WO2016012708A1 - Procédé de préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice - Google Patents

Procédé de préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice Download PDF

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WO2016012708A1
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suspension
film
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Antoine Lonjon
Eric Dantras
Colette Lacabanne
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Universite Paul Sabatier - Toulouse Iii
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Definitions

  • the invention relates to a method for preparing an electrically conductive composite film, particularly in the form of a self-supporting film or a prepreg, a process for preparing an electrically conductive laminated composite structure comprising such an electrically conductive composite film , said electrically conductive composite film, said electrically conductive laminated composite structure, and uses thereof.
  • the present invention typically, but not exclusively, applies to the automotive, railway, aeronautics, aerospace (eg, electronic satellites), computer and electronics industries, in which Electrically conductive composite parts, and in particular electrically conductive laminated composite structures, are used instead of massive metal parts.
  • these composite parts must be sufficiently conductive (eg conductivities greater than 0.1 S / m) to be able to replace metal parts.
  • they must be able to evacuate the electrical charge, and avoid the structural damage associated with lightning.
  • the impact of lightning on one or more composite parts of an aircraft can lead to a degradation of its structure, but also its dysfunction (boosting in electrical systems, spark and degassing at level of fixings, sparkle at the edges of composite parts, critical effects in the fuel zones).
  • the methods of manufacturing laminated composite structures are numerous and are implemented either from dry fibers (e.g., fibers alone) and a polymeric resin in film or liquid form, or from prepregs.
  • the most common methods are autoclave bag molding (ie marouflage), compression molding, resin transfer molding (also known as Resin Transfer Molding or RTM), and brewing.
  • a resin in the form of a film or in liquid form also well known respectively under the Anglicisms "Resin Film Infusion” or RFI, and "Liquid Resin Infusion” or LRI).
  • Layered composite structures are most often made from thermosetting polymer resins (e.g., epoxy resins, phenolics, vinyl esters, polyesters, polyimides, etc.). Indeed, these resins are generally in solution in the form of non-crosslinked polymer suspended in a solvent. Once crosslinking is complete, these structures are solvent resistant and easy to handle. However, these laminated composite structures have the disadvantage of being poorly resistant to shocks. Moreover, once the polymerization of the thermosetting polymer resin has been carried out, the laminated composite structures are no longer transformable, which prevents their recycling and / or the repair of certain defects that would have appeared during their manufacture.
  • thermosetting polymer resins e.g., epoxy resins, phenolics, vinyl esters, polyesters, polyimides, etc.
  • thermoplastic polymer resins eg. polyethersulfones (PES), polyetherimides (PEI), polyetheretherketones (PEEK), or phenylene polysulfides (PPS)
  • PES polyethersulfones
  • PEI polyetherimides
  • PEEK polyetheretherketones
  • PPS phenylene polysulfides
  • Grouve et al. have described the preparation of a laminate composite structure of the type [PPS / fiberglass] n by stacking unit stacks comprising successive layers of fibers continuous glass and PPS films, separated by plates tinned steel or aluminum or sheets of polytetrafluoroethylene (PTFE), by hot pressing the stack formed, then cooling.
  • the resulting structure is not sufficiently conductive (eg, conductivities less than 0.1 S / m).
  • Cytec Technology Corp. has developed a PEEK / carbon fiber prepreg (marketed under the reference APC-2 / AS4) in the form of a unidirectional layer (UD) containing approximately 60% carbon fiber by volume.
  • a unidirectional web sometimes called ribbon
  • UD unidirectional layer
  • a unidirectional web sometimes called ribbon
  • Laminated composite structures can then be obtained by stacking these UD sheets in different directions, then consolidation by the effect of temperature and sometimes pressure.
  • a metal grid e.g. copper or aluminum
  • an insulating material such as a ply of glass fibers, in order to avoid galvanic corrosion due to the contact between the carbon fibers and the metal grid.
  • Cytec Technology Corp. also proposes in the international application WO2013 / 032620 to prepare a laminated composite structure by stacking prepregs on which may be deposited metal sheets, locks, flakes, fibers or particles of a metallic material selected from aluminum, copper, titanium, nickel and stainless steel, to improve the electrical conductivity of the structure.
  • a metallic material selected from aluminum, copper, titanium, nickel and stainless steel.
  • these metal elements do not have a form factor, they must be introduced in amounts greater than 15% by volume, inducing a degradation of the mechanical properties of the laminated composite structure.
  • the deposition of metal particles is generally by chemical vapor deposition or "Chemical Vapor Deposition” (ie CVD), by physical vapor deposition or “Physical Vapor Deposition” (ie PVD) or by aqueous chemical deposition.
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD Physical vapor deposition
  • aqueous chemical deposition ie CVD
  • CVD chemical vapor deposition
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • aqueous chemical deposition ie vapor deposition
  • these deposition techniques require sophisticated and expensive equipment and / or adhesion of the metal layer on the prepreg is not sufficient for the above applications.
  • the composite film is prepared by hot extruding a mixture of PEEK and NTC using a bis-screw extruder to form granules, and shaping the granules under heat press.
  • the methods for mixing and / or forming a mixture of a thermoplastic polymer resin with conductive particles generally used to manufacture a composite in the form of a film or pellet implement the thermoplastic polymer resin in the state melted and therefore require the use of very high temperatures (300 to 400 ° C).
  • these methods such as extrusion, injection molding, molding or hot pressing induce high production costs, and they are unsuitable, especially when the conductive particles have a high form factor (eg carbon nanotubes, carbon fibers).
  • the extrusion mixture causes shear forces that break said particles, reduce their form factor, and the final conductivity of the composite; and forming in press, injection molding or extrusion directs the high form factor conductive particles in the material direction, thereby decreasing the homogeneous dispersion of said particles in the composite, and thus its final conductivity.
  • increasing the volume ratio of conductive particles to improve the conductivity degrades the mechanical properties of the structure.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the aforementioned prior art and to provide a method for preparing an electrically conductive composite film based on thermoplastic polymer resin and electrically conductive particles, said method being economical, easy to implement, can be used with any type of thermoplastic polymer resin and to maintain good mechanical properties.
  • Another object of the present invention is to develop a method for preparing an electrically conductive laminated composite structure based on thermoplastic polymer resin, electrically conductive particles, and long or continuous fibers, said process being economical , easy to implement, and can be used with any type of thermoplastic polymer resin and to maintain good mechanical properties.
  • the other objects of the invention are to provide an electrically conductive composite film based on thermoplastic polymer resin and high-form factor electrically conductive particles, as well as an electrically conductive laminated composite structure based on thermoplastic polymer resin, high form factor electrically conductive particles, and long or continuous fibers, having sufficient electrical conductivity for them to be used in the aforementioned advanced applications.
  • the invention therefore firstly relates to a process for preparing an electrically conductive composite film comprising at least one thermoplastic polymer resin and electrically conductive particles chosen from:
  • said electrically conductive composite film optionally impregnating fibers
  • said suspension comprising from 0.06% to 0.5% by volume of said electrically conductive particles relative to the total volume of the suspension
  • thermoplastic polymer resin powder having a particle size of less than or equal to about 50 ⁇ m with the suspension prepared in the preceding step to obtain a homogeneous suspension, said homogeneous suspension comprising from 7% to 20% by volume about said thermoplastic polymer resin with respect to the total volume of the suspension,
  • a heat treatment step at a temperature greater than or equal to the melting temperature of the thermoplastic polymer resin when it is in semicrystalline form or greater than or equal to its glass transition temperature when it is in the form of amorphous, in order to obtain an electrically conductive composite film deposited on said non-stick support or impregnating said fibrous support, and 6) a step of removing the electrically conductive composite film from the support when the support is a non-stick support.
  • the method of the invention can lead to an electrically conductive composite film in the form of a self-supporting electrically conductive composite film or in the form of an electrically conductive composite prepreg.
  • the method of the invention comprises step 6) and the latter leads to a self-supporting electrically conductive composite film comprising at least one thermoplastic polymer resin and 1% at about 10% by volume of electrically conductive particles relative to the total volume of the electrically conductive composite film.
  • release carrier means a carrier having the function of limiting the adhesion of the electrically conductive composite film to said carrier to facilitate the separation and removal of said electrically conductive composite film from the release carrier at a time when the step 6) of the process of the invention.
  • the self-supporting electrically conductive composite film comprises from 1 to 5% by volume of electrically conductive particles, and preferably from 2 to 4% by volume of electrically conductive particles relative to the total volume of said composite film. electrically conductive self-supporting. The use of these small amounts of electrically conductive particles allows to lead to a self-supporting weakly charged electrically conductive composite film, while retaining its mechanical properties.
  • step 6) of the process of the invention is not present and step 5) makes it possible to lead directly to an electrically conductive composite film impregnating said fibrous support (ie the fibers of said support fibrous).
  • An electrically conductive composite prepreg comprising at least one thermoplastic polymer resin, having from 1 to 10% by volume of electrically conductive particles, and from 10 to 70% by volume of fibers, relative to the total volume of the electrically composite prepreg, is thus obtained. driver.
  • the electrically conductive composite prepreg comprises from 1 to 5% by volume of electrically conductive particles and from 10 to 70% by volume of fibers, relative to the total volume of the electrically conductive composite prepreg, and preferably about 2 to 4% by volume of electrically conductive particles and about 10 to 70% by volume of fibers, based on the total volume of said electrically conductive composite prepreg.
  • the use of these small amounts of electrically conductive particles leads to a weakly charged electrically conductive composite prepreg, while retaining its mechanical properties. It should be noted that the use of an amount of electrically conductive particles greater than 10% by volume in the electrically conductive composite prepreg can lead to a degradation of its mechanical properties.
  • the process of the invention makes it possible to obtain in a few steps an electrically conductive composite film (in the form of a self-supporting film or a prepreg) based on a polymer resin thermoplastic and electrically conductive particles, while avoiding processes such as those described in the prior art that implement at least one step of mixing a thermoplastic polymer resin in the molten state with electrically conductive particles.
  • the method of the invention avoids any shaping step which would have the effect of degrading its volume or transverse conduction properties such as extrusion, hot pressing or injection molding.
  • the term "suspension” means a dispersion of an insoluble (or practically insoluble) solid (powder) and finely divided in a liquid medium. It is therefore a heterogeneous system consisting of a continuous liquid external phase (solvent) and a solid internal phase.
