introduire les nanotubes de carbone au moyen de ce mélange dans le matériau fibreux, plus précisément par l'imprégnation finale de ce matériau.
Ainsi, selon l'invention, les nanocharges sont introduites dans le polymère thermodurcissable, non pas seules, mais au moyen du mélange nanocharges / durcisseur. Conformément à l'invention, le mélange nanocharges / durcisseur peut être introduit directement dans le polymère thermodurcissable avant imprégnation du matériau fibreux ou bien être incorporé au matériau fibreux lors de l'imprégnation.
Le mélange nanocharges / durcisseur peut se présenter sous forme de fluide, de poudre, de fibres, de film, en fonction du durcisseur et du taux de nanocharges. Lorsque le mélange nanocharges / durcisseur est incorporé au matériau fibreux avant imprégnation, ce mélange sera de préférence réalisé, soit sous forme de fibres, soit sous forme de film, soit sous forme de poudre. Ainsi, lorsque le mélange de nanocharges / durcisseur est sous forme de fibres, ces fibres seront avantageusement dans l'assemblage de fibres formant le matériau fibreux. Lorsque le mélange se présente sous forme de poudre, il sera déposé sur le matériau fibreux. Lorsque le mélange est sous forme de film, il sera avantageusement déposé sur le matériau fibreux. Le matériau fibreux ainsi obtenu est ensuite imprégné par le polymère thermodurcissable. Il est par ailleurs apparu à la Demanderesse que cette invention pouvait également être appliquée à d'autres nanocharges conductrices carbonées que les nanotubes de carbone et en particulier au noir de carbone, aux nanofibres de carbone ou aux graphènes, qui sont également susceptibles de poser des problèmes de sécurité en raison de leur caractère pulvérulent et qui ont une aptitude à conférer des propriétés conductrices ou mécaniques améliorées aux matériaux dans lesquels ils sont incorporés.
La présente invention a plus particulièrement pour objet un procédé de fabrication d'un matériau fibreux comportant un assemblage d'une ou plusieurs fibres, composé de fibres de carbone ou de fibres de verre ou de fibres végétales ou de fibres minérales ou de fibres cellulosiques ou de fibres à base de polymère, utilisées seules ou en mélange, imprégné par un polymère thermodurcissable ou un mélange de polymères thermodurcissables contenant un durcisseur et des nanocharges d'origine carbonique telles que des nanotubes de carbone (NTC), du noir de carbone, des nanofibres de carbone ou des graphènes, principalement caractérisé en ce qu'on utilise, pour introduire lesdites nanocharges dans le matériau fibreux, un mélange contenant les nanocharges d'origine carbonique telles que les NTC et le durcisseur (nanocharges prédispersées dans ledit durcisseur). Le mélange nanocharges d'origine carbonique / durcisseur comporte avantageusement un taux de nanocharges compris entre 10% et 60%, de préférence entre 20% et 50% par rapport au poids total du mélange.
Le mélange nanocharges d'origine carbonique / durcisseur peut comporter en outre un accélérateur ou un catalyseur de réticulation. Différents types de réticulations et, en fonction de celles-ci, de durcisseurs correspondants peuvent être considérés selon la présente invention par exemple :
par polycondensation ou par polyaddition entre deux fonctions coréactives avec le durcisseur étant celui de 2 composants qui est le moins visqueux et/ou de plus faible masse moléculaire, avec possibilité de réaction de réticulation accélérée par catalyse (présence d'un catalyseur) ou
par réticulation radicalaire par ouverture d'insaturations éthyléniques, le durcisseur étant dans ce cas l'amorceur radicalaire, de type peroxyde y compris hydroperoxyde, avec présence éventuelle d'un accélérateur de décomposition du peroxyde, tel qu'une aminé tertiaire, sels Co2+ ou Fe2+. Dans un exemple préféré de réalisation, les nanocharges d'origine organique, ci-après dénommées nanocharges, sont constituées de nanotubes de carbone (NTC). Par résine thermodurcissable, on considère la résine principale multifonctionnelle d'un système bicomposant (2K) réticulable par condensation, addition ou par ouverture d'insaturations éthyléniques par voie radicalaire ou par d'autres voies de réticulation ionique ou autre. L'autre composant réactif de ce système correspond à la définition de durcisseur selon l'invention qui correspond au composant le moins visqueux et/ou de plus faible masse moléculaire dans ledit système bicomposant. Dans le cas où la résine thermodurcissable comprend des insaturations éthyléniques réticulables, ledit durcisseur est par exemple un amorceur radicalaire, en particulier un amorceur peroxydique, terme qui signifie pour l'invention, soit un peroxyde, soit un hydroperoxyde. Avec un amorceur type hydroperoxyde, des accélérateurs de décomposition peuvent être utilisés, comme les aminés tertiaires, les sels de cobalt (2+) ou de fer (2+).
Par durcisseur, on entend, au sens de la présente invention, un composé capable de provoquer une réticulation chimique et de conduire à un réseau de polymère tridimensionnel, par le biais de liaisons de réticulation irréversibles de type covalent, lesquelles une fois obtenues ne peuvent plus être transformées par l'action de la chaleur, avec ledit réseau tridimensionnel étant infusible par chauffage et insoluble dans un solvant. Ce composé est donc d'abord un agent réticulant ou de réticulation de ladite résine thermodurcissable. Ce composé est en général le composé le moins visqueux et/ou de plus faible masse moléculaire, en particulier parmi les deux composants d'un système réticulable bi-composant.
Le durcisseur est donc un composé souvent polyfonctionnel portant par exemple des fonctions aminé, anhydride ou alcool ou isocyanate ou époxy réactives par rapport à des fonctions coréactives portées par une résine thermodurcissable. Par résine thermodurcissable, on entend, au sens de la présente invention, un polymère pouvant être réticulé chimiquement par un durcisseur, en une résine thermodure qui est de structure tridimensionnelle, infusible et insoluble, laquelle une fois obtenue ne peut plus être transformée par l'action de la chaleur. En d'autres termes, une résine thermodurcissable, une fois le réseau polymère tridimensionnel constitué, devient un réseau polymère thermodure qui ne coulera pas sous l'effet de la chaleur (absence de fluage), même avec un apport d'énergie mécanique cisaillante (par cisaillement). Les résines thermodurcissables à réticuler à l'aide du durcisseur selon l'invention comprennent : les résines époxy, les polyesters et les polyesters insaturés, les esters vinyliques, les résines phénoliques, les polyuréthanes, les cyanoacrylates et les polyimides tels que les résines bis-maléimides, les aminoplastes (résultant de la réaction d'une aminé telle que la mélamine avec un aldéhyde tel que le glyoxal ou le formaldéhyde) et leurs mélanges, sans que cette liste ne soit limitative. A noter que les polyesters insaturés, vinyl esters ou des résines multifionctionnelles acrylées réticulent par ouverture d'au moins deux insaturations éthyléniques en présence d'un amorceur radicalaire qui, dans ce cas, joue le rôle de durcisseur, en général en présence d'un comonomère éthylenique comme les monomères acryliques ou vinyl aromatiques. L'amorceur radicalaire préféré est de type peroxydique, ce terme incluant les peroxydes et hydroperoxydes. La décomposition de l'amorceur peroxydique et, en particulier de l'amorceur hydroperoxyde, peut être accélérée en présence d'un accélérateur de décomposition comme une aminé tertiaire, un sel de cobalt (2+) ou de fer (2+).
L'imprégnation peut être réalisée en plaçant, selon une première option, le matériau fibreux dans un bain de polymère(s) thermodurcissable(s) fluide dans lequel on introduit ou on a introduit le mélange nanocharges / durcisseur (nanocharges prédispersées dans le durcisseur).
L'imprégnation peut être réalisée également en plaçant le matériau fibreux en lit fluidisé, le polymère thermodurcissable ou le mélange polymères thermodurcissables se trouvant à l'état de poudre, ainsi que le mélange nanocharges / durcisseur.
