WO2015173489A1

WO2015173489A1 - Dispositif continu pour imprégner en une seule étape des mêches ou des rubans de fibres naturelles, en particulier le lin

Info

Publication number: WO2015173489A1
Application number: PCT/FR2015/051179
Authority: WO
Inventors: Guy Dehondt; Edouard PHILIPPE
Original assignee: Dehondt Technologies
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2015-05-04
Publication date: 2015-11-19
Also published as: FR3020776A1; JP6625063B2; US10513054B2; US20170246766A1; EP3142840A1; FR3020776B1; JP2017521565A; KR20170104369A; CN106488836A

Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif (1) continu pour imprégner en une seule étape des mèches ou des rubans de fibres naturelles (100), en particulier de lin, avec une dispersion aqueuse spécifique de polymère pour consolider les fibres au coeur du faisceau de fibres et améliorer leur tenue mécanique sans besoin de torsadage, comportant les moyens suivants : - des moyens (10) d'allongement par étirage de la mèche ou du ruban de fibres naturelles pour les mettre au titrage voulu, - des moyens (20) d'imprégnation des fibres à l'aide de la dispersion aqueuse pour garantir la totale imprégnation des filaments par celle-ci, - des moyens (30) de conformation/calibration des fibres, - des moyens (40) de séchage des fibres, et - des moyens (50) de conditionnement des fibres afin de les transformer en fil ou ruban.

Description

DISPOSITIF CONTINU POUR IMPREGNER EN UNE SEULE ETAPE DES MECHES OU DES RUBANS DE FIBRES NATURELLES, EN PARTICULIER DE LIN

La présente invention concerne un dispositif d'imprégnation de mèches ou de rubans de fibres naturelles, en particulier de lin avec une dispersion aqueuse spécifique de polymère pour consolider les fibres au cœur du faisceau de fibres et améliorer leur tenue mécanique sans besoin de torsadage. L'invention concerne également les fibres traitées et leur utilisation dans des matériaux composites .

Les fibres naturelles de lin, de chanvre ou de sisal et en particulier de lin, ne sont pas des fibres continues mais discontinues liées entre elles par des fibrilles transversales assurant leur tenue. Cependant, cette tenue est assez faible et rend complexe leur mise en œuvre et leur utilisation dans des produits finis. Il est donc intéressant voire nécessaire de renforcer la résistance mécanique des mèches ou des fils ou des rubans de fibres naturelles, contrairement au cas des fibres de verre ou de carbone qui sont continues.

Concernant l'utilisation de telles fibres naturelles dans des textiles, il est connu de les torsader de façon à constituer un fil présentant une résistance mécanique suffisante.

Le défi est d'obtenir cette tenue mécanique améliorée de la mèche de fibres mais sans torsader les fibres. Lorsque l'on cherche à faire un renfort naturel pour fabriquer des composites, on cherche à préserver au maximum les qualités intrinsèques des fibres naturelles, notamment des fibres de lin. Ainsi, il est recommandé de ne pas torsader les fibres. Dans ce cas, les mèches de fibres, c'est-à-dire des faisceaux de fibres ou rubans de fibres naturelles, sont alors constituées de fibres à usage technique présentant de meilleures propriétés mécaniques que les fibres à usage textile torsadées, car elles n'ont pas été endommagées par l'étape de torsion .

Par conséquent, l'obtention d'une mèche ou d'un ruban de fibres naturelles techniques suffisamment résistantes pour ne pas se rompre pendant leurs fabrication nécessite la réalisation de mèches ou de rubans de fibres de forts grammages (exprimé en tex) , nettement plus importants que ce qui se fait avec les fibres de verre ou de carbone. Pour rappel, un tex correspond à un grammage ou masse linéaire (par unité de longueur) égale à lg/km ou 10^~6 kg/m. Ce grammage plus important souhaité conduit à des renforts fibreux unidirectionnels ou des non tissés, ou des tissus plus grossiers, comportant des imperfections et affectant ainsi la résistance mécanique finale des composites à fibres naturelles telles que les fibres de lin. Il est également impossible, avec ce type de renfort à base de fibres naturelles, de réaliser des panneaux sandwich légers comportant des peaux en composite à fibres naturelles, en particulier à fibres de lin, de très faible épaisseur.

Ainsi, la finalité d'un ruban ou d'une mèche de plus faible grammage en fibres de lin est de réaliser des composites à fibres naturelles quasi continues de plus grande résistance mécanique et de réaliser des panneaux sandwich légers comportant des renforts composites à base de fibres naturelles techniques, plus performants que ceux réalisés à partir de fibres textiles.

Il existe donc un besoin de consolidation et de renforcement desdites mèches de fibres sans recourir à un torsadage des fibres et en cherchant un liant capable de pénétrer au cœur des mèches desdites fibres pour lier les fibres les unes aux autres avec une cohésion suffisante pour améliorer la tenue mécanique de la mèche.

Les composites thermoplastiques possèdent déjà l'avantage sur les composites à matrice thermodurcissable d'être recyclables et de pouvoir être mis en œuvre ou en forme facilement. Le renfort par des fibres naturelles rajoute un avantage supplémentaire à la recyclabilité issue de l'origine végétale des fibres. C'est un élément important à considérer dans le contexte écologique où l'on vise l'utilisation de matières premières renouvelables respectant 1 ' environnement .

De plus, par rapport aux composites thermoplastiques avec renfort de fibres de verre, l'utilisation de composites thermoplastiques à renfort fibreux d'origine naturelle, en particulier à base de fibres de lin, permet d'alléger lesdits composites pour une performance équivalente. En effet la densité des fibres de lin (1,5) est d'environ quarante pourcent plus faible que celle des fibres de verre. D'où l'intérêt et le besoin croissants de pouvoir fabriquer des mèches ou des rubans de fibres naturelles, en particulier de lin, avec une consolidation entre les fibres du faisceau et une tenue mécanique améliorée sans torsadage.