  • the solvent of step 1) can be chosen from hydrocarbon solvents such as alkanes, alkenes, toluene or xylene, oxygenated solvents such as alcohols, ketones, acids, esters, dimethylformamide (DMF). ) or dimethylsulfoxide (DMSO), chlorinated solvents, water, and mixtures thereof.
  • hydrocarbon solvents such as alkanes, alkenes, toluene or xylene
  • oxygenated solvents such as alcohols, ketones, acids, esters, dimethylformamide (DMF).
  • DMF dimethylformamide
  • DMSO dimethylsulfoxide
  • the solvent of step 1) is preferably a solvent which can be easily evaporated to facilitate the drying of step 4).
  • the most preferred solvent of step 1) is an alcohol such as ethanol.
  • the solvent of step 1) must be inert with respect to the electrically conductive particles and the thermoplastic polymer resin.
  • graphene is in the form of particles whose average size varies from about 2 to about 100 nm.
  • Carbon nanotubes are in particular an allotropic form of carbon belonging to the family of fullerenes. More particularly, the carbon nanotubes are layers of graphene wound on themselves and closed at their ends by half-spheres similar to fullerenes.
  • the carbon nanotubes comprise both single-walled nanotubes (single wall carbon nanotubes, SWNTs) comprising a single sheet of graphene and multiwall or multiwall nanotubes (in English: Multi Wall Carbon Nanotubes, MWNT ) comprising several sheets of graphene nested inside each other in the manner of Russian dolls, or a single sheet of graphene rolled up several times on itself.
  • the carbon nanotubes have a mean diameter ranging from 1 to about 50 nm.
  • the carbon nanotubes may have a length ranging from
  • Carbon nanofibers consist 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 having an average diameter generally from about 100 nm to about 500 nm or more.
  • the carbon nanofibers may have a length ranging from about 1 to 10 ⁇ m.
  • the metal of said filiform metal nanoparticles may be a stainless metal, that is to say that does not react with the oxygen of the air to form a so-called "passivation" layer.
  • the metal is selected from silver, gold, platinum and the mixture of two or three of said metals.
  • the particularly advantageous metal is silver.
  • filament nanoparticles means particles having:
  • form factor means the ratio between the length (U) of a filamentary nanoparticle, and one of the two orthogonal dimensions (Di, D 2 ) of said filiform nanoparticle.
  • the two orthogonal dimensions (Di, D 2 ) of a filiform nanoparticle are the diameter (D) of its cross section. This is called a “nano-stick” or “nano-wire”.
  • a filamentary nanoparticle may also be a "ribbon" in which the two orthogonal dimensions of the filiform nanoparticle according to the invention are its width (L 2 ) (first orthogonal dimension) and its thickness (E) (second orthogonal dimension).
  • filiform metal nanoparticles according to the invention are advantageously characterized by at least one of the following characteristics:
  • the two orthogonal dimensions (Di, D 2 ) of the filiform nanoparticles are between approximately 50 nm and 250 nm, and preferably between 100 nm and 200 nm;
  • the length (U) is between approximately 1 ⁇ m and 150 ⁇ m, and preferably between 25 ⁇ m and 70 ⁇ m approximately;
  • the form factors (Fi, F 2 ) are between about 100 and 200, and preferably of the order of about 150.
  • the electrically conductive particles have a form factor greater than or equal to 50, and preferably greater than or equal to 100.
  • Such electrically conductive particles are chosen from:
  • the filiform metallic nanoparticles are very particularly preferred.
  • volume amounts ranging from 1 to about 10% of filiform metal nanoparticles allows to obtain a sufficiently conductive composite film, while it takes at least 15 to 20% in volume of metal particles in the form of spherical particles, flakes, or powder, to obtain an equivalent conductivity.
  • volume proportions degradation of the mechanical properties is observed.
  • the filiform metal nanoparticles of the invention possess two essential characteristics for the preparation of electrically conductive composite films with low charge. Their form factor is high (between 50-200), which makes it possible to reach percolation thresholds for small amounts of conductive filler. In addition, these filiform nanoparticles being metallic, they have the intrinsic conductivity of the metal that constitutes them.
  • the suspension of step 1) may further comprise metal particles other than filiform metal nanoparticles.
  • the metal of these metal particles has the same definition as the metal of filiform metallic nanoparticles.
  • the metal of these metal particles is preferably identical to the metal of the filiform metallic nanoparticles.
  • the metal particles may be in the form of nanometric and / or micrometric spherical metal particles, powder or flakes.
  • the suspension of step 1) does not comprise pigment and / or dye.
  • the pigments e.g. inorganic fillers
  • the / or dyes generally used can alter the mechanical properties of the conductive film.
  • Step 1) may be carried out using mechanical agitation and / or ultrasound, in particular at a frequency ranging from about 20 kHz to about 170 kHz, and at a power ranging from about 5 W to about 500 W. by 5 seconds.
  • the thermoplastic resin of step 2) may be chosen from polyaryletherketones (PAEK) such as polyetheretherketones (PEEK), polyetherketoneketones (PEKK), polyetheretherketoneketones (PEEKK), polyetherketones (PEK), or polyetherketoneetherketoneketones (PEKEKK) ; phenylene polysulfides (PPS); polyetherimides (PEI); polyethersulfones (PES); polysulfones (PS); polyamides (PA) such as nylon; polyimides (PI); polyamideimides (PAI); polycarbonates (PC); polyvinylidene fluorides (PVdF); copolymers of polyvinylidene fluoride and trifluoroethylene [P (VdF-TrFE)] or hexafluoropropene [P (VdF-HFP)]; and their mixtures.
  • PAEK polyaryletherketones
  • PEEK polyetheretherket
  • the thermoplastic resin of step 2) is preferably chosen from polyetheretherketones (PEEK), polyetherketoneketones (PEKK), phenylene polysulfides (PPS) and polyamides (PA).
  • PEEK polyetheretherketones
  • PEKK polyetherketoneketones
  • PPS phenylene polysulfides
  • PA polyamides
  • thermoplastic resin of step 2) is preferably a nonionic thermoplastic resin.
  • thermoplastic resin in step 2) is not preferably comprises ionic groups sulfonate (eg. Nafion ®), carboxylate, phosphonate or sulfonimidure.
  • the suspension prepared in step 2) may have a viscosity ranging from about 1 Pa.s to 33 Pa.s, and preferably ranging from about 1 Pa.s to about 10 Pa.s at 25 ° C.
  • viscosity values given in the present application, and in particular the value of viscosity of the slurry were determined at 25 ° C, at a shear frequency of 0.5 rad .s "1 and measured as using a rotary rheometer sold under the trade name ARES by Rheometric Scientific equipped with a Couette cell
  • the rheological measurement time corresponding to a deformation ranging from 0 to 30% is about 300 seconds.
  • the viscosity of the suspension of step 2) must be sufficient to form a conductive film with a uniform thickness, and it must not be too large to lead to a conductive film.
  • step 2) the viscosity of the slurry can be adjusted by adding an appropriate amount of a solvent identical to that used in step 1).
  • the suspension of step 2) preferably comprises from about 7% to about 12% by volume of thermoplastic polymer resin based on the total volume of the suspension.
  • the ratio of the mass of solvent to the mass of total solids can range from 0.5 to 8, and preferably from about 0.5 to about 4.
  • thermoplastic resin used in step 2) is not soluble in the solvent of step 1).
  • particle size less than or equal to about 50 ⁇ m is required if it is desired to obtain a homogeneous dispersion of said resin in the film, especially when the film has a thickness of the order of 100 ⁇ m. It preferably has a particle size less than or equal to approximately 30 ⁇ m, and more preferably less than or equal to approximately 20 ⁇ m.
  • Step 2) can be carried out using mechanical agitation and / or ultrasound, in particular at a frequency ranging from about 20 kHz to about 170 kHz, and at a power ranging from about 5 W to about 500 W. by 5 seconds.
  • This step 2) avoids the use of melt blending methods of the thermoplastic polymer resin with the electrically conductive particles such as those described in the prior art. Indeed, as explained above, these methods (eg extrusion, injection molding, hot molding, hot pressing, etc. ..) implement the thermoplastic polymer resin in the molten state and induce high production costs as well as a degradation of the electrical properties of the electrically conductive particles.
  • the suspension of step 2) consists only of the thermoplastic polymer resin, the solvent and the electrically conductive particles.
  • step 3 the deposition of step 3 can be carried out according to the following substeps:
  • step 3a a step of introducing the homogeneous suspension of step 2) into a reservoir comprising an injection nozzle in its lower part, and maintaining the suspension with mechanical stirring,
  • step 3b) makes it possible to form a suspension layer deposited on the non-stick or fibrous support.
  • the squeegee may be adjusted in height relative to the support to form a more or less thick suspension layer deposited on said support.
  • the suspension layer may be in the form of a finite-dimensional layer or a continuous layer.
  • steps 3a) and 3b) can be performed simultaneously.
  • step 3b) can be implemented using a roller for continuously scrolling the support at the injection nozzle and under the doctor blade, at a given speed.
  • the suspension layer gradually impregnates said fibrous support.
  • the suspension of step 3a) has a viscosity ranging preferably from 1 Pa.s to about 10 Pa.s.
  • the release liner may be a polyimide film such as for example that marketed under the reference Upilex ®, or a metal sheet which has been rendered non-stick by a suitable treatment, including using a release agent such as, for example that marketed under the reference Cirex Si041WB ® by Sicomin.
  • the fibrous support is a support comprising long or continuous fibers.
  • long fibers means fibers of at least about 1 mm in length.
  • the fibers of the fibrous support are preferably continuous.
  • the fibers may be selected from carbon fibers, glass fibers and aramid fibers. Carbon fibers are preferred.
  • the fibers can be in the following forms: linear
  • a fabric is constituted by the intertwining of warp threads and weft threads.
  • a fabric is balanced if the chain weight is equal to the weight of frame. It is called unidirectional (ie UD) if the chain weight represents more than 70% of the total weight.
  • the webs (called ribbons in some cases) consist of parallel fibers oriented in one direction only.
  • the transverse cohesion is ensured either by an adhesive tape arranged in a determined step; either by a light weave, we obtain a unidirectional fabric in which the mass of fibers in the warp direction represents 98% of the total mass and the remaining 2% provide transverse cohesion.
  • the satin the warp yarn floats above several weft threads, for example, in a satin of 5, the warp yarn floats above 4 weft yarns;
  • the difference with the satin stems from the shifting of the weaving points between two consecutive locks which do not never touch for satin.
  • the fiber mats are made by sets of son whose lengths are generally of the order of 50 mm.