L'imprégnation peut aussi être réalisée en extrudant directement un flux de polymère thermodurcissable contenant le mélange nanocharges / durcisseur sur le matériau fibreux qui se présente sous forme de nappe ou de bande ou de tresse.
On peut également envisager la pré-imprégnation du matériau fibreux avec le mélange durcisseur / nanocharges avant le dépôt du polymère (résine) thermodurcissable.
Et, dans un autre exemple de réalisation, l'imprégnation consiste à : i) utiliser au moins deux séries de fibres différentes, une première série de fibres continues formant les fibres de renfort dudit matériau, et une deuxième série de fibres constituées de polymère thermodurcissable (non réticulé) contenant le mélange nanocharges / durcisseur et ayant une température de fusion Tf ;
ii) disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre puis, iii) chauffer l'ensemble des deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf des fibres thermodurcissables et en laissant refroidir l'ensemble jusqu'à la température ambiante, la température de fusion Tf étant inférieure à la température de réaction du durcisseur et inférieure à la température de fusion des fibres de la première série.
Les fibres de renfort constituant la première série peuvent être des fibres minérales ou des fibres organiques de polymère thermoplastique ou thermodurcissable ou bien encore un mélange de fibres minérales et de fibres organiques de polymère thermoplastique ou thermodurcissable.
L'invention concerne aussi un appareil de mise en œuvre du procédé dans lequel l'imprégnation consiste à utiliser deux séries de fibres, l'imprégnation des fibres de renfort formant la première série se faisant directement par fusion à une température Tf des fibres de polymère thermodurcissable qui ont été mises en contact.
Avantageusement, l'appareil comprend une ligne de formation continue dudit matériau sous forme d'au moins une bande calibrée et homogène en fibres de renfort (minérales ou organiques) imprégnées de polymère thermodurcissable, comprenant le dispositif de mise en place d'au moins un ensemble de deux séries de fibres utilisées pour former une bande, de manière à disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre, ce dispositif étant muni d'un premier dispositif de calandrage et comprenant un dispositif de mise en forme, muni d'un deuxième dispositif de calandrage, muni de deux cylindres comportant au moins un segment de pressage de largeur désirée pour obtenir par pression une bande calibrée en largeur lors de son passage sur les cylindres. Lorsque les deux séries de fibres sont chauffées à la température de fusion Tf de la fibre de polymère thermodurcissable, elles sont aussi mises en forme pour obtenir un matériau homogène de forme et de dimensions calibrées sous forme d'une bande.
Pour la formation simultanée de plusieurs bandes calibrées en largeur et homogènes de matériau fibreux pré-imprégné, l'appareil comporte des entrées pour plusieurs ensembles de deux séries de fibres et plusieurs segments de mise en forme et de calibrage en largeur des bandes.
L'invention concerne également les utilisations de matériaux fibreux pré- imprégnés par une composition contenant un polymère thermodurcissable ou un mélange de polymères thermodurcissables et un mélange de nanocharges comme les nanotubes de carbone et de durcisseur, pour la fabrication de pièces ayant une structure à trois dimensions.
Cette utilisation comprend une étape de mise en forme des matériaux fibreux pré-imprégnés, associée à un chauffage desdits matériaux à une température au moins égale à la température de transition vitreuse Tg du polymère thermodurcissable afin d'activer la réaction du durcisseur, c'est-à-dire de réticuler le polymère pour rendre la composition thermodure (c'est-à-dire réticulée) et donner à la pièce sa forme finale.
De façon pratique, plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour la fabrication de pièces à trois dimensions (3D).
Dans un exemple, la mise en forme des matériaux fibreux peut consister à disposer les matériaux fibreux pré- imprégnés sur une préforme, en quinconce et de façon à ce qu'ils se superposent au moins en partie jusqu'à obtention de l'épaisseur voulue et à chauffer au moyen d'un laser qui permet en outre d'ajuster le positionnement des matériaux fibreux par rapport à la préforme, la préforme étant ensuite retirée.
Selon d'autres exemples, la mise en forme des matériaux pré-imprégnés est réalisée par l'une des techniques connues suivantes :
- le calandrage,
le laminage,
la pultrusion, l'injection basse pression (R.T.M) ou encore,
la technique de l'enroulement filamentaire
l'infusion
thermocompression
- RIM ou S-RIM.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui est faite ci-après et qui est donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et en regard des figures sur lesquelles :
la figure 1 représente le schéma d'un appareil de mise en œuvre du procédé dans le cas où l'imprégnation est réalisée par la fusion d'une série de fibres thermodurcissables, en contact avec une série de fibres de renfort, la figure 2 représente le schéma d'un demi-four avec la gorge de mise en place des fibres,
la figure 3 représente le schéma des cylindres de calandrage avec les éléments complémentaires de calibrage et mise en forme du matériau en forme de bande,
la figure 4 représente le schéma d'un demi-four avec plusieurs gorges de mise en place des fibres,
la figure 5 représente le schéma des cylindres de calandrage avec plusieurs éléments complémentaires de calibrage et mise en forme du matériau en plusieurs bandes.
Dans la suite de cette description, on désigne par « nanocharge d'origine carbonique », destinée à être mélangée avec le durcisseur selon l'invention, une charge comprenant au moins un élément du groupe formé des nanotubes de carbone, de nanofibres de carbone, du noir de carbone, des graphènes, de graphite ou un mélange de ceux-ci en toutes proportions. De préférence, la taille des particules de ces nanocharges ne dépasse pas 150 nm, ces particules pouvant se présenter sous forme d'agrégats de particules ne dépassant pas 10 μιτι (microns). Les nanocharges d'origine carbonique sont ci-après dénommées nanocharges.
Selon l'invention, il est proposé d'introduire des nanocharges telles que des nanotubes de carbone (NTC), au moyen d'un mélange contenant un composé réactif permettant de réaliser la réticulation de la résine thermodurcissable et les nanocharges lorsque celle-ci (résine) est chauffée à une température au moins égale à la température de réticulation. De manière connue, le composé réactif comporte au moins un durcisseur ou une composition de durcisseurs. Il peut comporter également un accélérateur ou un catalyseur. On parlera par la suite, pour simplifier, de durcisseur.
I) Le mélange nanocharges / durcisseur :
Le mélange contient des nanocharges et le durcisseur ou une combinaison de durcisseurs, choisi(s) en fonction de la résine utilisée de manière connue pour un homme de métier. Ainsi, le mélange nanocharges / durcisseur peut comporter des additifs, par exemple des composés qui seront inertes vis-à-vis de la réaction de réticulation (comme des solvants) ou au contraire des solvants ou diluants réactifs qui contrôleront la réaction de réticulation en ajustant certaines propriétés mécaniques de la résine thermodure finale, ainsi que des catalyseurs ou des accélérateurs permettant d'accélérer la réticulation des composants réactifs.
Comme additifs au mélange nanocharges / durcisseur, on peut avoir un polymère thermoplastique ou un mélange de polymère thermoplastique, comme par exemple un polyamide (PA), un polyétherimide (PEI) ou un époxy solide.
Lorsqu'un accélérateur ou un catalyseur sont présents dans le mélange, ils sont choisis également de manière connue pour un homme de métier en fonction de la résine utilisée.
Le mélange nanocharges d'origine carbonique / durcisseur comporte avantageusement un taux de nanocharges compris entre 10% et 60%, de préférence entre 20% et 50% par rapport au poids total du mélange.
Les nanotubes de carbone (NTC) possèdent des structures cristallines particulières, de forme tubulaire, creuses et closes, composées d'atomes disposés régulièrement en pentagones, hexagones et/ou heptagones, obtenues à partir de carbone. Les NTC sont en général constitués d'un ou plusieurs feuillets de graphite enroulés. On distingue ainsi les nanotubes mono-parois (Single Wall Nanotubes ou SWNT) et les nanotubes multi-parois (Multi Wall Nanotubes ou MWNT). Les nanotubes à double paroi peuvent notamment être préparés comme décrit par FLAHAUT et al dans Chem. Corn. (2003), 1442. Les nanotubes à parois multiples peuvent de leur côté être préparés comme décrit dans le document WO 03/02456. On préfère, selon l'invention, utiliser des NTC à parois multiples.