Le brevet GB 512 558 décrit le traitement de fibres de coton par une dispersion de caoutchouc ou de résine de synthèse à faible taux de polymère allant de 2 à 10%, sans besoin de torsader les fils de coton pour une tenue mécanique en traction. Après imprégnation sous pression, le surplus de dispersion est éliminé par jet d'air pressurisé, avec peu de particules de polymère restant sur les fibres après élimination du surplus et séchage des fibres. Aucune donnée sur le taux de polymère restant entre les fibres n'est précisée et aucun exemple précis n'est cité sur les conditions d'obtention et sur les résultats précis obtenus. Ce document ne décrit pas non plus le problème spécifique des fibres naturelles comme celles de lin, comme exposé précédemment, pour les besoins de renforcement de matrices thermoplastiques de matériaux composites thermoplastiques .

D'autre part le brevet EP 324 680, décrit un dispositif de préparation d'un semi-produit thermoplastique renforcé, comme un matériau à base de polypropylène renforcé de fibres de verre. Selon ce document, le mouillage des fibres de renforcement est d'autant meilleur que les fibres restent à l'état unitaire et non pas à l'état de mèches ou de fils de base. Plus particulièrement le procédé décrit en relation avec ce dispositif comprend la préparation d'une composition aqueuse d'enduction comportant une résine à l'état parcellaire et un agent régulateur de viscosité, et en option des additifs, suivie de l'enduction d'une face d'un mat de fibres de renforcement dispersées à l'état unitaire avec la composition aqueuse d'enduction, puis le séchage pour obtenir un semi-produit en feuille suivie éventuellement de la fusion de ladite résine. Aucun problème technique lié aux fibres naturelles comme celles de lin n'est mentionné dans ce document qui concerne plus celui d'un semi-produit à base d'une polyoléfine renforcé avec des fibres de verre.

Le brevet FR 2 223 173 décrit quant à lui un dispositif de préparation de feuilles ou de rubans de fibres imprégnés de résine à partir d'une dispersion aqueuse de résine, en particulier thermodurcissable, avec dispersion après épaississement à l'aide d'un agent épaississant. A nouveau les fibres concernées ne sont pas des fibres naturelles comme celles de lin et ni le problème exposé ni sa solution ne sont suggérées .

La présente invention permet de résoudre le problème technique exposé précédemment par rapport à l'état de la technique avec un dispositif spécifique d' imprégnation de mèches ou de rubans de fibres naturelles où ce problème se pose, cette imprégnation se produisant à cœur par une dispersion aqueuse de polymère spécifique permettant ainsi audit polymère de lier au cœur du faisceau de fibres, c'est-à-dire entre elles, les fibres desdites mèches ou desdits rubans afin de les consolider par cette imprégnation spécifique avec les fines particules de polymère utilisées après fusion. Cette imprégnation peut conduire plus loin et directement à un renfort fibreux pré imprégné, mèche ou ruban de faible grammage utilisable pour la fabrication de matériaux composites.

Ainsi, la présente invention a pour objet un dispositif continu pour imprégner en une seule étape des mèches ou des rubans de fibres naturelles, en particulier de lin, avec une dispersion aqueuse spécifique de polymère pour consolider les fibres au cœur du faisceau de fibres et améliorer leur tenue mécanique sans besoin de torsadage, comportant les moyens suivants :

- des moyens d'allongement par étirage de la mèche ou du ruban de fibres naturelles pour les mettre au titrage voulu,

des moyens d'imprégnation des fibres à l'aide de la dispersion aqueuse pour garantir la totale imprégnation des filaments par celle-ci,

- des moyens de conformation/calibration des fibres essorées,

- des moyens de séchage des fibres conformées/calibrées, et

- des moyens de conditionnement des fibres séchées afin de les transformer en fil ou ruban, - ladite dispersion aqueuse de polymère comprenant au moins un polymère amorphe avec une Tg comprise entre environ de 50°C et 175°C, de préférence entre environ 80°C et 150°C, ou un polymère semi cristallin avec une température de fusion comprise entre environ de 70° et 220°C, de préférence entre environ 90°C et 190°C, plus préférentiellement de 100°C à 170°C, ladite dispersion comprenant un taux en poids dudit polymère comprise entre environ 5% et 50% avec des particules en dispersion présentant une taille moyenne en nombre inférieure à 10000 nm, de préférence comprise entre environ 50 et 5000 nm, et plus préférentiellement entre environ 50 et 500 nm.

La dispersion de polymère selon l'invention est une dispersion fine des particules de polymère par la limitation de la taille desdites particules de sorte que lesdites particules diffusent facilement au cœur du faisceau des fibres naturelles pour consolider (lier entres elles) lesdites fibres.

Selon des modes de réalisation préférés, le dispositif conforme à la présente invention comprend l'une au moins des caractéristiques suivantes :

- les moyens d'allongement par étirage comportent un peigne en mouvement alternatif de translation et des rouleaux rotatifs d'entrée et de sortie disposés avant et après ledit peigne, lesdits rouleaux créant, en tournant dans le même sens, un différentiel de vitesse de telle sorte que la vitesse de sortie des fibres est supérieure à la vitesse d'entrée de ces dernières ;

- les moyens d'allongement par étirage étirent les fibres avec un ratio en sortie compris entre environ 1 et 25, de préférence entre environ 3 et 10 ;

- les moyens d' imprégnation sont constitués par un système de pulvérisation ou un système de trempage dans un bain de type immersion ou un rouleau d' imprégnation par contact ;

- la vitesse d'imprégnation dans les moyens d'imprégnation est comprise entre quelques m/min à plusieurs dizaines de m/min, préférentiellement entre environ 5 m/min et 50 m/min ;

- le taux d'imprégnation en polymère obtenu à l'aide des moyens d'imprégnation est compris entre environ 0,1% à plus de 50% en masse de polymère, préférentiellement entre environ 2% et 5% pour un effet de consolidation et entre environ 35% et 50% pour un produit pré imprégné ;

- les moyens de conformation comportent un module d'essorage et une filière de conformation ;