  • the fibrous support is preferably a fiber fabric, a unidirectional alignment of fibers or a fiber mat.
  • the deposition can be carried out according to the following substeps:
  • step 3a a step of introducing the homogeneous suspension of step 2) into a tank and keeping it under mechanical stirring
  • the suspension of step 3a ') has a viscosity preferably ranging from 5 Pa.s to approximately 10 Pa.s.
  • the fibrous support is as defined previously.
  • the fibrous support is preferably unidirectional.
  • step 4) are adapted to the nature of the suspension of step 2) (i.e., type of thermoplastic polymer resin, solvent, etc.).
  • Step 4) can last from about 15 minutes to 15 hours, and preferably from
  • Step 4) in particular leads to a thin film of agglomerated powder in which the electrically conductive particles are entangled in the thermoplastic polymer resin powder.
  • This agglomerated powder comprises a homogeneous mixture of powders of electrically conductive particles and thermoplastic polymer resin. It then does not include any solvent. This powder can impregnate the support when it is fibrous.
  • Step 5) can be carried out at a temperature ranging from about 200 ° C to about 400 ° C.
  • This step 5) can be carried out in a conventional oven or an infrared oven.
  • Step 5) can last from about 5 minutes to 1 hour, and preferably from about 5 to 15 minutes. Without this step 5) heat treatment at a temperature greater than or equal to the melting temperature of the thermoplastic polymer resin when it is in semicrystalline form or greater than or equal to its glass transition temperature when it is under amorphous form, fusion is not achieved and only a sedimented layer of electrically conductive particles and powdered thermoplastic polymer resin is obtained, leading to a layer of a material that crumbles and therefore can not be used to manufacture laminated composite structures.
  • Step 6) can be performed using a recovery roller.
  • the self-supporting electrically conductive composite film obtained in step 6) or the electrically conductive composite prepreg obtained in step 5) can be directly used for the preparation of a laminated composite structure.
  • the self-supporting electrically conductive composite film may be in the form of a film, a ribbon, or a sheet, continuous or of finite dimensions.
  • the electrically conductive composite prepreg may be in the form of a prepreg, a ribbon, or a sheet, continuous or of finite dimensions.
  • the thickness of the self-supporting electrically conductive composite film may range from about 10 ⁇ m to 150 ⁇ m, and preferably from about 50 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the thickness of the electrically conductive composite prepreg may range from about 100 ⁇ m to about 400 ⁇ m, and preferably from about 150 ⁇ m to about 200 ⁇ m.
  • the self-supporting film obtained in step 6) or the electrically conductive composite prepreg obtained in step 5) can comprise 0.5 from 10% to 10%, and preferably from 0.2% to 4% by volume of said metal particles relative to the total volume of self-supporting film or electrically conductive composite prepreg.
  • autosupported film or electrically conductive composite prepreg means a self-supporting film or a composite prepreg having a surface resistivity strictly less than 10,000 ohms / square, especially when the electrically conductive particles are carbon nanotubes, graphene, carbon nanofibers, or mixtures thereof, preferably strictly less than 100 ohms / square, especially when the electrically conductive particles are filamentary metal nanoparticles, and more preferably strictly less than 10 ohms / square.
  • the support used is a non-stick support and the electrically conductive particles are filiform metallic nanoparticles such as silver nanowires, so as to obtain a self-supporting electrically conductive composite film comprising at least a thermoplastic polymer resin and filiform metal nanoparticles such as silver nanowires.
  • the self-supporting electrically conductive composite film and the electrically conductive composite prepreg obtained according to the method of the invention preferably do not include pigment and / or dye. Indeed, the pigments and / or dyes generally used can alter their mechanical properties.
  • the self-supporting film (respectively prepreg) obtained according to the process of the invention is preferably in the form of a single homogeneous layer.
  • the method according to the first object of the invention does not preferably include a step (s) for applying one or more layers (eg a polymer layer or a composite layer) to one of the faces of said self-supporting film (or said prepreg, respectively).
  • the subject of the invention is a self-supporting electrically conductive composite film obtained according to the process according to the first object, characterized in that it comprises at least one thermoplastic polymer resin and from 1% to 10% by volume approximately, with respect to the volume total of the self-supporting electrically conductive composite film of electrically conductive particles selected from:
  • thermoplastic polymer resin and the electrically conductive particles are as defined in the first subject of the invention.
  • the third object of the invention is an electrically conductive composite prepreg obtained according to the process according to the first object, characterized in that it comprises at least one thermoplastic polymer resin, from 10% to 70% by volume of fibers, and 1 about 10 to 10% by volume, based on the total volume of the electrically conductive composite prepreg, of electrically conductive particles selected from: a) graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and mixtures thereof; and
  • thermoplastic polymer resin the electrically conductive particles and the fibers are as defined in the first subject of the invention.
  • the fourth subject of the invention is a method for manufacturing an electrically conductive laminated composite structure comprising at least one thermoplastic polymer resin, fibers and particles.
  • electrically conductive selected from:
  • i-1) a step of preparing a successive stack of at least one self-supporting electrically conductive composite film according to the second subject of the invention and at least one layer of fibers, or
  • i-2) a step of preparing a stack of at least two electrically conductive composite prepregs, identical or different, according to the third subject of the invention
  • thermoforming step ii a thermoforming step ii).
  • thermoplastic polymer resin and the electrically conductive particles are as defined in the first subject of the invention.
  • the at least two electrically conductive composite prepregs are preferably identical.
  • the self-supporting electrically conductive composite film of step i-1) is preferably prepared according to the method according to the first subject of the invention.
  • the electrically conductive composite prepregs of step i-2) are preferably prepared according to the process according to the first subject of the invention.
  • thermoforming step ii) is conventionally carried out at a temperature greater than or equal to the melting temperature of the thermoplastic polymer resin when it is in semicrystalline form or greater than or equal to its glass transition temperature when the latter is is in amorphous form.
  • thermoplastic polymer resin is in the form amorphous (eg PEI, PI) and is heated to a temperature greater than or equal to its glass transition temperature, it is found in a rubbery state, so it becomes easy to give it a new shape.
  • amorphous eg PEI, PI
  • thermoplastic polymer resin in semi-crystalline form e.g. PPS, PAEK, PA
  • a temperature greater than or equal to its melting temperature is required to perform step ii).
  • step ii) is carried out at a temperature greater than or equal to the highest temperature of the melting and / or glass transition temperatures of the different polymer resins thermoplastics used.
  • thermoplastic polymer resin provides cohesion between the fibers so as to distribute the mechanical stresses.
  • the fibers provide the function of mechanical resistance to forces.
  • the arrangement of the fibers, their orientation, make it possible to reinforce the mechanical properties of the structure.
  • the fibers are as defined in the first subject of the present invention.
  • the fibers of step i-1) are in the form of a fiber fabric, a unidirectional fiber alignment or a fiber mat.
  • the fiber layers are preferably oriented in different directions, for example according to the following successive orientations: 0 °, 45 °, 90 °, -45 °, 0 ° , 45 °, 90 °, -45 °, etc.
  • the electrically conductive composite prepregs are preferably oriented in directions different, for example according to the following successive orientations: 0 °, 45 °, 90 °, -45 °, 0 °, 45 °, 90 °, -45 °, etc ....
  • Step ii) can be carried out at a temperature ranging from about 200 ° C to about 400 ° C.
  • This step ii) can be carried out by heating the pressure stack in a preform to give the final shape of the laminated composite structure or using a conventional hot plate press.
  • Step ii) can last from about 10 minutes to 1 hour, and preferably from about 15 minutes to about 30 minutes.
  • Step ii) can be carried out at a pressure of from about 0.1 MPa to about 2 MPa, and preferably from about 0.3 MPa to about 1.8 MPa.
  • thermoforming step ii does not degrade the electrical properties of the electrically conductive composite film or prepreg used in step i-1) or i-2).
  • the pressure exerted during step ii) makes it possible to incorporate the electrically conductive particles into the fibers in a homogeneous manner.
  • the laminated composite structure may comprise from 2 to 128 plies, and preferably from 4 to 64 plies.
  • the laminated composite structure may have a density of from about 1.58 to about 2, and preferably from about 1.65 to 1.75.
  • the term "electrically conductive laminated composite structure” means a structure having a transverse or volume conductivity greater than or equal to 0.1 S / m, preferably greater than or equal to 10 S / m, and more preferably greater than or equal to 100 S / m.
  • the subject of the invention is a method for manufacturing an electrically conductive laminated composite structure comprising at least one thermoplastic polymer resin, fibers and electrically conductive particles chosen from: a) graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and mixtures thereof; and
  • thermoforming step so as to form a first electrically conductive composite prepreg film
  • thermoplastic polymer resin and the electrically conductive particles are as defined in the first subject of the invention.
  • the first self-supporting electrically conductive composite film of step A) is preferably prepared according to the method according to the first subject of the invention.
  • the second self-supporting electrically conductive composite film of step A) is preferably prepared according to the method according to the first subject of the invention.
  • thermoplastic polymer resin provides cohesion between the fibers so as to distribute the mechanical stresses.
  • the fibers provide the function of mechanical resistance to forces.
  • the fibers are as defined in the first subject of the present invention.
  • the fibers of step A) and / or C) are in the form of a fiber fabric, a unidirectional fiber alignment or a fiber mat.
  • Said first and second self-supporting electrically conductive composite films used in step A) may be identical or different.
  • step B) is carried out at a temperature greater than or equal to the highest temperature of the melting and / or glass transition temperatures of the different thermoplastic polymer resins used.
  • thermoforming step B) can be carried out at a temperature ranging from about 200 ° C. to about 400 ° C.
  • This step B) can be performed using a roller or a press with heated bands.
  • Step B) can be carried out at a pressure ranging from about 0.1 MPa to about 2 MPa, and preferably from about 0.3 MPa to about 1.8 MPa.
  • thermoforming step B) does not degrade the electrical properties of the self-supporting electrically conductive composite film used in step A).
  • Step B) can last from about 10 minutes to 1 hour, and preferably from about 15 minutes to about 30 minutes.
  • the electrically conductive composite prepreg film obtained in step B) or C) may be in the form of a film, a ribbon, or a sheet, continuous or of finite dimensions.
  • the electrically conductive composite prepreg films may be oriented in different directions, for example in the following successive orientations: 0 °, 45 °, 90 °, -45 °, 0 °, 45 °, 90 °, -45 °, etc ....
  • the electrically conductive composite prepreg films are preferably identical.