Les nanotubes de carbone mis en œuvre selon l'invention ont habituellement un diamètre moyen allant de 0,1 à 200 nm, de préférence de 0,1 à 100 nm, plus préférentiellement de 0,4 à 50 nm et, mieux de 1 à 30 nm et avantageusement une longueur de plus de 0,1 μιτι et avantageusement de 0,1 à 20 μιτι, par exemple d'environ 6 μιτι. Leur rapport longueur / diamètre est avantageusement supérieur à 10 et le plus souvent supérieur à 100. Ces nanotubes comprennent donc notamment les nanotubes dits "VGCF" (fibres de carbone obtenues par dépôt chimique en phase vapeur ou Vapor Grown Carbon Fibers). Leur surface spécifique est par exemple comprise entre 100 et 300 m2/g et leur densité apparente peut notamment être comprise entre 0,01 et 0,5 g/cm3 et plus préférentiellement entre 0,07 et 0,2 g/cm3. Les nanotubes de carbone multi- parois peuvent par exemple comprendre de 5 à 15 feuillets et plus préférentiellement de 7 à 10 feuillets.
Un exemple de nanotubes de carbone bruts est la dénomination commerciale Graphistrength® C100 de la société ARKEMA.
Les nanofibres de carbone, comme les nanotubes de carbone, sont des nanofilaments produits par dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD) à partir d'une source carbonée qui est décomposée sur un catalyseur comportant un métal de transition (Fe, Ni, Co, Cu), en présence d'hydrogène, à des températures de 500 à 1200°C. Toutefois, ces deux charges carbonées se différencient par leur structure (I. MARTIN-GULLON et al., Carbon 44 (2006) 1572-1580). En effet, les nanotubes de carbone sont constitués d'un ou plusieurs feuillets de graphène enroulés de manière concentrique autour de l'axe de la fibre pour former un cylindre ayant un diamètre de 10 à 100 nm. Au contraire, les nanofibres de carbone se composent de zones graphitiques plus ou moins organisées (ou empilements turbostratiques) dont les plans sont inclinés à des angles variables par rapport à l'axe de la fibre. Ces empilements peuvent prendre la forme de plaquettes, d'arêtes de poisson ou de coupelles empilées pour former des structures ayant un diamètre allant généralement de 100 nm à 500 nm, voire plus. Par ailleurs, le noir de carbone est un matériau carboné colloïdal fabriqué industriellement par combustion incomplète de produits pétroliers lourds qui se présente sous forme de sphères de carbone et d'agrégats de ces sphères et dont les dimensions sont généralement comprises entre 10 et 1000 nm.
Les graphènes sont des feuillets de graphite isolés et individualisés, mais très souvent on appelle graphènes des assemblages comprenant entre un et quelques dizaines de feuillets. A la différence des nanotubes de carbone, ils présentent une structure plus ou moins plane avec des ondulations dues à l'agitation thermique d'autant plus fortes que le nombre de feuillets se réduit. On distingue les FLG (Few Layer Graphene), les NGP (Nanosized Graphene Plates), les CNS (Carbon NanoSheets), les GNR (Graphene NanoRibbons).
Le graphite est caractérisé par une structure cristalline composée d'atomes de carbone organisés en plans d'hexagones réguliers. Le graphite est disponible par exemple sous les marques Timrex ou Ensaco.
Le durcisseur est choisi en fonction de la nature de la résine thermodurcissable et de son mode de réticulation (ou de sa réactivité) dans un système réactif (en fait coréactif) bicomposant, par exemple par (poly)condensation ou par (poly)addition ou par réticulation via l'ouverture d'insaturations éthyléniques par voie radicalaire ou (réticulable) par d'autres voies. Si la résine thermodurcissable porte des fonctions réactives par condensation ou par addition, ledit durcisseur porte des fonctions coréactives, c'est-à-dire capables de réagir avec les fonctions portées par ladite résine thermodurcissable, respectivement par condensation et addition. La résine thermodurcissable et le durcisseur forment ainsi un système réactif bicomposant ayant une fonctionnalité réactive moyenne supérieure à 2 pour être réticulable. Dans le cas des résines thermodurcissables, réticulables via l'ouverture d'insaturations éthyléniques par voie de réticulation radicalaire ou autre voie, au moins deux insaturations éthyléniques par chaîne polymère sont présentes. Dans ce cas, les durcisseurs peuvent être par exemple des amorceurs radicalaires, comme la famille des composés peroxydiques qui peuvent être des peroxydes ou hydroperoxydes. Ces derniers peuvent se décomposer en radicaux libres, soit par l'élévation de la température (par effet thermique), mais également à basse température par l'emploi d'un réducteur qui est un accélérateur de décomposition radicalaire de l'amorceur et couramment connu comme accélérateur dans ce type de compositions thermodurcissables (réticulables).
Donc, en fonction des résines thermodurcissables et des fonctions réactives portées, les durcisseurs utilisables selon l'invention peuvent comprendre des aminés, des dérivés obtenus par réaction de l'urée avec une polyamine, des anhydrides d'acide, des acides organiques, des polyols et leurs mélanges sans que cette liste ne soit limitative.
Comme aminés utilisables, on peut citer les aminés aliphatiques telles que la cyclohexylamine, les éthylène polyamines linéaires telles que l'éthylènediamine, la diéthylènetriamine (DETA), la triéthylènetétramine (TETA), la tétraéthylène pentamine (TEPA), les aminés cycloaliphatiques telles que le 1 ,2- diaminocyclohexane, l'isophorone diamine, la Ν,Ν'-diisopropyle isophorone diamine, l'hexamine, les aminés aromatiques telles que la benzylamine, la diéthyltoluènediamine (DETDA), la métaphénylènediamine (MPDA), la diaminodiphényl méthane (DDM), la diaminodiphényl sulfone (DDS), le dicyanodiamide (DICY tel que Dyhard 100SF de AlzChem), 4,4'-diaminodiphényl sulfone, la 4,4'-méthylène dianiline, la méthylène bis 4,4'-orthochloroaniline (MBOCA), les oligomères de polyamines (par exemple Epikure 3164 de Résolution).
Comme dérivés obtenus par réaction de l'urée avec une polyamine, on peut citer la 1-(2-aminoéthyl)imidazolidone, aussi connue comme 1 -(2- aminoéthyl)imidazolidine-2-one (UDETA), la 1-(2-hydroxyéthyl)imidazolidone (HEIO), 1 -(2-[(2-aminoéthyl)amino]éthyl)imidazolidone (UTETA), la 1 -(2-{2-[(2- aminoéthylamino]éthyl}amino) éthyl]imidazolidone (UTEPA), la N-(6-aminohexyl)- N'-(6-méthyl-4-oxo-1 ,4-dihydropyrimidin-2-yl)urée (UPy).
Comme anhydrides, on peut citer les anhydrides phtaliques et dérivés tels que l'anhydride phtalique, l'anhydride dichlorophtalique, l'anhydride tétrachlorophtalique, l'anhydride tétrahydrophtalique, l'anhydride méthyl hexa- hydrophtalique (MHHPA), l'anhydride méthyl tetra-hydrophtalique (MTHPA, tel que Aradur 917 de Huntsman), l'anhydride méthyl hexahydrophtalique (HHPA), l'anhydride méthyl nadic (AMN), l'anhydride dodécényl succinique (DDSA), l'anhydride maléique.
Comme acides organiques, on peut citer les acides organiques tels qu'acide oxalique, succinique, citrique, tartrique, adipique, sébacique, perchlorique, phosphorique, les acides disulfoniques tels que l'acide m-benzènedisulfonique, l'acide p-toluènesulfonique, le chlorure de méthanedisulfonyle ou l'acide méthanedisulfonique.