- les moyens de conformation exercent une pression d'essorage allant de quelques kg à plusieurs centaines de kg, préférentiellement environ 100 kg ;

les moyens de séchage sont choisis parmi un rayonnement infrarouge, un flux de micro-ondes, un chauffage par induction ou par four avec extraction de l'eau, une étuve à air puisé ou un calandrage sur rouleaux chauffants ;

- la température de séchage est comprise entre environ 100° et 250°C, préférentiellement entre 100°C et 200°C ;

ledit polymère est choisi parmi: ( co ) polyamides , ( co ) polyesters , polyuréthanes , poly (méth) acrylates, polymères fluorés ou polyoléfines . Les polymères de ladite dispersion selon l'invention peuvent être des homopolymères ou des copolymères à base d'au moins deux monomères ou motifs répétitifs ou ils peuvent être des mélanges de polymères compatibles entre eux. Polymères compatibles signifie miscibles entre eux, sans séparation de phase ;

ledit polymère est choisi parmi un poly (méth) acrylate, y compris copolymères, fonctionnalisé par des fonctions acides ou un polymère fluoré, y compris copolymères, greffé avec des fonctions réactives, ladite dispersion aqueuse est une dispersion aqueuse obtenue par polymérisation en émulsion en présence d'un tensioactif, et lesdites fonctions réactives peuvent réagir avec lesdites fibres naturelles et plus particulièrement, avec les fibres de lin. Le terme acrylique dans sa signification générale selon l'invention, à défaut d'indication spécifique, signifie à la fois acrylique et/ou méthacrylique . Comme exemple de dispersion aqueuse acrylique on peut citer la dispersion à base d'un copolymère de méthacrylate de méthyle et d' acrylate de butyle et d'acide acrylique. Comme exemple de dispersion de polymère fluoré on peut citer les dispersions aqueuses de PVDF (polyvinylidène fluorure) ou de copolymères de VDF avec d'autres oléfines, en particulier fluorées. Le tensioactif peut être un tensioactif fluoré. Comme exemple de tensioactif fluoré on peut citer le sel d'ammonium d'acide octanoique perfluoré. Le polymère fluoré greffé peut être obtenu par greffage dudit polymère fluoré avec par exemple l'anhydride maléique ;

- ledit polymère est un polyuréthane formé à partir d'un pré polymère polyisocyanate comprenant un groupement ionique, dispersé dans l'eau avec extension de chaîne en milieu aqueux. En général un tel pré polymère est obtenu par réaction d'un diol porteur d'une fonction acide carboxylique ou acide sulfonique, avec un polyisocyanate, en particulier diisocyanate et éventuellement un autre diol sans fonction ionique, en milieu organique, en particulier avec un solvant facile à éliminer par évaporation. La dispersion dans l'eau est réalisée après neutralisation au moins partielle de ladite fonction acide, avec une base minérale, telle que l'ammoniaque ou un hydroxyde de métal alcalin, ou une base organique, telle qu'une aminé tertiaire. L'extension de chaîne peut être réalisée avec un agent d'extension de chaîne portant des fonctions réactives avec les fonctions isocyanates dudit pré polymère, comme par exemple une diamine. Le solvant organique peut être éliminé par évaporation pour récupérer la dispersion aqueuse finale de polyuréthane dont l'extrait sec peut être ajusté par dilution dans l'eau ;

- ledit polymère est dispersible (ou dispersé) sous forme de poudre en milieu aqueux sans tensioactif et de préférence ledit polymère à l'état de poudre porte des groupements ioniques ou des groupements précurseurs de groupements ioniques en particulier par neutralisation dans l'eau lors de la préparation de ladite dispersion ;

- ledit polymère est un copolyamide, de préférence porteur de groupements terminaux carboxy, sulfoniques ou des groupements terminaux aminés, plus préférentiellement présentant un taux desdits groupements allant de 50 à 500 eq/g, en particulier 100 à 250 eq/g ;

ledit copolyamide porte des groupements aminés, de préférence aminés primaires, neutralisés sous forme d'ammonium par un acide, de préférence acide de Bronsted, plus préférentiellement phosphoré ;

- ledit copolyamide porte des groupements carboxy neutralisés, sous forme de sel, par une base ;

- ledit copolyamide est semi cristallin avec une température de fusion inférieure ou égale à 150°C ;

ledit copolyamide comprend au moins un des monomères suivants : 5.9, 5.10, 5.12, 5.13, 5.14, 5.16, 5.18, 5.36, 6, 6.9, 6.10, 6.12, 6.13, 6.14, 6.16, 6.18, 6.36, 9, 10.6, 10.9, 10.10, 10.12, 10.13, 10.14, 10.16, 10.18, 10.36, 11, 12, 12.6, 12.9, 12.10, 12.12, 12.13, 12.14, 12.16, 12.18, 12.36, 6.6/6, 11/10.10 et leurs mélanges et de préférence comprend au moins un motif parmi 11, 12, 10.10, 6, 6.10, 6.12, 10.12, 6.14 et/ou 6.6/6, 11/10.10, et leurs mélanges ;

- ledit polymère est un copolyamide choisi parmi : PA

6/6.6/12, PA 6/6.6/11/12, PA 6/12, PA 6.9/12, PA Pip .9/Pip .12/11 , PA 6/IPD.6/12, PA IPD.9/12, PA6/MPMD .12/12 , PA 6/6.12/12, PA 6/6.10/12, PA 6/Pip.12/12, PA 6/6.6/6.10/6.1, PA 6.10/Pip .10/Pip .12 , PA 6/11/12, PA Pip.12/12, PA IPD.10/12, PA Pip.10/12, PA 6/11, PA Pip.10/11/Pip.9, PA 6/6.6/6.10, PA 6/6.10/6.12 et leurs mélanges ;

ledit copolyamide peut être amorphe semi aromatique et choisi parmi :

* 6.1, 8.1, 9.1, 10. I, 11. I, 12.1, 6.I/9.I, 9.I/10.I, 9.I/11.I, 9.1/12. I, 9/6.1, 10/6.1, 11/6.1,12:6.1, 10/9.1, 10/10. I, 10/11. I, 10/12.1, 11/9.1, 11/10. I, 11/11. I, 11/12.1,