  • the step E) is carried out at a temperature greater than or equal to the highest temperature of the melting and / or glass transition temperatures of the different polymer resins thermoplastics used.
  • thermoforming step E) can be carried out at a temperature ranging from about 200 ° C. to about 400 ° C.
  • Step E) can be carried out at a pressure ranging from about 0.1 MPa to about 2 MPa, and preferably from about 0.3 MPa to about 1.8 MPa.
  • thermoforming step E) does not degrade the electrical properties of the electrically conductive composite prepreg films prepared in steps B) and C).
  • Step E) can last from about 10 minutes to 1 hour, and preferably from about 15 to 30 minutes.
  • This step E) can be carried out by heating the pressure stack in a preform to give the final shape of the laminated composite structure or using a conventional hot plate press.
  • the electrically conductive composite prepreg films are continuous ribbons which are heated and pressed simultaneously by performing a successive winding of these ribbons around a preform.
  • the method of the invention may further comprise after step E), a step F) of consolidating the laminated composite structure in an autoclave (i.e. oven under pressure).
  • a step F) of consolidating the laminated composite structure in an autoclave i.e. oven under pressure
  • This consolidation step F) corresponds to a heating of the laminated composite structure to a temperature greater than the melting or glass transition temperature of the polymer thermoplastic resin and a given pressure. This step makes it possible to reduce the porosity rate contained in the composite structure.
  • the laminated composite structure may comprise from 2 to 128 plies, and preferably from 4 to 64 plies.
  • the laminated composite structure may have a density of from about 1.58 to about 2, and preferably from about 1.65 to 1.75.
  • the sixth subject of the invention is an electrically conductive laminated composite structure obtained according to the process according to the fourth subject of the invention or obtained by the process according to the fifth subject of the invention, characterized in that it comprises any one following stacks:
  • a stack (first type of stack) of at least one self-supporting electrically conductive composite film according to the second subject of the invention, and at least one layer of fibers, or
  • a stack (second type of stack) of at least two electrically conductive composite prepregs, identical or different, according to the third subject of the invention, or
  • a stack (third type of stack) of at least two identical or different unitary stacks, comprising a first self-supporting electrically conductive composite film according to the second subject of the invention, a layer of fibers, and possibly a second composite film; self-supporting electrically conductive according to the second object of the invention.
  • the self-supporting electrically conductive composite film of the first type of stack and the first and second self-supporting electrically conductive composite films of the third type of stack are preferably prepared according to the method according to the first subject of the invention.
  • the electrically conductive composite prepregs of the second type of stack are preferably prepared according to the method according to the first subject of the invention.
  • the seventh object of the invention is the use of an electrically conductive composite film as obtained in the process according to the first subject of the invention or according to the second subject of the invention for imparting electrical conductivity to a structure composite or composite prepreg, or improve their electrical conductivity.
  • the eighth object of the invention is the use of an electrically conductive laminated composite structure as obtained in the method according to the fourth or fifth subject of the invention, or according to the sixth object of the invention for replacing structures massive metal, especially in the field of aeronautics, or to manufacture support parts or vehicle structures (chassis, plates, etc.).
  • - non-stick backing Upilex ® polyimide sheet, or non-stick metal sheet with Sicomin Cirex S ⁇ 041WB ® release agent,
  • the ultrasonic apparatus used in the examples below is sold under the trade name Vibracell 65115 by Fisherbioblock.
  • a 2861 ml suspension comprising 207.1 g of silver nanowires and ethanol was prepared.
  • the silver nanowires were previously prepared according to a solution growth method from silver nitrate (AgNO 3 ) and polyvinylpyrrolidone (PVP) as described by Sun YG et al., "Crystalline silver nanowires by soft solution processing ",. Nano Letters, 2002. 2 (2): p. 165-168, with a PVP / AgNO 3 ratio of 1.53.
  • the silver nanowires obtained have a length ranging from about 10 to 100 ⁇ m, and a width ranging from about 120 to 400 nm.
  • the suspension of silver nanowires was mixed with 1000 g of Kepstan ® 6003 thermoplastic polymer resin using mechanical stirring (propeller at 100 rpm) and ultrasound at a frequency of 50 kHz and power 25 W per 5 seconds.
  • a homogeneous suspension comprising ethanol, PEKK resin, and silver nanowires was thus obtained.
  • the slurry had a viscosity of about 3 Pa.
  • the suspension was introduced into a reservoir comprising an injection nozzle in its lower part, and was applied to the Upilex ® or Cirex SiO41WB ® release liner using said injection nozzle, and a squeegee at the outlet of said nozzle.
  • a roller for continuously scrolling the release media at the injection nozzle and under the doctor blade was used.
  • the speed of the roll was about 2 cm / second.
  • the slurry layer was then dried at a temperature of about 150 ° C and heat treated in a conventional oven at a temperature of about 350 ° C for about 5 minutes to form an electrically conductive composite film deposited on said release media.
  • Said electrically conductive composite film was then peeled off the release liner to form a self-supporting electrically conductive composite film comprising PEKK and 2.5% by volume of silver nanowires. It had a resistivity of 0.6 ohm / square.
  • Figure 1 is a schematic representation of the device used to perform the method according to the first object of the invention.
  • Said device comprises a roller 1 which makes it possible to continuously scroll a non-stick or fibrous support 2.
  • a homogeneous suspension comprising at least one thermoplastic polymer resin and electrically conductive particles is introduced into a reservoir 3 comprising an injection nozzle 4 in its lower part, and is kept under mechanical stirring.
  • This suspension is applied to the release medium 2 by means of said nozzle 4, and a doctor blade 5 located at the outlet of the nozzle 4 to form a suspension layer 6 deposited on the non-stick support or impregnating the fibrous support.
  • This layer is dried in a dryer 7.
  • the vapor recovery can be carried out using a ventilation and condensation system 8 for the recovery of the solvent.
  • the dried suspension layer is heat-treated in an oven 9 at a temperature greater than or equal to the melting temperature of the resin thermoplastic polymer for forming an electrically conductive composite film or prepreg 10.
  • the device may also comprise a recovery roller 11.
  • FIG. 2 shows the electrically conductive composite film according to the invention and as obtained in this example, by scanning electron microscopy (SEM-FEG) carried out with a microscope equipped with a field emission gun sold under the name commercial JEOL JSM 6700F by the company JEOL.
  • SEM-FEG scanning electron microscopy
  • a laminated composite structure was manufactured by manual preparation of a successive stack of an electrically conductive composite film as obtained in Example 1, a layer of a fiber fabric, an electrically conductive composite film. as obtained in Example 1, and a layer of fibers (ie 2-ply stack: [PEKK film-silver nanowires / fiber fabric layer] 2 ), and by thermoforming the stack at a temperature of 350 ° C. and a pressure of 0.5 MPa for 15 min, using a press sold under the trade name CARVER 4128CE by the company CARVER.
  • the fiber layers are oriented in the 0 ° and 45 ° successive orientations.
  • the laminated composite structure obtained had a density of 1.65 and a conductivity of 200 S / m.
  • a laminated composite structure was manufactured by manual preparation of a 4-ply stack: [PEKK film-silver nanowires / fiber fabric layer] 4 , and by thermoforming the stack at a temperature of 350 ° C and a pressure 0.5 MPa for 15 min using the same press as described above. When stacking 4 folds, the fiber layers are oriented in successive orientations 0 °, 45 °, 0 ° and 45 °.
  • the laminated composite structure obtained had a density of 1.805 and a conductivity of 350 S / m.
  • FIG. 3 shows the laminated composite structure (4-ply stack) according to the invention and as obtained in this example, by scanning electron microscopy (SEM-FEG) carried out with a microscope equipped with a field emission gun sold under the trade name JEOL JSM 6700F by the company JEOL.
  • SEM-FEG scanning electron microscopy
  • a 5800 ml suspension comprising 28.35 g of carbon nanotubes and ethanol was prepared using ultrasound at a frequency of 20 kHz and a power of 500 W by pulsing for 5 seconds for 2 min.
  • the suspension of carbon nanotubes was mixed with 826 g of Kepstan ® 6003 thermoplastic polymer resin using mechanical stirring (100 rpm propeller) and ultrasound at a frequency of 20 kHz and 500 W per 5 seconds draw. A homogeneous suspension comprising ethanol, PEKK resin, and carbon nanotubes was thus obtained. The suspension had a viscosity of about 5 Pa.s.
  • the suspension was introduced into a reservoir comprising an injection nozzle in its lower part, and was applied on the release medium using said injection nozzle, and a doctor blade located at the outlet of said nozzle .
  • a roller for continuously scrolling the release media at the injection nozzle and under the doctor blade was used.
  • the speed of the roll was about 2 cm / second.
  • the slurry layer was then dried at a temperature of about 150 ° C and heat treated in a conventional oven at a temperature of about 350 ° C for about 5 minutes to form an electrically conductive composite film deposited on said release media.
  • the electrically conductive composite film was then peeled off the release liner to form a self-supporting electrically conductive composite film comprising PEKK and 2% by volume of carbon nanotubes. It had a resistivity of 6000 ohm / square.
  • a laminated composite structure was manufactured by manual preparation of a successive stack of an electrically conductive composite film as obtained in Example 3, a layer of a fiber fabric, an electrically conductive composite film. as obtained in Example 3, and a layer of fibers (ie 2-ply stack: [PEKK film-carbon nanotubes / fiber fabric layer] 2 ), and by thermoforming the stack at a temperature of 350 ° C. and a pressure of 0.5 MPa, using the same press as that described in Example 2.
  • the fiber layers are oriented in the 0 ° and 45 ° successive orientations.
  • the laminated composite structure obtained had a density of 1.662 and a conductivity of 0.1 S / m.
  • a self-supporting film of PEKK was prepared according to the method as described in Example 1 using a 2500 ml suspension comprising 1000 g of thermoplastic polymer resin Kepstan ® 6003 and ethanol. The suspension had a viscosity of about 3 Pa.s. The suspension layer was applied to the release medium as described in Example 1, dried at a temperature of about 150 ° C, and heat-treated in a conventional oven at a temperature of about 350 ° C for about 5 minutes.
  • This film does not form part of the invention since it does not comprise electrically conductive particles chosen from: a) graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and mixtures thereof; and b) threadlike metal nanoparticles. It had a resistivity> 1 000 ohm / square.
  • This self-supporting film which is not in accordance with the invention, could also be obtained by shaping under hot press (ie melted) at a temperature of 350 ° C. and at a pressure of 0.5 MPa and using the same press as that described in Example 2.