Comme phosphates organiques, on peut citer les monométhyl- orthophosphate, monoéthyl-orthophosphate, mono-n-butyl-orthophosphate, monoamyl-orthophosphate.
Comme polyols utilisables comme durcisseurs notamment avec des résines isocyanates, on peut citer le glycérol, l'éthylène glycol, le triméthylolpropane, le pentaérythritol, les polyétherpolyols, par exemple ceux obtenus par condensation d'un oxyde d'alkylène ou d'un mélange d'oxydes d'alkylène avec le glycérol, l'éthylène glycol, le triméthylolpropane, le pentaérythritol, les polyesterspolyols, par exemple ceux obtenus d'acides polycarboxyliques, notamment l'acide oxalique, l'acide malonique, l'acide succinique, l'acide adipique, l'acide maléïque, l'acide fumarique, l'acide isophtalique, l'acide téréphtalique, avec le glycérol, l'éthylène glycol, le triméthylolpropane, le pentaérythritol.
Les polyétherpolyols obtenus par addition d'oxydes d'alkylènes, en particulier l'oxyde d'éthylène et/ou l'oxyde de propylène, sur les aminés aromatiques, en particulier le mélange de 2,4 et 2,6 de toluène diamine conviennent également.
Comme autres composés pouvant être utilisés comme durcisseurs selon l'invention, on peut citer également les isocyanates tels que le bis-4- phényldiisocyanate, les dérivés phénoliques tels que le produit DEH 85 de Dow, les adduits d'oxyde d'éthylène ou oxyde de propylène avec une polyamine telle que la DETA, par exemple l'hydroxyéthyldiéthylène triamine, les polyétheramines commercialisées par Hunstman sous la dénomination commerciale Jeffamine® D- 2000, T-403, les adduits DGEBA-amines aliphatiques en excès de fonctions amine relativement aux glycidyles, les polyamidoamines par exemple Versamid® 140 de la société Cognis Corp., Epikure® 3090 de la société Hexion, les polyamides comme Epi-cure® 3090, et Epikure® 3100-ET-60 de la société Hexion, les amidoamines obtenus par condensation entre un acide gras et une polyamine comme Ancamide®-260A®, et Ancamide® 501 d'Air Products, les polyamides « flexiblisés » comme Epi-cure® 3164 de la société Hexion, les polymercaptans tels que Capcure® 3830-81 , de la société Cognis Corp., les bases de Mannich obtenus par réaction entre (poly)amine, formaldéhyde et (alkyl)phénols comme Epi-cure® 190, 195, 197 de la société Hexion, les cétimines par exemple Epikure® 3502 de la société Hexion, les résines époxy polyols de base pouvant réticuler les polyisocyanates par exemple Epikote® 1007 et 1009 de la société Hexion.
Comme autre composé pouvant être utilisé comme durcisseur, en particulier pour les résines thermodurcissables à insaturations éthyléniques, on peut citer également les peroxydes/hydroperoxydes organiques avec leurs matrices (souvent des solvants organiques car les peroxydes ne sont jamais conditionnés purs) tels que mentionnés ci-après. On peut choisir par exemple l'hydroperoxyde de cumène (Luperox® CU50VE d'Arkema contenant 50% de solvants organiques).
Catalyseur et Accélérateur
Le catalyseur est choisi parmi : les acides benzoïques substitués tels que les acides salicylique, 5-chlore-benzoique ou acétylsalicylique. Les acides sulfonés (ou sulfoniques) tels que l'acide m-benzène-disulfonique.
L'accélérateur (en particulier l'accélérateur de décomposition d'un hydroperoxyde) peut être choisi parmi : les aminés tertiaires telles que diméthylaminoéthyl phénol (DMP), benzyl diméthyl aniline (BDMA), monoéthyl aminé associée au trifluorure de bore (MEA-BF3), les imidazoles tels que imidazole-2-éthyl-4-méthyl, les alcoolats métalliques.
Il) Les polymères thermodurcissables dénommés également résines thermodurcissables
Par polymères thermodurcissables ou encore «résine thermodurcissable», on entend un matériau généralement liquide à température ambiante ou à bas point de fusion qui est susceptible d'être durci, généralement en présence d'un durcisseur, sous l'effet de la chaleur, d'un accélérateur, d'un catalyseur ou d'une combinaison des ces éléments, pour obtenir une résine thermodurcie. Celle-ci (résine thermodurcie) est constituée d'un matériau renfermant des chaînes polymères de longueur variable liées entre elles par des liaisons covalentes, de manière à former un réseau tridimensionnel. Sur le plan de ses propriétés, cette résine thermodurcie est infusible et insoluble. Elle peut être ramollie en la chauffant au-dessus de sa température de transition vitreuse (Tg) mais ne présente pas de fluage et une fois qu'une forme lui a été conférée, elle ne peut être remise en forme ultérieurement par chauffage.
Les polymères thermodurcissables sont choisis parmi :
- les polyesters insaturés, les résines époxy, les esters vinyliques, les résines phénoliques, les polyuréthanes, les cyanoacrylates, les résines multifonctionnelles acrylées et les polyimides, tels que les résines bis- maléimide, les aminoplastes (résultant de la réaction d'une aminé telle que la mélamine avec un aldéhyde tel que le glyoxal ou le formaldéhyde) et leurs mélanges.
Parmi les résines thermodurcissables, on préfère celles comprenant des motifs époxy, acide ou isocyanate, tels que ceux qui conduisent à l'obtention de réseaux thermodurs de type époxy, polyester ou polyuréthane, par réaction avec un durcisseur porteur respectivement de fonction aminé, acide ou alcool. Encore plus particulièrement, l'invention s'applique aux résines thermodurcissables époxy (ou époxydées) réticulables en présence d'un durcisseur de type aminé (y compris polyamines, polyamides-amines, polyéther-amines) ou de type anhydride.
S'agissant des résines époxy à réticuler à l'aide du durcisseur selon l'invention, à titre d'exemple, on peut citer des résines époxydées présentant une fonctionnalité définie comme le nombre de fonctions époxydes (ou oxiranes) par molécule, au moins égale à 2, telles que l'éther diglycidylique du bisphénol A, le diépoxyde de butadiène, le 3,4-époxycyclohexane-carboxylate de 3,4- époxycyclohexylméthyle, le dioxyde de vinylcyclohexène, le 4,4' -di (l,2- époxyéthyl) diphényléther, le 4,4' (1 , 2-époxyéthyl) -biphényle, le 2,2-bis (3 ,4- époxycyclohexyl) - propane, l'éther diglycidylique du résorcinol, l'éther diglycidylique du phloroglucinol, le bis(2,3-époxycyclo pentyl) éther, le 2-(3,4- époxy) cyclohexane-5, 5-spiro(3,4- époxy )cyclohexane-m-dioxane, l'adipate de bis-(3,4-époxy-6méthyl-cyclohexyle), le N,N-m-(phénylènebis-4,5-époxy-1 ,2- cyclohexane-dicarboxamide), un composé diépoxy contenant un cycle hydantoïne. De telles résines peuvent généralement être représentées par la formule :
Figure imgf000019_0001
dans laquelle R3 est un groupement de formule -CH2-O-R4-O-CH2- dans laquelle R4 est un groupement divalent choisi parmi les groupements alkylène ayant de 2 à 12 atomes de carbone et ceux comprenant au moins un cycle aliphatique ou aromatique substitué ou non.
On peut aussi utiliser des résines polyépoxydées comportant trois ou plus groupes époxydes par molécule, comme par exemple, l'éther triglycidique du p- aminophénol, les éthers polyarylglycidiques, le 1 ,3,5-tri(1 ,2-époxy)benzène, la 2,2',4,4'-tétraglycidoxybenzophénone, le tétraglycidoxytétraphényléthane, l'éther polyglycidylique de la résine phénolformaldéhyde de type novolaque (novolaques polyépoxydées), le polybutadiène époxydé, l'éther triglycidylique du glycérol, l'éther triglycidylique du triméthylolpropane et le tétraglycidyl 4,4'- diaminodiphénylméthane.