12/9.1, 12/10.1, 12/11.1, 12/12.1, 6.10/6.1, 6.12/6.1, 9.10/6.1, 9.12/6.1, 10.10/6.1, 10.12/6.1, 6.10/9.1, 6.12/9.1, 10.1/6. I, 10.10/9.1, 10.12/9.1, 6.10/10.1, 6.12/10.1, 9.10/10.1, 9.12/10.1, 10.10/10.1, 10.12/10.1, 6.10/12.1, 6.12/12.1, 9.10/12.1, 9.12/12.1, 10.10/12.1, 11/6.1/9. I,

11/6.I/10.I, 11/6.I/11.I, 11/6.1/12. I, 11/9.I/10.I,

11/9.I/11.I, 11/9.1/12. I, 11 / 10. I / 11. I , 11 / 10. I / 12. I ,

11/11.1/12. I, 6.I/10.I, 6.I/11.I, 6.1/12. I, 10.I/11.I, 10.1/12. I, 11.1/12. I, 12/6.I/10.I, 12/6.I/11.I, 12/6.1/12. I, 12/9.I/10.I, 12/9.I/11.I, 12.9.1/12.1, 12/10.1/11.1,

12/10.112.1, 12/11.1/12.1, 12/11.1/12.1 , * polyamides terpolymères précédents avec 12/ remplacé par 9/, 10/, 6.10/, 6.12/, 10.6/, 10.10/, 10.12/, 9.10/ et 9.12/,

* tous les polyamides cités précédemment, avec 1 ' isophtalique (I) remplacé partiellement jusqu'à 40% mol par le téréphtalique (T) , le naphtalène 2,6 dicarboxylique et/ou par le 1,3- ou le 1,4- CHDA (acide cyclohexane dicarboxylique), avec tout ou partie des diamines aliphatiques linéaires pouvant être remplacées par des diamines aliphatiques ramifiées, de préférence parmi triméthyl hexaméthylène diamine TMD, méthyl pentaméthylène diamine MPMD, méthyloctaméthylènediamine (MOMD) ou par des diamines cycloaliphatiques , de préférence parmi BMACM, BACM et/ou IPD ou des diamines arylaliphatiques , de préférence m- ou p-xylylène diamines

* tous les polyamides cités précédemment où 1 ' isophtalique (I) est remplacé partiellement ou totalement par un diacide aliphatique linéaire ou ramifié en C6 à C18 et en même temps avec remplacement total ou partiel de la diamine aliphatique par une diamine cycloaliphatique parmi BMACM, BACM et/ou IPD ;

- ledit polymère est semi cristallin avec une température de fusion Tf supérieure à 90°C, de préférence d'au moins 100°C, et les particules de ladite dispersion présentent une taille moyenne en nombre comprise entre environ 50 et 5000 nm, et de préférence entre environ 50 et 500 nm. Cette taille des particules est mesurée selon méthode par diffraction laser (Coulter LS600) ou par microscopie électronique à balayage. La température de transition vitreuse Tg des polymères utilisés est mesurée à l'aide d'un calorimètre différentiel à balayage (DSC) , après un deuxième passage en chauffe, suivant la norme ISO 11357-2. La vitesse de chauffage et de refroidissement est de 20°C/min. La température de fusion Tf et la température de cristallisation Te sont mesurées par DSC, après une première chauffe, selon la norme ISO 11357-3. La vitesse de chauffage et de refroidissement est de 20°C/min ;

- le taux en poids sec dudit polymère par rapport au poids sec desdites fibres varie de 0,5 % à moins de 50% ; - ledit taux en poids varie de 0,5 à 10% et ladite imprégnation se limite à la consolidation desdites fibres entre elles, en plus d'un ensimage. Dans le cas de la consolidation des fibres, leur énergie de cohésion augmente du fait de la liaison desdites fibres entre elles au cœur du faisceau de fibres. Dans le cas d'un ensimage l'effet recherché est différent et lié à une compatibilisation desdites fibres avec la matrice polymère du composite par l'interface créée autour des fibres avec un polymère spécifique améliorant la compatibilité des fibres avec la matrice pour une meilleure adhésion des fibres à la matrice polymère du matériau composite ;

ledit taux est supérieur à 25% et inférieur à 50%, de préférence de 30% à 45%, et ladite imprégnation en plus de ladite consolidation conduit à un pré imprégné desdites fibres utilisé ou utilisable séparément ou successivement dans la fabrication de matériaux composites ;

- la viscosité de ladite dispersion à 25°C varie de 10 à 1000 MPa.s. La méthode utilisée pour la mesure de viscosité est la méthode Brookfield ;

- lesdites fibres sont des fibres longues, en particulier des fibres longues de lin, avec L/D> 2000 ;

lesdites mèches ou rubans sont à base de fibres de lin présentant un tex compris entre environ 10 et 10000, de préférence compris entre environ 100 et 4000 et plus préférentiellement enter environ 500 et 1500 ;

L'invention se rapporte également à des fibres naturelles imprégnées, en particulier fibres de lin, sont obtenues à l'aide du dispositif tel que décrit précédemment.

Avantageusement, les fibres comprennent comme liant de consolidation au cœur du faisceau desdites fibres, liant entre lesdites fibres entre elles, le copolyamide semi cristallin tel que défini précédemment, et de préférence à un taux en poids sec de polymère par rapport auxdites fibres + polymère allant de 0,5 à 10%.

Selon une variante de réalisation, les fibres constituent des fibres de renfort pour composites, en particulier pour composites thermoplastiques, de préférence pour matrice thermoplastique polyamide, plus préférentiellement pour matrice polyamide à base de PA 11, PA10.10 et PA 6.10 et PA 101/61

L'invention a aussi pour objet des matériaux composites renforcés par des fibres naturelles obtenues à l'aide du dispositif tel que défini précédemment.

L'invention va maintenant être décrite plus en détail en référence à des modes de réalisation particuliers donnés à titre d'illustration uniquement et représentés sur les figures annexées dans lesquelles :

- La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif conforme à la présente invention ;

la figure 2 est une vue de côté de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue de dessus de la figure 1. Les figures 1 à 3 représentent un dispositif 1 pour imprégner des fibres naturelles telles que le lin à l'aide d'un polymère spécifique, conformément à la présente invention.