  • a laminated composite structure was manufactured by manual preparation of a successive stack of a film as obtained in Comparative Example 5, a layer of a fiber fabric, a film as obtained in Comparative Example 5, and a fiber layer (ie 2-ply stack: [PEKK film / fiber fabric layer] 2 ), and by thermoforming the stack at a temperature of 350 ° C and a pressure of 0 , 5 MPa, using the same press as that described in Example 2.
  • the fiber layers are oriented in the 0 ° and 45 ° successive orientations.
  • the laminated composite structure obtained in accordance with the invention had a density of 1.655 and a conductivity of 10-12 S / m.
  • this laminated composite structure not forming part of the invention, has insufficient electrical conductivity and can not not replace a metal structure.
  • a self-supporting film comprising PEKK (thermoplastic polymer resin Kepstan ® 6003) and 15% by volume of carbon black was prepared by press shaping hot (ie melted) using the press as described in Example 2, at a temperature of 350 ° C and a pressure of 10 MPa. It had a resistivity of 200 ohm / square.
  • PEKK thermoplastic polymer resin Kepstan ® 6003
  • This film does not form part of the invention since it does not comprise electrically conductive particles chosen from: a) graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and mixtures thereof; and b) threadlike metal nanoparticles.
  • This same self-supporting film not in accordance with the invention could not be prepared according to a method similar to that described in Example 1 and in the invention (ie by preparing a suspension and then a coating suspension, drying and heat treatment). Indeed, the suspension included too much carbon black to form the suspension layer and said film, and if the amount of carbon black is less than 15% by volume, the conductivity of the film is not sufficient .
  • a laminated composite structure was manufactured by manual preparation of a successive stack of a film as obtained in Comparative Example 7, a layer of a fiber fabric, a film as obtained in Comparative Example 7, and a fiber layer (ie 2-ply stack: [PEKK film-carbon black / fiber fabric layer] 2 ), and by thermoforming the stack at a temperature of 350 ° C. and a pressure 18 MPa, using the same press as that described in Example 2.
  • the fiber layers are oriented in the 0 ° and 45 ° successive orientations.
  • the laminated composite structure obtained in accordance with the invention had a density of 1.703 and a conductivity of 1 S / m. This structure has sufficient electrical conductivity. However, it has proved very fragile and brittle, and therefore does not have adequate mechanical properties to be used.
  • the electrically conductive film according to the invention comprising at least one thermoplastic resin and electrically conductive particles selected from a) graphene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and mixtures thereof; and b) metal nanoparticles, a laminated composite structure with both good electrical properties and good mechanics can be obtained.
  • a suspension of 2800 ml comprising 250 g of silver nanowires in ethanol was prepared as in Example 1.
  • the suspension of silver nanowires was mixed with 1000 g of Fortran ® 0205B4 thermoplastic polymer resin using mechanical stirring (propeller at 100 rpm) and ultrasound at a frequency of 50 kHz and power 25 W per 5 seconds.
  • a homogeneous suspension comprising ethanol, PPS resin, and silver nanowires was thus obtained.
  • the slurry had a viscosity of about 2 Pa.
  • the slurry layer was then dried at a temperature of about 150 ° C and heat treated in a conventional oven at a temperature of about 310 ° C for about 5 minutes to form a film.
  • electrically conductive composite deposited on said release medium.
  • the electrically conductive composite film was then peeled off the release liner to form a self-supporting electrically conductive composite film comprising PPS and 3% by volume silver nanowires. It had a resistivity of 0.9 ohm / square.
  • a laminated composite structure was manufactured by manual preparation of a successive stack of an electrically conductive composite film as obtained in Example 9, a layer of a fiber fabric, an electrically conductive composite film. as obtained in Example 9, and a layer of fibers (ie 2-ply stack: [PPS film-silver nanowires / fiber fabric layer] 2 ), and by thermoforming the stack at a temperature of 310 ° C and a pressure of 0.5 MPa for 15 min, using the same press as that described in Example 2.
  • the fiber layers are oriented in the 0 ° and 45 ° successive orientations.
  • the laminated composite structure obtained had a density of

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Abstract

L'invention est relative à un procédé de préparation d'un film composite électriquement conducteur, notamment sous la forme d'un film autosupporté ou d'un préimprégné, comprenant au moins une résine polymère thermoplastique et des particules électriquement conductrices choisies parmi a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges; et b) les nanoparticules métalliques filiformes; à un procédé de préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice comprenant un tel film composite électriquement conducteur; audit film composite électriquement conducteur, à ladite structure composite stratifiée électriquement conductrice, ainsi qu'à leurs utilisations.

Description

PROCEDE DE PRÉPARATION D'UNE STRUCTURE COMPOSITE STRATIFIÉE ÉLECTRIQUEMENT CONDUCTRICE
L'invention concerne un procédé de préparation d'un film composite électriquement conducteur, notamment sous la forme d'un film autosupporté ou d'un préimprégné, un procédé de préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice comprenant un tel film composite électriquement conducteur, ledit film composite électriquement conducteur, ladite structure composite stratifiée électriquement conductrice, ainsi que leurs utilisations.
La présente invention s'applique typiquement, mais non exclusivement aux domaines de l'automobile, du ferroviaire, de l'aéronautique, de l'aérospatiale (e.g . satellites électroniques), de l'informatique et de l'électronique, dans lesquels des pièces composites électriquement conductrices, et en particulier des structures composites stratifiées électriquement conductrices, sont utilisées en remplacement de pièces métalliques massives.
En effet, de par leur faible poids, leur faible coût de production et leurs propriétés mécaniques ajustables (notamment en termes de flexibilité), ces pièces composites sont de plus en plus utilisées pour fabriquer par exemple, des pièces de support ou des structures de véhicule (châssis, plaques, etc.). A cela s'ajoute d'autres avantages par rapport aux structures métalliques massives tels qu'une meilleure résistance à la fatigue et l'absence de corrosion.
Toutefois, ces pièces composites doivent être suffisamment conductrices (e.g . conductivités supérieures à 0,1 S/m) pour pouvoir remplacer des pièces métalliques. A titre d'exemple, dans le domaine de l'aéronautique, elles doivent être capables d'évacuer la charge électrique, et d'éviter les dommages structuraux liés à la foudre. En effet, l'impact de la foudre sur une ou plusieurs pièces composites d'un avion peut entraîner une dégradation de sa structure, mais également son dysfonctionnement (survoltage au sein des systèmes électriques, étincelage et dégazage au niveau des fixations, étincelage en bords de pièces composites, effets critiques dans les zones carburant).
Les méthodes de fabrication de structures composites stratifiées sont nombreuses et sont mises en œuvre soit à partir de fibres sèches (e.g . fibres seules) et d'une résine polymère sous forme de film ou sous forme liquide, soit à partir de préimprégnés. Les méthodes les plus courantes sont le moulage au sac en autoclave (i.e. marouflage), le moulage par compression, le moulage par transfert de résine (également bien connu sous l'anglicisme « Resin Transfer Molding » ou RTM), et l'infusion d'une résine sous forme de film ou sous forme liquide (également bien connues respectivement sous les anglicismes « Resin Film Infusion » ou RFI, et « Liquid Resin Infusion » ou LRI).
Les structures composites stratifiées sont le plus souvent fabriquées à partir de résines polymères thermodurcissables (e.g. résines époxydes, phénoliques, vinylesters, polyesters, polyimides, etc.). En effet, ces résines se présentent généralement en solution sous forme de polymère non réticulé en suspension dans un solvant. Une fois la réticulation effectuée, ces structures sont résistantes aux solvants et facilement manipulables. Cependant, ces structures composites stratifiées présentent le désavantage d'être peu résistantes aux chocs. Par ailleurs, une fois la polymérisation de la résine polymère thermodurcissable effectuée, les structures composites stratifiées ne sont plus transformables, ce qui empêche leur recyclage et/ou la réparation de certains défauts qui seraient apparus pendant leur fabrication.
Ainsi, l'attention s'est portée vers l'utilisation spécifique de résines polymères thermoplastiques [e.g . polyéthersulfones (PES), polyétherimides (PEI), polyétheréthercétones (PEEK), ou polysulfures de phénylène (PPS)] qui présentent une meilleure résistance aux chocs et une remise en forme possible après fusion . A titre d'exemple, Grouve et al. [Plastics, Rubber and Composites, 2010, 39, 3-5, 208-215] ont décrit la préparation d'une structure composite stratifiée de type [PPS/fibres de verre]n en empilant des empilements unitaires comprenant des couches successives de fibres de verre continues et de films de PPS, séparés par des plaques étamés d'acier ou d'aluminium ou des feuilles de polytétrafluoroéthylène (PTFE), en pressant à chaud l'empilement formé, puis en refroidissant. Toutefois, la structure obtenue n'est pas suffisamment conductrice (e.g . conductivités inférieures à 0, 1 S/m).
Cytec Technology Corp. a mis au point un préimprégné PEEK/fibres de carbone (commercialisé sous la référence APC-2/AS4) sous forme de nappe unidirectionnelle (UD) contenant 60% de fibres de carbone en volume environ. Une nappe unidirectionnelle (parfois appelée ruban) est constituée de fibres de carbone parallèles entre elles orientées dans une seule direction. La cohésion entre les fibres de carbone est assurée par le PEEK. Des structures composites stratifiées peuvent alors être obtenues par empilement de ces nappes UD dans différentes directions, puis consolidation par effet de la température et parfois de la pression. Afin de rendre la structure composite stratifiée suffisamment conductrice, une grille métallique (e.g. de cuivre ou d'aluminium) est incorporée dans ladite structure. Cependant, il est alors nécessaire d'ajouter un matériau isolant tel qu'un pli de fibres de verre, afin d'éviter une corrosion galvanique liée au contact entre les fibres de carbone et la grille métallique.
Cytec Technology Corp. propose également dans la demande internationale WO2013/032620 de préparer une structure composite stratifiée en empilant des préimprégnés sur lesquels peuvent être déposés des feuilles métalliques, mèches, flocons, fibres ou particules d'un matériau métallique choisi parmi l'aluminium, le cuivre, le titane, le nickel et l'acier inoxydable, afin d'améliorer la conductivité électrique de la structure. Cependant, il n'est pas précisé comment sont déposés ces éléments métalliques. En outre, lorsque ces éléments métalliques ne possèdent pas de facteur de forme, ils doivent être introduits en quantités supérieures à 15% en volume, induisant une dégradation des propriétés mécaniques de la structure composite stratifiée.