Les résines époxy nécessitent généralement comme agent durcisseur un anhydride d'acide ou une aminé.
Les résines polyesters saturés et polyesters insaturés sont obtenues par réaction d'un polyacide (ou anhydride correspondant) avec un polyol. Ledit polyacide est saturé pour les polyesters saturés et éthyléniquement insaturé pour les polyesters insaturés. On peut citer comme polyacide : l'acide succinique, l'acide pentanedioïque, l'acide adipique, l'acide maléique (insaturé), l'acide fumarique (insaturé), l'acide itaconique (insaturé) ainsi que les anhydrides de ces acides, l'acide heptanedioïque, l'acide octanedioïque, l'acide azélaïque, l'acide sébacique, l'acide undécanedioïque, l'acide dodécanedioïque, l'acide brassylique, l'acide tetradécanedioïque, l'acide hexadécanedioïque, l'acide octadécanedioïque, l'acide octadécènedioïque, l'acide eicosanedioïque, l'acide docosanedioïque et les dimères d'acides gras contenant 36 atomes de carbone (en C36) ou de trimères d'acides gras en C54. Les dimères ou trimères d'acides gras mentionnés ci-dessus sont des acides gras oligomères (dimérisés / trimérisés) obtenus par oligomérisation ou polymérisation d'acides gras monobasiques insaturés à longue chaîne hydrocarbonée en Cis (tels que l'acide linoléïque et l'acide oléïque), comme décrit notamment dans le document EP 0 471 566.
Lorsque le diacide est cycloaliphatique, il peut comporter les squelettes carbonés suivants : norbornyl méthane, cyclohexylméthane, dicyclohexylméthane, dicyclohexylpropane, di(méthylcyclohexyl), di(methylcyclohexyl)propane.
Lorsque le diacide est aromatique, il est choisi parmi l'acide phtalique, téréphtalique, isophtalique, tétrahydrophtalique, trimellitique et les diacides naphtaléniques (ou naphténiques), ainsi que les anhydrides correspondants de ces acides.
Parmi les polyols, composés dont la molécule comporte au moins deux groupes hydroxyles permettant de réagir sur les polyacides pour l'obtention de polyesters, on peut citer les éthylèneglycol, propylèneglycol, butylèneglycol, le 1 ,6- hexaméthylène glycol, diéthylèneglycol, dipropylèneglycol, néopentylglycol, triéthylèneglycol, glycérol, triméthyloléthane, triméthylolpropane, pentaérythritol, le 1 ,3 triméthylène glycol, le 1 ,4-tetraméthylèneglycol, le 1 ,8 octaméthylèneglycol, le 1 ,10-décaméthylène glycol, le 1 ,4-cyclohexane diméthanol, polyetherdiols tels que le PEG, le PPG ou le PTMG, des motifs diacide carboxylique tels que l'acide téréphtalique et des motifs glycol (éthane diol) ou butane diol.
On préfère les polyesters insaturés résultant de la polymérisation par condensation d'acides dicarboxyliques renfermant un composé éthyléniquement insaturé (tel que l'anhydride maléique ou l'acide fumarique) et de glycols tels que le propylène glycol. Ils sont généralement durcis en dilution dans un monomère réactif tel que le styrène, par réaction de ce dernier avec les insaturations présentes sur la chaîne polyester, généralement à l'aide d'un durcisseur choisi parmi les peroxydes organiques y compris hydroperoxydes, soit par effet thermique (chauffage), soit en présence d'un accélérateur de décomposition de type amine tertiaire ou sel de cobalt (2+), comme l'octoate de cobalt ou un sel de fer (2+). Les esters vinyliques comprennent les produits de la réaction d'époxydes avec l'acide (méth)acrylique. Ils peuvent être durcis après dissolution dans le styrène (de façon similaire aux résines polyesters) à l'aide de peroxydes organiques comme les polyesters insaturés.
S'agissant des résines isocyanates à réticuler selon l'invention, on peut citer l'hexaméthylènediisiocyanate (HMDI), les triméthylhexaméthylènediisocyanates (TMDIs) tels le 2,2,4-triméthylhexaméthylènediisiocyanate et le 2,4,4- triméthylhexaméthylènediisocyanate, les undécanes tri isocyanates (UNTIs), le 2- méthylpentane diisocyanate, l'isophorone diisocyanate, le norbornane diisocyanate (NBDI), le 1 ,3-bis (isocyanatométhyl)cyclohexane (XDI hydrogéné), le 4,4'-bis(isocyanatocyclohexyl)méthane (H12MDI), le 2,4- ou 2,6-toluène diisocyanate (TDI), les diphénylméthane diisocyanates (MDIs), le 1 ,5-naphtalène diisocynanate (NDI), le p-phénylène diisocyanate (PPDI), les adduits comprenant au moins deux fonctions isocyanates et formés par condensation entre composés comportant au moins deux fonctions isocyanates parmi ceux cités et des composés porteurs d'autres fonctions réactives avec les fonctions isocyanates, comme par exemple des fonctions hydroxyle, thiol ou aminé. Plus particulièrement, comme résines thermodurcissables portant des fonctions isocyanates, on peut citer des prépolymères à terminaisons isocyanates issus de la réaction d'un diisocyanate en excès et d'un diol ou d'un oligomère (polyéther, polyester) diol ou issus d'un diisocyanate en excès et d'une diamine ou d'un oligomère diamine (polyéther-amine, polyamide-amine).
Parmi les polyisocyanates peuvent être cités les polyisocyanates modifiés tels que ceux contenant des groupements carbodiimides, des groupements uréthanes, des groupements isocyanurates, des groupements urée ou des groupements biurée.
Des polyols permettant de réagir avec les polyisocyanates sont utilisés comme durcisseurs pour l'obtention de polyuréthanes et des polyamines pour obtenir de polyurées.
III) Les fibres des matériaux fibreux
Les fibres constituant les matériaux fibreux peuvent être des fibres minérales ou organiques, comme par exemple des fibres de carbone, des fibres de verre, des fibres minérales telles que le basalte, le carbure de silicium, des fibres à base de polymères, par exemple tels que les polyamides aromatiques ou aramides ou les polyoléfines, des fibres cellulosiques telles que la viscose, des fibres végétales telles que le lin, le chanvre, la soie, le sisal, utilisées seules ou en mélange.
Exemples de procédés d'imprégnation du matériau fibreux
L'imprégnation peut être réalisée en plaçant le matériau fibreux dans un bain de polymère(s) thermodurcissable(s) fluide, dans lequel on introduit le mélange nanocharges / durcisseur. Par « fluide », on entend, au sens de la présente invention, un milieu qui s'écoule sous son propre poids et qui n'a pas de forme propre (à l'inverse d'un solide), comme un liquide qui peut être plus ou moins visqueux ou une poudre mise en suspension dans un gaz (air par exemple) généralement connu sous le vocable de « lit fluidisé ».
Lorsque les matériaux fibreux sont sous forme de bande ou de nappe, ils peuvent être mis en circulation dans le bain de polymère thermodurcissable fluide, par exemple liquide.
L'imprégnation peut être réalisée suivant un procédé d'imprégnation en lit fluidisé dans lequel la composition polymérique, à savoir le polymère ou le mélange de polymères contenant le mélange nanocharges / durcisseur, se trouve à l'état de poudre. Pour cela, on passe les matériaux fibreux dans des bains d'imprégnation en lit fluidisé de particules de polymère contenant le mélange nanocharges / durcisseur et ces imprégnations sont éventuellement séchées et peuvent être chauffées afin d'effectuer l'imprégnation du polymère sur les fibres ou tissus, calandrées si nécessaire.
II est aussi possible de déposer le polymère contenant le mélange nanocharges / durcisseur et se présentant sous forme de poudre, directement sur les matériaux fibreux placés à plat sur un support vibrant, afin de permettre la répartition de la poudre sur les matériaux fibreux.