Ce dispositif 1 comporte, selon la direction de déplacement F des fibres 100, des moyens d'allongement par étirage 10, des moyens d'imprégnation 20, des moyens de conformation 30, des moyens de séchage 40 et des moyens de conditionnement 50.

Les moyens d'allongement par étirement 10 comportent une paire de rouleaux rotatifs de pincement d'entrée 12, un peigne 14 à système à barrette de pointes et une paire de rouleaux rotatifs de pincement de sortie 16. Les fibres 100, par exemple un ruban de lin peigné donc continu sous sa forme macroscopique qui est de 7 g/m, pénètrent dans les moyens d'allongement 10 par les rouleaux rotatifs de pincement d'entrée 12 puis traversent le peigne 14 qui effectue un mouvement alternatif de translation entre les deux paires de rouleaux rotatifs de pincement avant de ressortir allongées après la paire de rouleaux rotatifs de pincement de sortie 16. Les fibres de lin sont étirées avec un ratio d'allongement compris entre environ 1 et 25, de préférence entre environ 3 et 10, par exemple de 7.

L'allongement des fibres 100 est produit à la fois par le peigne et par la différence de vitesse (différentiel) de rotation des paires de rouleaux rotatifs de pincement, les rouleaux rotatifs de pincement de sortie 16 tournant plus vite que les rouleaux rotatifs de pincement d'entrée 12.

Ainsi, après la première partie du dispositif d'allongement, le ruban ou mèche fait lg/m, soit un rapport d'étirage de 7.

Les fibres ainsi étirées pénètrent alors les moyens d'imprégnation 20. A ce stade là, le ruban est très fragile, il traverse alors un brouillard de dispersion aqueuse qui est envoyé par un système de pulvérisation. La vitesse d'imprégnation est comprise entre quelques m/min à plusieurs dizaines de m/min, préférentiellement entre environ 5 m/min et 50 m/min, par exemple 30 m/min .

Pour effectuer le traitement d' imprégnation par une solution aqueuse de copolyamide, on a fabriqué 10 1 de plusieurs solutions (dispersions aqueuses de copolyamide) dans un réacteur de laboratoire.

Les copolyamides utilisés, sont les produits commerciaux d'Arkema dénommés respectivement Platamid ® 2592 et Platamid ® 1657.

Leurs caractéristiques essentielles sont présentées au tableau I ci-dessous.

Tableau I

Ces produits ont été introduits sous forme de poudre sèche, dans une solution d'eau avec de la soude (1% par rapport au Platamid) . L'extrait sec (ES) final est de 30%.

Les réactifs sont chargés dans un réacteur puis le milieu est inerté à l'azote. Les réactifs sont mis en chauffe dans le but d'atteindre la température de 150 °C matière. Cette phase de chauffe est réalisée sous agitation à 1000 tours/min. Entre 100 et 120 °C, le milieu devient homogène, blanc et opaque. Le milieu est maintenu 30 min sous agitation à 1000 tours/min à 150°C, puis refroidi sous une agitation à 300 tours/min. Les dispersions obtenues sont fluides, blanches et opaques. La granulométrie (taille des particules) des poudres a été mesurée au moyen d'observations réalisées par Microscopie Electronique à Balayage et également en utilisant la méthode de granulométrie par diffraction laser. Les 2 types de mesures sont concordants. Les données indiquées dans le tableau ci-dessous ont été obtenues avec la méthode de granulométrie par diffraction laser.

La taille de particules, la viscosité et l'extrait sec des dispersions utilisées sont présentés au tableau II ci-dessous.

Tableau II

*la mesure a été faite avec un spindle n°l à 60 tours/min.

Ces dispersions aqueuses ainsi préparées sont ensuite utilisées dans le dispositif de traitement des fibres de lin, sous forme non diluée ou diluée.

Le taux d'imprégnation en polymère obtenu à l'aide des moyens d'imprégnation 20 est compris entre environ 0,1% à plus de 50% en masse de polymère, préférentiellement entre environ 2% et 5% pour un effet de consolidation et entre environ 35% et 50% pour un produit pré imprégné. Dans le cas présent, le taux obtenu est d'environ 2,5%.

Après pulvérisation, les fibres imprégnées traversent les moyens de conformation 30 qui comportent par exemple des rouleaux d'essorage 32 en caoutchouc entre lesquelles les fibres sont pressées afin d'enlever l'excédent de dispersion aqueuse de polymère. Ces deux rouleaux 32 possèdent un premier système de calibration qui forme la largeur intermédiaire du ruban. Les moyens rouleaux 32 exercent une pression d'essorage allant de quelques kg à plusieurs centaines de kg, préférentiellement environ 100 kg, équivalent à 10 MPa de contrainte sur un ruban de 6 mm de largeur et 1 g/m. Ensuite, les fibres ainsi imprégnées passent à travers une filière 34 de calibration ou de conformation pour mettre le ruban obtenue à la taille bien spécifique en épaisseur et en largeur, de préférence ¼ de pouce soit, 6,35 mm de largeur, préférentiellement plat mais pouvant aussi être cylindrique.

Entre chaque étape, il existe un dispositif de paire de rouleaux en aluminium traité qui entraîne le ruban afin qu' il ne soit jamais sur une trop longue distance, supérieur à 1 mètre en tension. Ces rouleaux d'entraînement du ruban, motorisés par un moteur électrique, sont pilotés par un embrayage électromagnétique qui règle une tension constante de traction du ruban.