Le dépôt de particules métalliques se fait généralement par dépôt chimique en phase vapeur ou « Chemical Vapor Déposition » (i.e. CVD), par dépôt physique en phase vapeur ou « Physical Vapor Déposition » (i.e. PVD) ou par dépôt chimique par voie aqueuse. Cependant, ces techniques de dépôt nécessitent un appareillage sophistiqué et onéreux et/ou l'adhérence de la couche métallique sur le préimprégné n'est pas suffisante pour les applications précitées.
Enfin, Boyer et al. [Comptes rendus des JNC, Poitiers 2011, « Comportement mécanique et électrique d'un composite PEEK/fibres de carbone/ 'nanotubes de carbone »] ont décrit une structure composite stratifiée comprenant des couches successives de préimprégnés PEEK/fibres de carbone et de films composites PEEK/nanotubes de carbone (NTC). La présence des couches de film composite PEEK/NTC permet d'améliorer la conductivité électrique transverse de la structure (i.e. dans le sens de son épaisseur ou dans le sens perpendiculaire aux fibres de carbone). Le film composite est préparé par extrusion à chaud d'un mélange de PEEK et de NTC à l'aide d'une extrudeuse bis-vis pour former des granulés, et par mise en forme des granulés sous presse à chaud. En effet, les méthodes de mélange et/ou de mise en forme de mélange d'une résine polymère thermoplastique avec des particules conductrices généralement utilisées pour fabriquer un composite sous forme de film ou de pastille mettent en œuvre la résine polymère thermoplastique à l'état fondu et requièrent donc l'utilisation de très hautes températures (300 à 400°C). Cependant, ces méthodes telles que l'extrusion, l'injection par moulage, le moulage ou le pressage à chaud induisent des coûts de production élevés, et elles ne sont pas adaptées, en particulier lorsque les particules conductrices présentent un facteur de forme élevé (e.g . nanotubes de carbone, fibres de carbone). En effet, le mélange par extrusion entraîne des forces de cisaillement qui cassent lesdites particules, diminuent leur facteur de forme, ainsi la conductivité finale du composite ; et la mise en forme sous presse, par injection par moulage ou par extrusion oriente les particules conductrices de facteur de forme élevée dans le sens de la matière, ce qui diminue la dispersion homogène desdites particules dans le composite, et ainsi sa conductivité finale. En outre, l'augmentation du taux volumique de particules conductrices afin d'améliorer la conductivité dégrade les propriétés mécaniques de la structure.
Ainsi, l'ensemble des techniques existantes propose des structures composites stratifiées qui n'ont pas les propriétés mécaniques et/ou électriques suffisantes pour être utilisées dans les domaines d'application précités.
Ainsi, le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur précité et de fournir un procédé de préparation d'un film composite électriquement conducteur à base de résine polymère thermoplastique et de particules électriquement conductrices, ledit procédé étant économique, facile à mettre en œuvre, pouvant être utilisé avec tout type de résine polymère thermoplastique et permettant de conserver de bonnes propriétés mécaniques.
En outre, un autre but de la présente invention est de mettre au point un procédé de préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice à base de résine polymère thermoplastique, de particules électriquement conductrices, et de fibres longues ou continues, ledit procédé étant économique, facile à mettre en œuvre, et pouvant être utilisé avec tout type de résine polymère thermoplastique et permettant de conserver de bonnes propriétés mécaniques.
Enfin, les autres buts de l'invention sont de fournir un film composite électriquement conducteur à base de résine polymère thermoplastique et de particules électriquement conductrices à facteur de forme élevé, ainsi qu'une structure composite stratifiée électriquement conductrice à base de résine polymère thermoplastique, de particules électriquement conductrices à facteur de forme élevé, et de fibres longues ou continues, présentant une conductivité électrique suffisante pour qu'ils puissent être utilisés dans les applications de pointe précitées.
Ces buts sont atteints par l'invention qui va être décrite ci-après.
L'invention a donc pour premier objet un procédé de préparation d'un film composite électriquement conducteur comprenant au moins une résine polymère thermoplastique et des particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et b) les nanoparticules métalliques filiformes,
ledit film composite électriquement conducteur imprégnant éventuellement des fibres,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
1) une étape de préparation d'une suspension comprenant un solvant et des particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes,
ladite suspension comprenant de 0,06% à 0,5% en volume environ desdites particules électriquement conductrices par rapport au volume total de la suspension,
2) une étape de mélange d'une poudre de résine polymère thermoplastique de granulométrie inférieure ou égale à 50 pm environ avec la suspension préparée à l'étape précédente pour obtenir une suspension homogène, ladite suspension homogène comprenant de 7% à 20% en volume environ de ladite résine polymère thermoplastique par rapport au volume total de la suspension,
3) une étape de dépôt de la suspension homogène de l'étape précédente sur un support antiadhésif ou fibreux,
4) une étape de séchage,
5) une étape de traitement thermique à une température supérieure ou égale à la température de fusion de la résine polymère thermoplastique lorsque celle-ci est sous forme semi-cristalline ou supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse lorsque celle-ci est sous forme amorphe, afin d'obtenir un film composite électriquement conducteur déposé sur ledit support antiadhésif ou imprégnant ledit support fibreux, et 6) une étape de retrait du film composite électriquement conducteur du support lorsque le support est un support antiadhésif.
Dans la présente invention, l'expression « des particules électriquement conductrices choisies parmi : a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et b) les nanoparticules métalliques filiformes, » signifie que les particules électriquement conductrices sont choisies parmi le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, un mélange de deux types de particules précitées, le mélange des trois types de particules précitées et les nanoparticules métalliques filiformes.
Selon la nature du support utilisé dans l'étape 3), le procédé de l'invention peut conduire à un film composite électriquement conducteur sous la forme d'un film composite électriquement conducteur autosupporté ou sous la forme d'un préimprégné composite électriquement conducteur.
En d'autres termes, lorsque le support est un support antiadhésif, le procédé de l'invention comprend l'étape 6) et cette dernière permet de conduire à un film composite électriquement conducteur autosupporté comprenant au moins une résine polymère thermoplastique et de 1% à 10% en volume environ de particules électriquement conductrices par rapport au volume total du film composite électriquement conducteur.
Dans la présente invention, l'expression « support antiadhésif » signifie un support ayant pour fonction de limiter l'adhérence du film composite électriquement conducteur sur ledit support afin de faciliter la séparation et le retrait dudit film composite électriquement conducteur du support antiadhésif lors de l'étape 6) du procédé de l'invention .
Dans un mode de réalisation particulier, le film composite électriquement conducteur autosupporté comprend de 1 à 5% en volume environ de particules électriquement conductrices, et de préférence de 2 à 4% en volume environ de particules électriquement conductrices par rapport au volume total dudit film composite électriquement conducteur autosupporté. L'utilisation de ces petites quantités de particules électriquement conductrices permet de conduire à un film composite électriquement conducteur faiblement chargé autosupporté, tout en conservant ses propriétés mécaniques.
Il convient de noter que l'utilisation d'une quantité de particules électriquement conductrices supérieure à 10% en volume dans le film composite électriquement conducteur autosupporté peut conduire à une dégradation de ses propriétés mécaniques.
Lorsque le support est un support fibreux, l'étape 6) du procédé de l'invention n'est pas présente et l'étape 5) permet de conduire directement à un film composite électriquement conducteur imprégnant ledit support fibreux (i.e. les fibres dudit support fibreux). On obtient donc un préimprégné composite électriquement conducteur comprenant au moins une résine polymère thermoplastique, de 1 à 10% en volume environ de particules électriquement conductrices, et de 10 à 70% en volume environ de fibres, par rapport au volume total du préimprégné composite électriquement conducteur.
Dans un mode de réalisation particulier, le préimprégné composite électriquement conducteur comprend de 1 à 5% en volume environ de particules électriquement conductrices et de 10 à 70% en volume environ de fibres, par rapport au volume total du préimprégné composite électriquement conducteur, et de préférence de 2 à 4% en volume environ de particules électriquement conductrices et de 10 à 70% en volume environ de fibres, par rapport au volume total dudit préimprégné composite électriquement conducteur. L'utilisation de ces petites quantités de particules électriquement conductrices permet de conduire à un préimprégné composite électriquement conducteur faiblement chargé, tout en conservant ses propriétés mécaniques. II convient de noter que l'utilisation d'une quantité de particules électriquement conductrices supérieure à 10% en volume dans le préimprégné composite électriquement conducteur peut conduire à une dégradation de ses propriétés mécaniques.
Ainsi, le procédé de l'invention permet d'obtenir en peu d'étapes un film composite électriquement conducteur (sous la forme d'un film autosupporté ou d'un préimprégné) à base de résine polymère thermoplastique et de particules électriquement conductrices, tout en évitant les procédés tels que ceux décrits dans l'art antérieur qui mettent en œuvre au moins une étape de mélange d'une résine polymère thermoplastique à l'état fondu avec des particules électriquement conductrices. Par ailleurs, le procédé de l'invention évite toute étape de mise en forme qui aurait pour conséquence de dégrader ses propriétés de conduction volumique ou transverse telles que l'extrusion, le pressage à chaud ou le moulage par injection.
Dans la présente invention, l'expression « suspension » signifie une dispersion d'un solide (poudre) insoluble (ou pratiquement insoluble) et finement divisé dans un milieu liquide. C'est donc un système hétérogène constitué d'une phase continue externe liquide (solvant) et d'une phase interne solide.
Le solvant de l'étape 1) peut être choisi parmi les solvants hydrocarbonés tels que les alcanes, les alcènes, le toluène ou le xylène, les solvants oxygénés tels que les alcools, les cétones, les acides, les esters, le diméthylformamide (DMF) ou le diméthylsulfoxyde (DMSO), les solvants chlorés, l'eau, et leurs mélanges.
Le solvant de l'étape 1) est de préférence un solvant que l'on peut aisément évaporer, afin de faciliter le séchage de l'étape 4). Le solvant de l'étape 1) particulièrement préféré est un alcool tel que l'éthanol .
Le solvant de l'étape 1) doit être inerte vis-à-vis des particules électriquement conductrices et de la résine polymère thermoplastique.
Dans un mode de réalisation particulier, le graphène est sous forme de particules dont la taille moyenne varie de 2 environ à 100 nm environ.