En variante encore, il est possible d'extruder directement un flux de polymère contenant le mélange nanocharges / durcisseur sur le matériau fibreux se présentant sous forme de nappe ou bande ou tresse et d'opérer un calandrage. Lorsque le mélange nanocharges / durcisseur est introduit directement dans le matériau fibreux, l'imprégnation peut être réalisée en plaçant le matériau fibreux en lit fluidisé, avec le polymère thermodurcissable ou le mélange polymères thermodurcissables se trouvant à l'état de poudre. L'imprégnation peut être réalisée en plaçant le matériau fibreux dans un bain de polymère(s) thermodurcissable(s) fluide ou encore par dépôt d'un film de polymère thermodurcissable sur le matériau fibreux, calandrage et chauffage.
Dans le cas où le mélange nanocharges / durcisseur est introduit directement sous forme de poudre après broyage dans le matériau fibreux, l'ensemble peut reposer sur un plateau vibreur, par exemple, pour bien répartir la poudre. L'étape d'imprégnation est réalisée avantageusement par dépôt d'un film de polymère thermodurcissable sur le matériau fibreux, calandrage et chauffage.
Selon un autre exemple, le matériau fibreux est formé d'une première série de fibres constituant les fibres de renfort minérales ou organiques et d'une deuxième série de fibres en polymère thermodurcissable contenant le mélange nanocharges / durcisseur, ayant une température de fusion Tf (avant réticulation) inférieure à la température de fusion des fibres de la première série et inférieure à la température de transition vitreuse Tg du polymère thermodurcissable (réticulé). Les deux séries de fibres sont mises en contact et l'imprégnation est réalisée en chauffant jusqu'à la température de fusion Tf de la deuxième série de fibres (fibres en polymère thermodurci).
Les polymères (ou résines) thermodurcissables entrant dans la constitution des fibres thermodurcissables selon cet exemple de réalisation sont choisis parmi : les polyesters insaturés, les résines époxy, les esters vinyliques, les acrylates monomères ou oligomères multifonctionnels (MFA), les résines acryliques acrylées (multifonctionnelles), les résines phénoliques, les polyuréthanes, les cyanoacrylates et les polyimides, tels que les résines bis- maléimides, les aminoplastes (résultant de la réaction d'une aminé telle que la mélamine avec un aldéhyde tel que le glyoxal ou le formaldéhyde) et leurs mélanges. Exemple d'appareil de fabrication d'un matériau fibreux dans le cas où l'imprégnation est réalisée par fusion de fibres de polymère thermodurcissable ou de mélange de polymères thermodurcissables
Dans cet exemple de réalisation de matériau pré-imprégné, lorsque les deux séries de fibres sont chauffées à la température de fusion Tf des fibres de la deuxième série, elles sont également mises en forme pour obtenir un matériau homogène de forme et de dimensions calibrées avec l'appareil tel que décrit ci- après.
La mise en place des deux séries de fibres et la mise en forme du matériau imprégné de fibres thermodurcissables fondues (fibres de la deuxième série) sont réalisées avantageusement par un système comprenant la mise en œuvre d'opérations de calandrage.
On réalise de préférence plusieurs opérations de calandrage successives pour affiner la mise en forme du matériau et obtenir un matériau homogène sans défaut, c'est-à-dire sans granulosité et sans bulle d'air.
De préférence, l'appareil illustré par le schéma de la figure 1 comprend une ligne de formation continue dudit matériau sous forme d'une bande calibrée et homogène en fibres de renfort par exemple minérales, imprégnées de polymère thermodurcissable selon l'invention. La ligne de formation continue comporte un dispositif de mise en place des deux séries de fibres muni d'un premier dispositif de calandrage.
Selon un mode de réalisation, l'appareil comprend une ligne L de formation continue du matériau sous forme d'une bande calibrée et homogène, décrite ci- après en relation avec les figures 1 , 2 et 3.
Dans une variante de réalisation la ligne L de formation continue du matériau est prévue pour former simultanément plusieurs bandes calibrées et homogènes, comme cela va être décrit en relation avec les figures 4 et 5.
Cette ligne L de formation continue comporte :
un dispositif de mise en place des fibres 100 équipé :
- d'un dispositif de déroulement des fibres, 104, ce dispositif 104 comporte des bobines de fibres 141 pour les fibres de la première série et des bobines 142 pour les fibres de la deuxième série. En pratique, il y a autant de bobines que de fibres et un dévidoir 143. un dispositif de préchauffage 105 ; il comporte deux demi-fours à ouverture horizontale, des rampes à infrarouge. Sa longueur est de 1 m. La température maximale pouvant être atteinte est de 600°C. La gorge de passage 13 a une section de 40 x 40 mm environ, un dispositif de calandrage 106 ; il comporte deux cylindres comme illustré sur la figure 3, de diamètre 100 mm, largeur 100 mm, une surface chromée polie avec Ra inférieure à 0,1 micron. La surface des cylindres 15 et 17 possède des éléments 16 et 18, mâle et femelle. La forme de ces éléments est appropriée à l'emboîtement de l'un dans l'autre, par pression, de façon à calibrer la bande 10 en largeur, lors de son passage sur les cylindres. De préférence, la largeur de la bande est de 3 mm à quelques dizaines de mm et par exemple de 6 mm. Ce dispositif comporte un chauffage électrique fournissant une température maximale à environ 260°C, une cartouche chauffante avec collecteur tournant d'alimentation et régulation par une sonde thermocouple en surface, un palier auto- aligneur et écartement réglable de 0 à 2 mm par vis-écrou, un entraînement synchrone des deux cylindres par chaîne ou courroie crantée, un motoréducteur avec servomoteur sans balais « brushless » permettant d'avoir une vitesse de ligne maximale de 30 m/minute et une synchronisation électrique avec le train de tirage, dispositif de mise en forme 150 équipé :
d'un dispositif de chauffage 1 10 identique au dispositif de préchauffage 105. La température de ce dispositif est réglée pour atteindre la température de fusion Tf des fibres polymères thermoplastiques. Le demi-four 1 1 comporte une gorge de passage
13 représentée sur la figure 7,
d'un deuxième dispositif de calandrage 1 15 ;
d'un troisième dispositif de calandrage 1 16 ; ces dispositifs de calandrage sont identiques au premier dispositif de calandrage 106. Les détails de la structure des cylindres sont illustrés sur le schéma de la figure 3.
un dispositif de refroidissement 1 17 : il se présente sous la forme d'un bac de longueur 1 m en acier inoxydable dans lequel la bande est introduite et plongée dans de l'eau froide si nécessaire (la bande est représentée en pointillés dans la traversée du bac). Il comprend un sécheur à air comprimé et un groupe de réfrigération d'eau de 3 KW environ,
un dispositif 1 18 de régulation du bobinage et de maintien de la bande empêchant les vibrations et opérant des mouvements de haut en bas sur une hauteur correspondant à la largeur des bobines d'enroulement 300. un dispositif d'enroulement 300 : ce dispositif comporte plusieurs bobines plates en forme de galettes comme 301 , 302, d'environ 600 mm de diamètre. Les galettes se superposent sur un axe XX vertical au fur et à mesure du remplissage. Il est prévu de stoker 10 à 20 galettes avec un intercalaire entre elles. Le passage d'une galette 301 à la suivante 302 se fait manuellement. La synchronisation avec tirage de la bande se fait par un patin de régulation. La tension est réglée par le contrepoids du patin, un train de tirage 350 permet d'entraîner la bande en continu. Il comporte des rouleaux en élastomère et permet d'exercer une pression fixe par vérin pneumatique. Il est synchronisé électriquement avec les dispositifs de calandrage.
La ligne de formation continue L est pilotée par un poste de commande 400, du type ordinateur avec écran de visualisation. Ce poste 400 est relié par réseau, par exemple, aux différents dispositifs à commandes électriques de la ligne : moteurs électriques, variateurs de vitesse et régulateurs de vitesse, de température, moteur du train de tirage pour permettre les différentes synchronisations nécessaires au fonctionnement en continu de la ligne L. Ce poste de commande permet également d'enregistrer tous les paramètres pour la gestion des automatismes et de synchronisation.