Après l'étape de calibration, on passe le ruban de fibres imprégnées 100 à travers les moyens de séchage 40 qui viennent évaporer l'eau contenu dans le ruban et faire fondre à cœur le polymère en dispersion pour consolider le ruban. Ces moyens de séchage 40 comprennent par exemple sept émetteurs à infrarouge à onde courte de 1200 Watts et 405 mm de longueur chacun qui sont montés en série. La puissance de chaque émetteur peut être variable afin de réaliser un profil de température spécifique pour le séchage et la fusion du polymère. Par exemple, on règle à 250°C les trois premiers émetteurs puis à 180 °C les quatre suivants. La longueur totale de séchage est d'environ trois mètres, ce qui correspond à une durée de séchage de 6 secondes pour une vitesse de déplacement du ruban de 30m/min. La température de séchage du ruban est comprise entre environ 100° et 250°C, préférentiellement entre 100°C et 200°C, par exemple 150°C.

La température de dégradation des fibres de lin est d'environ 230°C mais la fibre après imprégnation, et en fonction de la durée à laquelle elle traverse les moyens de séchage 40, peut accepter des températures entre 250°C et 300°C. L'objectif du séchage est d'évaporer l'eau comprise dans la dispersion et de fondre le polymère au cœur de la fibre pour obtenir une bonne qualité d' imprégnation .

Il faut que le ruban en sortie des moyens de séchage 40 soit totalement sec en fin de séchage et que le polymère thermoplastique soit redescendu en dessous de sa température de fusion, soit par exemple inférieure à 110°C.

A la fin du dispositif, le ruban imprégné, conformé et séché est enroulé autour d'une bobineuse 52 qui conditionne le produit sous forme de bobine, par exemple avec un mandrin en carton de 75 mm de diamètre intérieur.

Le dispositif continu fonctionne pour une vitesse linéaire constante. Des tensiomètres (non représentés) asservissent, par l'intermédiaire de l'embrayage électromagnétique, la tension du ruban pour qu'il n'y ait pas fragilisation de la fibre jusqu'au conditionnement final sur la bobine.

Ce dispositif permet ainsi en une seule étape d'allonger, et sans aucune étape de torsade, d'imprégner, de mettre en forme, de consolider et de conditionner un ruban très fin en fibres de lin de quelques g/m, de préférence de lg/m, sur une bobine pouvant faire plusieurs milliers de mètres.

L'imprégnation par une dispersion de copolyamide permet ainsi d'augmenter très significativement la force à la rupture du ruban mèche de fibres de lin, tout en l'affinant/réduisant sa masse linéique.

Une l^ere série d'essais a été réalisée sur un roving (mèches de fibres) de lin de fort titrage ou grammage de 2190 tex, avec différents traitements.

Sauf pour l'exemple 7 où la méthode d'imprégnation est spécifiée, dans tous les autres cas (à défaut de spécification particulière pour chaque exemple) ladite imprégnation a été réalisée par pulvérisation en ligne (en continu) à l'aide d'un dispositif pulvérisateur (spray) avec un temps de séjour sous le jet dudit pulvérisateur de ls environ. Le séchage est réalisé par chauffage avec un dispositif à infrarouge. Le refroidissement est réalisé à l'air libre.

Base de comparaison 1 : mèche non imprégnée de 2190 tex.

Exemple 1 : EP-063 ND : imprégnation avec une solution non diluée (Extrait sec : 30%) de Platamid ®2592.

Exemple 2 : EP-063 D50 : imprégnation avec une dispersion diluée à 50%, de Platamid ® 2592 (Extrait sec : 15%) Exemple 3 : EP-064 ND : imprégnation avec une dispersion non diluée de Platamid ® 1657 (Extrait sec : 30%)

Exemple 4 : EP-064 D50 : imprégnation avec une dispersion diluée à 50% de Platamid ® 1657 (Extrait Sec : 15%)

La 2ème série d'essais a été réalisée sur roving de lin de faible titrage (1030 tex) ayant subi un traitement avec le Platamid ® 1657, à différents taux d'imprégnation.

Base de comparaison 2 : mèche de faible titrage non imprégnée (0% de polymère)

Exemple 5 : imprégnation avec une solution diluée 3 d'un facteur 4 avec Extrait Sec : 7,5%

Exemple 6 : imprégnation 2 fois de suite (2 passages) avec la dispersion de l'exemple 5

Exemple 7 : imprégnation par immersion (trempage) dans la dispersion aqueuse avec un temps de séjour plus long (10 s)

Pour le test de résistance à la traction, Le roving de lin est collé sur un cadre en carton. La longueur de référence a été choisie à 14mm, sachant que la longueur moyenne d'une fibre de lin est d'environ 30mm. Les bords supérieurs et inférieurs du carton sont serrés entre les mors du dynamomètre (machine Z ick) tandis que les bords latéraux sont coupés. Le roving est alors sollicité en traction à une vitesse de 1 mm/min.

Afin de comparer les rovings faiblement imprégnés de résine (jusqu'à 10% de polymère), on mesure la force à rupture des différents échantillons testés. Les résultats sont présentés au tableau III ci-dessous.

Tableau III

Référence Base de Exemple Exemple Exemple Exemple comparaison 1 1 2 3 4

Type Non imprégné EP63-ND EP63-D50 EP64-ND EP64- d' imprégnation D50

Taux de résine 0 2-10% 2-10% 2-10% 2-10% en poids

Nombre 5 8 5 5 5 d' échantillons

Force moyenne 443 775 723 888 770 à la rupture

(N)

Ecart type 33 98 68 23 73

On montre dans le tableau III, que l'imprégnation par une dispersion de copolyamide permet d'augmenter très significativement la force à la rupture de la mèche de fibres de lin.

Les deux dispersions donnent des résultats similaires et dans le sens d'une consolidation (exemple 2 et 3 par opposition à la base de comparaison 1), ce qui démontre que la dispersion de consolidation proposée fonctionne, y compris pour des dilutions de 50% (ce qui correspond à un extrait sec de 15%) .

Dans le tableau IV ci-dessous, on donne le résultat des différentes imprégnations avec le Platamid ® 1657 et une mèche de faible grammage ou titrage (1030 tex) . On constate qu'avec une dilution d'un facteur 4 avec extrait sec final de 7,5%, on obtient une force à rupture équivalente à celle obtenue avec le roving de fort titrage (2190 tex) non imprégné (comparaison de l'exemple 5 avec la base de comparaison 1) . On a ainsi démontré que l'utilisation d'une dispersion de copolyamide telle que définie précédemment a permis d'utiliser une mèche de fibre de lin de titrage divisé par 2 par rapport à la mèche initiale, (1030 tex contre 2190 tex) , tout en conservant sensiblement la même résistance mécanique (environ même force à la rupture) .