Les nanotubes de carbone sont notamment une forme allotropique du carbone appartenant à la famille des fullerènes. Plus particulièrement, les nanotubes de carbone sont des feuillets de graphène enroulés sur eux-mêmes et fermés à leur extrémité par des demi-sphères semblables à des fullerènes. Dans la présente invention, les nanotubes de carbone comprennent aussi bien les nanotubes monoparois ou monofeuillets (en anglais : Single Wall Carbon Nanotubes, SWNT) comprenant un seul feuillet de graphène et les nanotubes multiparois ou multifeuillets (en anglais : Multi Wall Carbon Nanotubes, MWNT) comprenant plusieurs feuillets de graphène emboîtés les uns dans les autres à la manière des poupées russes, ou bien un seul feuillet de graphène enroulé plusieurs fois sur lui-même.
Dans un mode de réalisation particulier, les nanotubes de carbone présentent un diamètre moyen allant de 1 à 50 nm environ. Les nanotubes de carbone peuvent avoir une longueur allant de
1 à 10 pm environ.
Les nanofibres de carbone (ou fibrilles 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 moyen allant généralement de 100 nm à 500 nm environ, voire plus.
Les nanofibres de carbone peuvent avoir une longueur allant de 1 à 10 pm environ. Le métal desdites nanoparticules métalliques filiformes peut être un métal inoxydable, c'est-à-dire qui ne réagit pas avec le dioxygène de l'air pour former une couche dite « de passivation ».
Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, le métal est choisi parmi l'argent, l'or, le platine et le mélange de deux ou trois desdits métaux.
Le métal particulièrement avantageux est l'argent.
Dans la présente invention, l'expression « nanoparticules filiformes » signifie des particules présentant :
- une longueur (Li), s'étendant selon une direction principale d'allongement, - deux dimensions (Di) et (D2), dites dimensions orthogonales, s'étendant selon deux directions transversales orthogonales entre elles et orthogonales à ladite direction principale d'allongement, lesdites dimensions orthogonales (Di, D2) étant inférieures à ladite longueur (U) et inférieures à 500 nm, et,
- deux rapports (Fi) et (F2), dits facteurs de forme, entre ladite longueur (U) et chacune des deux dimensions orthogonales (Di) et (D2), lesdits facteurs de forme (Fi, F2) étant supérieurs à 50.
L'expression « facteur de forme » signifie le rapport entre la longueur (U) d'une nanoparticule filiforme, et l'une des deux dimensions orthogonales (Di, D2) de ladite nanoparticule filiforme.
Selon une forme de réalisation préférée, les deux dimensions orthogonales (Di, D2) d'une nanoparticule filiforme sont le diamètre (D) de sa section droite transversale. On parle alors de « nano-bâtonnet » ou de « nano-fil ».
Une nanoparticule filiforme peut en outre être un « ruban » dans lequel les deux dimensions orthogonales de la nanoparticule filiforme selon l'invention sont sa largeur (L2) (première dimension orthogonale) et son épaisseur (E) (deuxième dimension orthogonale).
Plus particulièrement, des nanoparticules métalliques filiformes selon l'invention sont avantageusement caractérisées par l'une au moins des caractéristiques suivantes :
- les deux dimensions orthogonales (Di, D2) des nanoparticules filiformes sont comprises entre 50 nm et 250 nm environ, et de préférence entre 100 nm et 200 nm ;
- la longueur (U) est comprise entre 1 pm et 150 pm environ, et de préférence entre 25 pm et 70 pm environ ;
- les facteurs de forme (Fi, F2) sont compris entre 100 et 200 environ, et de préférence de l'ordre de 150 environ. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, les particules électriquement conductrices ont un facteur de forme supérieur ou égal à 50, et de préférence supérieur ou égale à 100. De telles particules électriquement conductrices sont choisies parmi :
a') les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leur mélange ; et
b') les nanoparticules métalliques filiformes.
Les nanoparticules métalliques filiformes sont tout particulièrement préférées.
En effet, les inventeurs de la présente demande ont découvert que l'utilisation de quantités volumiques allant de 1 à 10% environ de nanoparticules métalliques filiformes permet d'obtenir un film composite suffisamment conducteur, alors qu'il faut au moins 15 à 20% en volume de particules métalliques sous forme de particules sphériques, de flocons, ou de poudre, pour pouvoir obtenir une conductivité équivalente. Cependant, avec de telles proportions volumiques, une dégradation des propriétés mécaniques est observée.
Les nanoparticules métalliques filiformes de l'invention possèdent deux caractéristiques primordiales pour l'élaboration de films composites électriquement conducteurs faiblement chargés. Leur facteur de forme est élevé (entre 50-200), ce qui permet d'atteindre des seuils de percolation pour de faibles quantités de charge conductrice. De plus, ces nanoparticules filiformes étant métalliques, elles possèdent la conductivité intrinsèque du métal qui les constitue.
La suspension de l'étape 1) peut comprendre en outre des particules métalliques différentes des nanoparticules métalliques filiformes.
Le métal de ces particules métalliques a la même définition que le métal des nanoparticules métalliques filiformes.
Le métal de ces particules métalliques est de préférence identique au métal des nanoparticules métalliques filiformes. Lesdites particules métalliques peuvent être sous la forme de particules métalliques sphériques nanométriques et/ou micrométriques, de poudre ou de flocons.
Selon une forme de réalisation préférée, la suspension de l'étape 1) ne comprend pas de pigment et/ou de colorant. En effet, les pigments (e.g . charges inorganiques) et/ou colorants généralement utilisés peuvent altérer les propriétés mécaniques du film conducteur.
L'étape 1) peut être effectuée à l'aide d'une agitation mécanique et/ou d'ultrasons, notamment à une fréquence allant de 20 kHz à 170 kHz environ, et à une puissance pouvant aller de 5 W à 500 W environ par puise de 5 secondes.
La résine thermoplastique de l'étape 2) peut être choisie parmi les polyaryléthercétones (PAEK) tels que les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polyétheréthercétonecétones (PEEKK), les polyéthercétones (PEK), ou les polyéthercétoneéthercétonecétones (PEKEKK) ; les polysulfures de phénylène (PPS) ; les polyétherimides (PEI) ; les polyéthersulfones (PES) ; les polysulfones (PS) ; les polyamides (PA) tels que le nylon ; les polyimides (PI) ; les polyamide-imides (PAI) ; les polycarbonates (PC) ; les polyfluorures de vinylidène (PVdF) ; les copolymères de polyfluorure de vinylidène et de trifluoroéthylène [P(VdF-TrFE)] ou d'hexafluoropropène [P(VdF-HFP)] ; et leurs mélanges.
La résine thermoplastique de l'étape 2) est de préférence choisie parmi les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polysulfures de phénylène (PPS), et les polyamides (PA).
La résine thermoplastique de l'étape 2) est de préférence une résine thermoplastique non ionique.
En effet, les polymères ioniques conducteurs ont de très mauvaises propriétés mécaniques et ne permettent pas de faire des composites structuraux. Ils sont toujours utilisés sur un support et dans des applications ne nécessitant pas de sollicitation mécanique. En d'autres termes, la résine thermoplastique de l'étape 2) ne comprend pas de préférence de groupes ioniques de type sulfonate (e.g . Nafion®), carboxylate, phosphonate ou sulfonimidure.
La suspension préparée à l'étape 2) peut présenter une viscosité allant de 1 Pa.s à 33 Pa.s environ, et de préférence allant de 1 Pa .s à 10 Pa .s environ à 25°C. Sauf indications contraires, les valeurs de viscosité données dans la présente demande, et en particulier la valeur de viscosité de la suspension, ont été déterminées à 25°C, à une fréquence de cisaillement de 0,5 rad .s"1 et mesurées à l'aide d'un rhéomètre rotatif vendu sous la dénomination commerciale ARES par la société Rheometric Scientific équipé d'une cellule de Couette. La durée de mesure rhéologique correspondant à une déformation allant de 0 à 30% est d'environ 300 secondes.
La viscosité de la suspension de l'étape 2) doit être suffisante pour pouvoir former un film conducteur avec une épaisseur homogène, et elle ne doit pas être trop importante pour pouvoir conduire à un film conducteur.
Au cours de l'étape 2), la viscosité de la suspension peut être ajustée en ajoutant une quantité appropriée d'un solvant identique à celui utilisé lors de l'étape 1).
La suspension de l'étape 2) comprend de préférence de 7% à 12% en volume environ de résine polymère thermoplastique par rapport au volume total de la suspension.
Dans la suspension de l'étape 2), le rapport de la masse de solvant sur la masse de matières solides totales (i.e. masse de résine polymère thermoplastique + masse de particules électriquement conductrices) peut aller de 0,5 à 8, et de préférence de 0,5 à 4 environ.
La résine thermoplastique utilisée dans l'étape 2) n'est pas soluble dans le solvant de l'étape 1).
Sa granulométrie inférieure ou égale à 50 pm environ est requise si l'on souhaite obtenir une dispersion homogène de ladite résine dans le film, notamment lorsque le film présente une épaisseur de l'ordre de 100 pm . Elle présente de préférence une granulométrie inférieure ou égale à 30 pm environ, et de préférence encore inférieure ou égale à 20 pm environ.
L'étape 2) peut être effectuée à l'aide d'une agitation mécanique et/ou d'ultrasons, notamment à une fréquence allant de 20 kHz à 170 kHz environ, et à une puissance pouvant aller de 5 W à 500 W environ par puise de 5 secondes.
Cette étape 2) permet d'éviter l'utilisation de méthodes de mélange par voie fondue de la résine polymère thermoplastique avec les particules électriquement conductrices telles que celles décrites dans l'art antérieur. En effet, comme expliqué ci-dessus, ces méthodes (e.g. extrusion, injection par moulage, moulage à chaud, pressage à chaud, etc..) mettent en œuvre la résine polymère thermoplastique à l'état fondu et induisent des coûts de production élevés, ainsi qu'une dégradation des propriétés électriques des particules électriquement conductrices.
Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la suspension de l'étape 2) est uniquement constituée de la résine polymère thermoplastique, du solvant et des particules électriquement conductrices.
Selon une première variante de l'invention, le dépôt de l'étape 3) peut être réalisé selon les sous-étapes suivantes :
3a) une étape d'introduction de la suspension homogène de l'étape 2) dans un réservoir comprenant une buse d'injection dans sa partie inférieure, et le maintien de la suspension sous agitation mécanique,
3b) une étape d'application de la suspension sur un support antiadhésif ou fibreux, à l'aide de ladite buse d'injection et d'une racle (e.g. lame souple d'acier) située à la sortie de la buse.
Selon cette première variante, l'étape 3b) permet de former une couche de suspension déposée sur le support antiadhésif ou fibreux.