Dans le cas où les fibres de renfort 1 utilisées ont une couche d'enduction (ou d'ensimage), la couche d'enduction pourra être retirée si nécessaire, c'est-à- dire en cas d'incompatibilité avec les fibres à fondre de polymère thermodurcissable selon l'invention. La couche d'enduction sera retirée avant mise en contact des deux séries de fibres 1 , 2. A cette fin, il peut être prévu que les fibres des deux séries arrivent par deux dévidoirs séparés, de sorte que le désensimage soit opéré sur les fibres de renfort avant mise en contact des deux séries de fibres ou il peut être prévu que le désensimage des fibres de renfort soit réalisé dans un four, comme le four 105, avant la mise en contact des deux séries de fibres dans le four 105.
En outre, pour obtenir une fusion et imprégnation améliorée, on pourra utiliser un dispositif de chauffage 1 10 de type laser au lieu d'un four à infra rouge. Dans le cas d'un chauffage au laser, le dispositif laser est agencé de sorte que le rayon laser arrive dans l'axe longitudinal des fibres (du ruban), c'est-à-dire l'axe de tirage. Ainsi, le chauffage est direct et donc concentré sur les fibres.
Préférentiellement, le dispositif de chauffage 1 10 est de type chauffage par induction ou micro-ondes.
En effet, un dispositif de chauffage par induction ou micro-onde est particulièrement adapté lorsque des fibres conductrices électriquement sont présentes dans l'assemblage ou lorsque des charges conductrices électriques telles que des NTC sont présentes dans le matériau pré-imprégné. Car, dans le cas d'un chauffage par induction ou par micro-ondes, la conductivité électrique de ces dernières est mise en œuvre et contribue à l'obtention d'une cuisson à cœur et à une meilleure homogénéité du matériau fibreux. La conduction thermique des fibres de l'assemblage ou des charges NTC présentes dans le matériau fibreux pré-imprégné contribue également, avec ce type de chauffage, à une cuisson à cœur améliorant l'homogénéité du matériau.
Le chauffage par micro-onde ou par induction, tout particulièrement bien adapté en présence de charges telles que des nanotubes de carbone NTC dans le matériau pré-imprégné, permet d'obtenir une meilleure dispersion / répartition des NTC au sein du matériau, conduisant à une meilleure homogénéité des propriétés physico-chimiques et, par conséquent, de meilleures propriétés au global sur le produit final. Les matériaux fibreux pré-imprégnés d'une composition contenant un polymère thermodurcissable ou un mélange de polymères thermodurcissables et un mélange NTC / durcisseur selon l'invention sont particulièrement adaptés pour la fabrication de pièces à trois dimensions.
Pour cela, les matériaux sont mis en forme et chauffés à une température au moins égale à la température de transition vitreuse Tg du polymère thermodurcissable afin d'activer la réaction du durcisseur, c'est-à-dire de réticuler le polymère pour rendre la composition thermodure et donner à la pièce sa forme finale.
De façon pratique, plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour la fabrication de pièces à trois dimensions.
Dans un exemple, la mise en forme des matériaux fibreux peut consister à disposer les matériaux fibreux pré-imprégnés sur une préforme, en quinconce et de façon à ce qu'ils se superposent au moins en partie jusqu'à obtention de l'épaisseur voulue et à chauffer au moyen d'un laser qui permet en outre d'ajuster le positionnement des matériaux fibreux par rapport à la préforme, la préforme étant ensuite retirée.
Dans un autre exemple, on utilise la méthode de pultrusion. Le matériau fibreux qui se trouve sous forme de fibres unidirectionnelles ou de bandes de tissus est placé dans un bain de résine(s) thermodurcissable(s) que l'on passe ensuite dans une filière chauffée où s'effectue la mise en forme et la réticulation
(le durcissement).
Selon d'autres exemples, la mise en forme des matériaux pré-imprégnés est réalisée par l'une des techniques connues suivantes :
- le calandrage,
le laminage,
la technique de pultrusion,
l'injection basse pression (R.T.M) ou encore,
la technique de l'enroulement filamentaire,
- l'infusion,
la thermocompression,
RIM ou S-RIM. On peut réaliser ainsi des pièces ayant une structure à 2 et 3 dimensions comme par exemple les ailes d'avion, le fuselage d'un avion, la coque d'un bateau, les longerons ou spoilers d'une automobile ou encore des disques de freins, des vérins ou des volants de direction.
En pratique, le chauffage du matériau fibreux peut être réalisé par un chauffage laser ou une torche à plasma, à azote ou un four à infrarouge ou encore par micro-ondes ou par induction. Avantageusement, le chauffage est réalisé par induction ou par micro-ondes.
En effet, les propriétés de conductivité du matériau pré-imprégné contenant des fibres conductrices et/ou chargé de particules conductrices comme des NTC sont intéressantes en association avec un chauffage par induction ou par microondes car, alors, la conductivité électrique est mise en œuvre et contribue à l'obtention d'une cuisson à cœur et à une meilleure homogénéité du matériau fibreux. La conduction thermique des charges telles que des NTC présentes dans le matériau fibreux pré-imprégné contribue également avec ce type de chauffage à une cuisson à cœur améliorant l'homogénéité du substrat.
Le chauffage par induction est obtenu, par exemple, par exposition du substrat à un champ électromagnétique alternatif au moyen d'une unité hautes fréquences de 650 KHz à 1 MHz.
Le chauffage par micro-ondes est obtenu, par exemple, par exposition du substrat à un champ électromagnétique hyperfréquence au moyen d'un générateur hyperfréquence de 2 à 3 GHz.
La Tg peut être mesurée par analyse mécanique dynamique par DMA à une fréquence de 1 Hz et avec une montée en température de 2°C par minute et avec un temps de stabilisation de 30 s tous les 2°C avant la mesure. La Tf peut être mesurée par DSC (calorimétrie différentielle à balayage).
Partie expérimentale
L'exemple 1 est présenté pour l'illustration de la présente invention.
Exemple 1 : Préparation d'un composite thermodurcissable époxy-amine l'invention. Dans une 1 ere étape, on prépare un mélange durcisseur / NTC avec durcisseur polyamine selon le mode opératoire suivant :
Dans la première trémie d'alimentation d'un co-malaxeur BUSS® MDK 46 (L/D = 1 1 ), équipé d'une vis d'extrusion et d'un dispositif de granulation, on introduit des nanotubes de carbone Graphistrength® C100 d'ARKEMA. Le durcisseur de type mélange de polyamines (Aradur® 5052 de Hunstman) est injecté sous forme liquide à température ambiante dans la 2ème zone du co- malaxeur. Après malaxage, on obtient à la sortie de l'extrudeuse de reprise un mélange solide en sortie de filière, renfermant 25% de NTC et 75% de durcisseur. Ce mélange est ensuite utilisé comme tel ou après dilution dans le même durcisseur, en fonction du taux de NTC visé, pour la fabrication d'un composite époxy-amine / fibres de verre, par infusion.
Quelques minutes avant l'étape d'infusion, le mélange liquide durcisseur / NTC (1 % NTC) est introduit dans la résine thermodurcissable (Araldite LY 5052 de Huntsman) avec un rapport en poids de 38 parts de durcisseur pour 100 parts de résine. Le mélange est effectué au moyen d'un mélangeur à pales à température ambiante et à une vitesse de 100 tours/min pendant quelques secondes.