On montre en outre, qu'en faisant plusieurs passages d'imprégnation (par pulvérisation) avec la même dispersion, on augmente le taux de copolyamide dans la mèche finale (comparaison entre les exemples 5 et 6) .

Pour finir, on montre par un essai d' imprégnation par immersion (trempage) avec un temps de pulvérisation beaucoup plus long (10s), qu'il est possible d'imprégner la mèche avec près de 40% (en poids) de copolyamide (exemple 7) . Ce taux correspond à un taux de résine (polymère) rencontré dans des renforts pré imprégnés usuels, permettant de faire ainsi directement des pièces composites, par exemple par thermo compression, ou encore à l'aide d'une technologie de placement de fibres telle que la pultrusion, sans avoir recours à une opération d'imprégnation supplémentaire du renfort fibreux.

On démontre ainsi, la possibilité avec le dispositif selon l'invention, de réaliser directement un semi-produit composite de type pré imprégné prêt à l'emploi.

Tableau IV

La présente invention permet donc de résoudre les problème techniques exposés précédemment par rapport à l'art antérieur avec un dispositif d'imprégnation de mèches ou de rubans de fibres naturelles, cette imprégnation ayant lieu à cœur par une dispersion aqueuse de polymère spécifique permettant ainsi audit polymère de lier au cœur du faisceau de fibres, entre elles, les fibres desdites mèches ou desdits rubans afin de les consolider avec les fines particules de polymère utilisées après fusion. Cette imprégnation peut conduire ultérieurement à un renfort fibreux pré imprégné, une mèche ou un ruban de faible grammage utilisable pour la fabrication de matériaux composites.

La flexibilité de la solution de la présente invention lui permet d'être intégrée dans une ligne continue de fabrication dudit renfort fibreux à base de fibres naturelles comme les fibres de lin, allant du traitement des fibres naturelles issues des champs, à la fabrication d'une mèche ou d'un ruban pré imprégné et calibré.

Ainsi, en une seule étape, on obtient une mèche ou un ruban qui contient la fibre de lin et la résine à un taux pouvant être compris entre 0 et 70% en masse de résine. Il ne nécessite pas d'étape de coupe pour calibrer la largeur du produit car le système de conformateur assure cette étape

Il va de soi que la description détaillée de l'objet de l'Invention, donnée uniquement à titre d'illustration, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention.

Ainsi, les moyens d'imprégnation 20 peuvent comprendre système de trempage dans un bain de type immersion ou un rouleau d'imprégnation par contact.

Les moyens de séchage 40 peuvent également être constitués par un flux de micro-ondes, un chauffage par induction ou par four avec extraction de l'eau, une étuve à air puisé ou un calandrage sur rouleaux chauffants. Ces moyens de séchage peuvent comprendre des systèmes de canaliseur de rayonnement pour concentrer l'énergie vers le produit à sécher.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif (1) continu pour imprégner en une seule étape des mèches ou des rubans de fibres naturelles (100), en particulier de lin, avec une dispersion aqueuse spécifique de polymère pour consolider les fibres au cœur du faisceau de fibres et améliorer leur tenue mécanique sans besoin de torsadage, comportant les moyens suivants :

- des moyens (10) d'allongement par étirage de la mèche ou du ruban de fibres naturelles pour les mettre au titrage voulu,

- des moyens (20) d'imprégnation des fibres à l'aide de la dispersion aqueuse pour garantir la totale imprégnation des filaments par celle-ci,

des moyens (30) de conformation/calibration des fibres essorées,

- des moyens (40) de séchage des fibres conformées/calibrées, et

- des moyens (50) de conditionnement des fibres séchées afin de les transformer en fil ou ruban,

- ladite dispersion aqueuse de polymère comprenant au moins un polymère amorphe avec une Tg comprise entre environ de 50°C et 175°C, de préférence entre environ 80°C et 150°C, ou un polymère semi cristallin avec une température de fusion comprise entre environ de 70° et 220°C, de préférence entre environ 90°C et 190°C, plus préférentiellement de 100°C à 170°C, ladite dispersion comprenant un taux en poids dudit polymère comprise entre environ 5% et 50% avec des particules en dispersion présentant une taille moyenne en nombre inférieure à 10000 nm, de préférence comprise entre environ 50 et 5000 nm, et plus préférentiellement entre environ 50 et 500 nm.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'allongement (10) comportent un peigne (14) en mouvement alternatif de translation et des rouleaux rotatifs d'entrée (12) et de sortie (16) disposés avant et après ledit peigne, lesdits rouleaux créant, en tournant dans le même sens, un différentiel de vitesse de telle sorte que la vitesse de sortie des fibres est supérieure à la vitesse d'entrée de ces dernières.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'allongement (10) étirent les fibres (100) avec un ratio en sortie compris entre environ 1 et 25, de préférence entre environ 3 et 10.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'imprégnation (20) sont constitués par un système de pulvérisation ou un système de trempage dans un bain de type immersion ou un rouleau d'imprégnation par contact.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vitesse d'imprégnation dans les moyens d'imprégnation (20) est comprise entre quelques m/min à plusieurs dizaines de m/min, préférentiellement entre environ 5 m/min et 50 m/min.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux d'imprégnation en polymère obtenu à l'aide des moyens d'imprégnation (20) est compris entre environ 0,1% à plus de 50% en masse de polymère, préférentiellement entre environ 2% et 5% pour un effet de consolidation et entre environ 35% et 50% pour un produit pré imprégné .

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de conformation (30) comportent un module d'essorage (32) et une filière de conformation (34) .