Le mélange réactif à trois composants (résine thermodurcissable - durcisseur - NTC) est ensuite infusé sous vide dans un réseau tridimensionnel de fibres de verre, constitué d'un empilement de 8 plis (tissus) bi-dimensionnels de fibres de verre. Après durcissement de la résine obtenu après 1 heure à température ambiante, on obtient un composite composé de 50 vol % de fibres de verre et de 50 vol % de résine thermodure chargée en NTC.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'un matériau fibreux comportant un assemblage d'une ou plusieurs fibres, composé de fibres de carbone ou de fibres de verre ou de fibres végétales ou de fibres minérales ou de fibres cellulosiques ou de fibres à base de polymère, utilisées seules ou en mélange, imprégné par un polymère thermodurcissable ou un mélange de polymères thermodurcissables contenant un durcisseur et des nanocharges d'origine carbonique telles que des nanotubes de carbone (NTC), caractérisé en ce qu'on utilise un mélange contenant les nanocharges d'origine carbonique et le durcisseur, pour introduire lesdites nanocharges dans le matériau fibreux.
2. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux comportant un assemblage d'une ou plusieurs fibres selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le mélange nanocharges / durcisseur se présente sous forme de fluide, de fibres, de poudre ou de film.
3. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux comportant un assemblage d'une ou plusieurs fibres selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le mélange nanocharges / durcisseur est introduit directement dans le polymère thermodurcissable ou le mélange de polymères thermodurcissables servant à imprégner le matériau fibreux.
4. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux comportant un assemblage d'une ou plusieurs fibres selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le mélange nanocharges / durcisseur est introduit dans le matériau fibreux avant imprégnation, sous forme de fibres incorporées dans l'assemblage de fibres dudit matériau ou sous forme de film déposé sur le matériau ou sous forme de poudre déposée sur ledit matériau.
5. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange nanocharges d'origine carbonique / durcisseur comporte avantageusement un taux de nanocharges compris entre 10% et 60%, de préférence entre 20% et 50% par rapport au poids total du mélange.
6. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanocharges d'origine carbonique sont constituées de nanotubes de carbone ou de nanofibres de carbone ou de noir de carbone ou de graphènes ou de graphite ou un mélange de ceux-ci .
7. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le durcisseur est choisi parmi des aminés, des dérivés obtenus par réaction de l'urée avec une polyamine, des anhydrides d'acide, des acides organiques, des phosphates organiques, des polyols, amorceurs radicalaires tels que peroxydes ou hydroperoxydes.
8. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange nanocharges / durcisseur comporte un ou des additifs tels qu'un accélérateur ou un catalyseur ou encore un polymère thermoplastique ou un mélange de polymères thermoplastiques.
9. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon la revendication 8, caractérisé en ce que le catalyseur est choisi parmi : les acides benzoïques substitués tels que les acides salicylique, 5-chlore-benzoique ou acétylsalicylique, les acides sulfonés tels que l'acide m-benzène-disulfonique et l'accélérateur est choisi parmi : les aminés tertiaires telles que diméthylaminoéthyl phénol (DMP), benzyl diméthyl aniline (BDMA), monoéthyl aminé associée au trifluorure de bore (MEA-BF3), les imidazoles tels que imidazole-2-éthyl-4-méthyl, les alcoolats métalliques.
10. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polymère thermodurcissable est choisi parmi : les polyesters insaturés, les résines époxy, les esters vinyliques, les monomères ou oligomères acrylates multifonctionnels, les résines acryliques acrylées, les résines phénoliques, les polyuréthanes, les cyanoacrylates et les polyimides, tels que les résines bis-maléimides, les aminoplastes (résultant de la réaction d'une aminé telle que la mélamine avec un aldéhyde tel que le glyoxal ou le formaldéhyde) et leurs mélanges.
1 1 . Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'imprégnation est réalisée en plaçant le matériau fibreux dans un bain de polymère(s) thermodurcissable(s) fluide, dans lequel on introduit le mélange nanocharges / durcisseur.
12. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'imprégnation est réalisée en plaçant le matériau fibreux en lit fluidisé avec le polymère thermodurcissable ou le mélange polymères thermodurcissables se trouvant à l'état de poudre ainsi que le mélange nanocharges / durcisseur.
13. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'imprégnation est réalisée en extrudant directement un flux de polymère thermodurcissable contenant le mélange nanocharges / durcisseur sur le matériau fibreux qui se présente sous forme de nappe ou bande ou tresse.
14. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mélange nanocharges / durcisseur est introduit directement dans le matériau fibreux, l'imprégnation étant réalisée en plaçant le matériau fibreux en lit fluidisé avec le polymère thermodurcissable ou le mélange polymères thermodurcissables se trouvant à l'état de poudre ou en plaçant le matériau fibreux dans un bain de polymère(s) thermodurcissable(s) fluide ou par dépôt d'un film de polymère thermodurcissable sur le matériau fibreux, suivi de calandrage et de chauffage.
15. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste à i) utiliser au moins deux séries de fibres différentes, une première série de fibres continues formant les fibres de renfort dudit matériau et une deuxième série de fibres de polymère thermodurcissable contenant le mélange nanocharges / durcisseur et ayant une température de fusion Tf ; ii) disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre puis iii) chauffer l'ensemble des deux séries de fibres jusqu'à une température au moins égale à la température de fusion Tf des fibres thermodurcissables et en laissant refroidir l'ensemble jusqu'à la température ambiante, la température de fusion Tf étant inférieure à la température de réaction du durcisseur et inférieure à la température de fusion des fibres de la première série.
16. Procédé de fabrication d'un matériau fibreux selon la revendication 15, caractérisé en ce que les fibres de renfort constituant la première série sont des fibres minérales ou des fibres organiques de polymère thermoplastique ou thermodurcissable.
17. Appareil de mise en œuvre du procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne (L) de formation continue dudit matériau sous forme d'au moins une bande (20) calibrée et homogène en fibres de renfort (minérales ou organiques) imprégnées de polymère thermodurcissable, comprenant le dispositif (100) de mise en place des deux séries de fibres (1 , 2) utilisées pour former une bande, de manière à disposer les deux séries de fibres au contact l'une de l'autre, ce dispositif étant muni d'un premier (106) dispositif de calandrage et comprenant un dispositif (150) de mise en forme, muni d'un deuxième (1 15) dispositif de calandrage, muni de deux cylindres comportant au moins un segment de pressage de largeur désirée, pour obtenir par pression une bande calibrée en largeur lors de son passage sur les cylindres.
18. Appareil de mise en œuvre du procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'une ligne (L) de formation continue du matériau fibreux comporte des entrées pour plusieurs ensembles de deux séries de fibres et plusieurs segments de mise en forme et de calibrage en largeur de manière à former simultanément plusieurs bandes calibrées et homogènes de matériau fibreux pré-imprégnées.
19. Utilisation de matériaux fibreux pré-imprégnés obtenus par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, pour la fabrication de pièces ayant une structure à trois dimensions, caractérisée en ce qu'elle comprend une étape de mise en forme des matériaux fibreux pré-imprégnés associée à un chauffage de ces matériaux à une température au moins égale à la température de transition vitreuse Tg du polymère thermodurcissable, afin d'activer la réaction du durcisseur, c'est-à-dire de réticuler le polymère pour rendre la composition thermodure et donner à la pièce sa forme finale.
20. Utilisation de matériaux fibreux pré-imprégnés pour la fabrication de pièces à trois dimensions selon la revendication 19, caractérisée en ce que ladite mise en forme des matériaux fibreux consiste à disposer les matériaux fibreux préimprégnés sur une préforme, en quinconce et de façon à ce qu'ils se superposent au moins en partie jusqu'à obtention de l'épaisseur voulue et à chauffer au moyen d'un laser qui permet en outre d'ajuster le positionnement des matériaux fibreux par rapport à la préforme, la préforme étant ensuite retirée.
21 . Utilisation de matériaux fibreux pré-imprégnés pour la fabrication de pièces à trois dimensions selon la revendication 19, caractérisé en ce que la mise en forme des matériaux pré-imprégné est réalisée par l'une des techniques connues suivantes :
le calandrage,
le laminage,
la technique de pultrusion,
- l'injection basse pression (R.T.M) ou encore,
la technique de l'enroulement filamentaire,
l'infusion,
la thermocompression,
le RIM ou S-RIM.
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