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de conformation (30) exercent une pression d'essorage allant de quelques kg à plusieurs centaines de kg, préférentiellement environ 100 kg.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de séchage (40) sont choisis parmi un rayonnement infrarouge, un flux de micro-ondes, un chauffage par induction ou par four avec extraction de l'eau, une étuve à air puisé ou un calandrage sur rouleaux chauffants.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la température de séchage est comprise entre environ 100° et 250°C, préférentiellement entre 100°C et 200°C.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit polymère est choisi parmi:

( co ) polyamides , ( co ) polyesters , polyuréthanes , poly (méth) acrylates , polymères fluorés ou polyoléfines .

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que :

- ledit polymère est choisi parmi un poly (méth) acrylate, y compris copolymères, fonctionnalisé par des fonctions acides ou un polymère fluoré, y compris copolymères, greffé avec des fonctions réactives ,

- ladite dispersion aqueuse est une dispersion aqueuse obtenue par polymérisation en émulsion en présence d'un tensioactif, et

lesdites fonctions réactives peuvent réagir avec lesdites fibres naturelles et plus particulièrement, avec les fibres de lin.

13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit polymère est un polyuréthane formé à partir d'un pré polymère polyisocyanate comprenant un groupement ionique, dispersé dans l'eau avec extension de chaîne en milieu aqueux.

14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit polymère est dispersible (ou dispersé) sous forme de poudre en milieu aqueux sans tensioactif et de préférence ledit polymère à l'état de poudre porte des groupements ioniques ou des groupements précurseurs de groupements ioniques en particulier par neutralisation dans l'eau lors de la préparation de ladite dispersion.

15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit polymère est un copolyamide, de préférence porteur de groupements terminaux carboxy, sulfoniques ou des groupements terminaux aminés, plus préférentiellement présentant un taux desdits groupements allant de 50 à 500 eq/g, en particulier 100 à 250 eq/g .

16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit copolyamide porte des groupements aminés, de préférence aminés primaires, neutralisés sous forme d'ammonium par un acide, de préférence acide de Bronsted, plus préférentiellement phosphoré.

17. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit copolyamide porte des groupements carboxy neutralisés, sous forme de sel, par une base.

18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à

17, caractérisé en ce que ledit copolyamide est semi cristallin avec une température de fusion inférieure ou égale à 150 °C.

19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisé en ce que ledit copolyamide comprend au moins un des monomères suivants : 5.9, 5.10, 5.12, 5.13, 5.14, 5.16, 5.18, 5.36, 6, 6.9, 6.10, 6.12, 6.13, 6.14, 6.16, 6.18, 6.36, 9, 10.6, 10.9, 10.10, 10.12, 10.13, 10.14, 10.16, 10.18, 10.36, 11, 12, 12.6, 12.9, 12.10, 12.12, 12.13, 12.14, 12.16, 12.18, 12.36, 6.6/6, 11/10.10 et leurs mélanges et de préférence comprend au moins un motif parmi 11, 12, 10.10, 6, 6.10, 6.12, 10.12, 6.14 et/ou 6.6/6, 11/10.10, et leurs mélanges .

20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 à

18, caractérisé en ce que ledit polymère est un copolyamide choisi parmi : PA 6/6.6/12, PA 6/6.6/11/12, PA 6/12, PA 6.9/12, PA

Pip.9/Pip.12/11, PA 6/IPD.6/12, PA IPD.9/12, PA6/MPMD .12/12, PA 6/6.12/12, PA 6/6.10/12, PA 6/Pip.12/12, PA 6/6.6/6.10/6.1, PA 6.10/Pip.lO/Pip.l2, PA 6/11/12, PA Pip.12/12, PA IPD.10/12, PA Pip.10/12, PA 6/11, PA Pip .10/ 11 / Pip .9 , PA 6/6.6/6.10, PA 6/6.10/6.12 et leurs mélanges.

21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que :

- ledit polymère est semi cristallin avec une température de fusion Tf supérieure à 90°C, de préférence d'au moins 100°C, et

- les particules de ladite dispersion présentent une taille moyenne en nombre comprise entre environ 50 et 5000 nm, et de préférence entre environ 50 et 500 nm.

22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux en poids sec dudit polymère par rapport au poids sec desdites fibres varie de 0,5 % à moins de 50%.

23. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que ledit taux en poids varie de 0,5 à 10% et ladite imprégnation se limite à la consolidation desdites fibres entre elles, en plus d'un ensimage .

24. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que ledit taux est supérieur à 25% et inférieur à 50%, de préférence de 30% à 45%, et ladite imprégnation en plus de ladite consolidation conduit à un pré imprégné desdites fibres utilisé ou utilisable séparément ou successivement dans la fabrication de matériaux composites.

25. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la viscosité de ladite dispersion à 25°C varie de 10 à 1000 MPa.s.

26. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites fibres sont des fibres longues, en particulier des fibres longues de lin, avec L/D> 2000.

27. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites mèches ou rubans sont à base de fibres de lin présentant un tex compris entre environ 10 et 10000, de préférence compris entre environ 100 et 4000 et plus préférentiellement enter environ 500 et 1500.

28. Fibres naturelles imprégnées, en particulier fibres de lin, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues à l'aide du dispositif d'imprégnation en continue selon l'une des revendications 1 à 27.

29. Fibres selon la revendication 28, caractérisées en ce qu'elles comprennent comme liant de consolidation au cœur du faisceau desdites fibres, liant entre lesdites fibres entre elles, le copolyamide semi cristallin tel que défini dans l'une des revendications 8 à 14, et de préférence à un taux en poids sec de polymère par rapport auxdites fibres + polymère allant de 0,5 à 10%.

30. Fibres selon la revendication 28 ou 29, caractérisées en ce qu'elles constituent des fibres de renfort pour composites, en particulier pour composites thermoplastiques, de préférence pour matrice thermoplastique polyamide, plus préférentiellement pour matrice polyamide à base de PA 11, PA10.10 et PA 6.10 et PA 101/61.

31. Matériaux composites renforcés par des fibres naturelles, caractérisés en ce qu'ils comprennent des fibres obtenues à l'aide du dispositif selon l'une des revendications 1 à 27, ou des fibres telles que définies selon l'une quelconque des revendications 28 à 30.