La racle peut être ajustée en hauteur par rapport au support afin de former une couche de suspension plus ou moins épaisse déposée sur ledit support. La couche de suspension peut se présenter sous la forme d'une couche de dimension finie ou d'une couche continue.
Pour former une couche de suspension continue, les étapes 3a) et 3b) peuvent être réalisées simultanément. En outre, l'étape 3b) peut être mise en œuvre à l'aide d'un rouleau permettant de faire défiler en continu le support au niveau de la buse d'injection et sous la racle, à une vitesse donnée.
Lorsque le support est un support fibreux, la couche de suspension vient progressivement imprégner ledit support fibreux.
Selon cette première variante de l'invention, la suspension de l'étape 3a) présente une viscosité allant de préférence de 1 Pa .s à 10 Pa.s environ.
Le support antiadhésif peut être une feuille en polyimide telle que par exemple celle commercialisée sous la référence Upilex®, ou une feuille de métal qui a été rendue antiadhésive par un traitement adapté, notamment à l'aide d'un agent de démoulage tel que par exemple celui commercialisé sous la référence Cirex SÏ041WB® par Sicomin.
Le support fibreux est un support comprenant des fibres longues ou continues.
Dans l'invention, l'expression « fibres longues » signifie des fibres de d'au moins 1 mm de longueur environ.
Les fibres du support fibreux sont de préférence continues.
Les fibres peuvent être choisies parmi les fibres de carbone, les fibres de verre et les fibres d'aramide. Les fibres de carbone sont préférées.
Les fibres peuvent se présenter sous les formes suivantes : linéique
(fils, mèches) ou tissus surfaciques (tissus, mats).
Un tissu est constitué par l'entrecroisement de fils de chaîne et de fils de trame. Un tissu est équilibré si le poids de chaîne est égal au poids de trame. Il est appelé unidirectionnel (i.e. UD) si le poids de chaîne représente plus de 70% du poids total .
A titre d'exemple, les nappes (appelées rubans dans certains cas) sont constituées de fibres parallèles entre elles orientées dans une seule direction. La cohésion transversale est assurée soit par un ruban adhésif disposé suivant un pas déterminé ; soit par un léger tissage, on obtient alors un tissu unidirectionnel dans lequel la masse de fibres dans le sens chaîne représente 98% de la masse totale et les 2% restants assurent la cohésion transversale.
Les tissus les plus courants sont :
- le taffetas (ou toile) dans lequel les fils de chaîne et de trame s'entrecroisent alternativement ;
- le satin : le fil de chaîne flotte au-dessus de plusieurs fils de trame, à titre d'exemple, dans un satin de 5, le fil de chaîne flotte au-dessus de 4 fils de trame ;
- le sergé dans lequel le fil de chaîne flotte au-dessus de un ou plusieurs fils de trame puis passe en dessous de un ou plusieurs fils de trame, la différence avec le satin vient du décalage des points de tissage entre deux mèches consécutives qui ne se touchent jamais pour du satin.
Les tissus sont plus faciles à manipuler que les nappes et offrent des propriétés intéressantes dans deux directions.
Les mats de fibres sont réalisés par des ensembles de fils dont les longueurs sont généralement de l'ordre de 50 mm .
Selon cette première variante, le support fibreux est de préférence un tissu de fibres, un alignement unidirectionnel de fibres ou un mat de fibres.
Selon une deuxième variante de l'invention, le dépôt peut être réalisé selon les sous-étapes suivantes :
3a') une étape d'introduction de la suspension homogène de l'étape 2) dans un réservoir et son maintien sous agitation mécanique,
3b') une étape d'immersion d'un support fibreux dans la suspension. Cette deuxième variante permet de former un support fibreux imprégné de ladite suspension.
Selon cette deuxième variante de l'invention, la suspension de l'étape 3a') présente une viscosité allant de préférence de 5 Pa.s à 10 Pa .s environ.
Le support fibreux est tel que défini précédemment.
Selon cette deuxième variante, le support fibreux est de préférence unidirectionnel.
La durée et la température de séchage utilisées lors de l'étape 4) sont adaptées à la nature de la suspension de l'étape 2) (i.e. type de résine polymère thermoplastique, de solvant, etc.).
Le séchage permet d'évaporer le solvant de l'étape 1).
Il peut être effectué dans une étuve, notamment à une température allant de 25°C à 180°C environ.
L'étape 4) peut durer de 15 min à 15 h environ, et de préférence de
15 min à 1 h environ.
L'étape 4) permet notamment de conduire à un film mince de poudre agglomérée dans laquelle les particules électriquement conductrices sont enchevêtrées dans la poudre de résine polymère thermoplastique. Cette poudre agglomérée comprend un mélange homogène de poudres de particules électriquement conductrices et de résine polymère thermoplastique. Elle ne comprend alors plus de solvant. Cette poudre peut imprégner le support lorsque celui-ci est fibreux.
L'étape 5) peut être réalisée à une température allant de 200°C à 400°C environ.
Cette étape 5) peut être réalisée dans un four conventionnel ou un four à infrarouge.
L'étape 5) peut durer de 5 min à 1 heure environ, et de préférence de 5 à 15 min environ. Sans cette étape 5) de traitement thermique à une température supérieure ou égale à la température de fusion de la résine polymère thermoplastique lorsque celle-ci est sous forme semi-cristalline ou supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse lorsque celle-ci est sous forme amorphe, la fusion n'est pas atteinte et seule une couche sédimentée de particules électriquement conductrices et de résine polymère thermoplastique en poudre est obtenue, conduisant à une couche d'un matériau qui s'effrite et qui ne peut donc pas être utilisée pour fabriquer des structures composites stratifiées.
L'étape 6) peut être réalisée à l'aide d'un rouleau de récupération.
Le film composite électriquement conducteur autosupporté obtenu à l'étape 6) ou le préimprégné composite électriquement conducteur obtenu à l'étape 5) peut être directement utilisé pour la préparation d'une structure composite stratifiée.
Le film composite électriquement conducteur autosupporté peut être sous la forme d'un film, d'un ruban, ou d'une feuille, continu ou de dimensions finies.
Le préimprégné composite électriquement conducteur peut être sous la forme d'un préimprégné, d'un ruban, ou d'une feuille, continu ou de dimensions finies.
L'épaisseur du film composite électriquement conducteur autosupporté peut aller de 10 pm à 150 pm environ, et de préférence de 50 pm à 100 pm environ.
Au-dessous de 10 pm, une conductivité homogène du film composite électriquement conducteur autosupporté n'est pas garantie, et au-dessus de 150 pm le coût de production du film composite électriquement conducteur autosupporté devient élevé.
L'épaisseur du préimprégné composite électriquement conducteur peut aller de 100 pm à 400 pm environ, et de préférence de 150 pm à 200 pm environ. Lorsque la suspension de l'étape 1) comprend en outre des particules métalliques différentes des nanoparticules métalliques filiformes, le film autosupporté obtenu à l'étape 6) ou le préimprégné composite électriquement conducteur obtenu à l'étape 5) peut comprendre de 0,5 % à 10 %, et de préférence de 0,2 % à 4 % environ en volume desdites particules métalliques par rapport au volume total du film autosupporté ou du préimprégné composite électriquement conducteur.
Dans l'invention, l'expression « film autosupporté ou préimprégné composite électriquement conducteur » signifie un film autosupporté ou un préimprégné composite présentant une résistivité de surface strictement inférieure à 10000 ohms/carré, notamment lorsque les particules électriquement conductrices sont des nanotubes de carbone, du graphène, des nanofibres de carbone, ou leurs mélanges, de préférence strictement inférieure à 100 ohms/carré, notamment lorsque les particules électriquement conductrices sont de nanoparticules métalliques filiformes, et de préférence encore strictement inférieure à 10 ohms/carré.
Selon une forme de réalisation particulièrement préférée de l'invention, le support utilisé est un support antiadhésif et les particules électriquement conductrices sont des nanoparticules métalliques filiformes telles que des nanofils d'argent, de manière à obtenir un film composite électriquement conducteur autosupporté comprenant au moins une résine polymère thermoplastique et des nanoparticules métalliques filiformes telles que des nanofils d'argent.
Le film composite électriquement conducteur autosupporté et le préimprégné composite électriquement conducteur obtenus selon le procédé de l'invention ne comprennent pas de préférence de pigment et/ou de colorant. En effet, les pigments et/ou colorants généralement utilisés peuvent altérer leurs propriétés mécaniques.
Le film autosupporté (respectivement le préimprégné) obtenu selon le procédé de l'invention est de préférence sous la forme d'une seule couche homogène. En d'autres termes, le procédé conforme au premier objet de l'invention ne comprend pas de préférence d'étape(s) d'application d'une ou plusieurs couches (e.g. couche polymère ou couche composite) sur l'une des faces dudit film autosupporté (respectivement dudit préimprégné).
L'invention a pour deuxième objet un film composite électriquement conducteur autosupporté obtenu selon le procédé conforme au premier objet, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une résine polymère thermoplastique et de 1% à 10% en volume environ, par rapport au volume total du film composite électriquement conducteur autosupporté, de particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes.
La résine polymère thermoplastique et les particules électriquement conductrices sont telles que définies dans le premier objet de l'invention.
L'invention a pour troisième objet un préimprégné composite électriquement conducteur obtenu selon le procédé conforme au premier objet, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une résine polymère thermoplastique, de 10% à 70% en volume environ de fibres, et de 1% à 10% en volume environ, par rapport au volume total du préimprégné composite électriquement conducteur, de particules électriquement conductrices choisies parmi : a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes.
La résine polymère thermoplastique, les particules électriquement conductrices et les fibres sont telles que définies dans le premier objet de l'invention.
L'invention a pour quatrième objet un procédé de fabrication d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice comprenant au moins une résine polymère thermoplastique, des fibres, et des particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'une des deux étapes suivantes :
i-1) une étape de préparation d'un empilement successif d'au moins un film composite électriquement conducteur autosupporté conforme au deuxième objet de l'invention et d'au moins une couche de fibres, ou
i-2) une étape de préparation d'un empilement d'au moins deux préimprégnés composites électriquement conducteurs, identiques ou différents, conformes au troisième objet de l'invention,
et une étape ii) de thermoformage.
La résine polymère thermoplastique et les particules électriquement conductrices sont telles que définies dans le premier objet de l'invention.
Les au moins deux préimprégnés composites électriquement conducteurs sont de préférence identiques.
Le film composite électriquement conducteur autosupporté de l'étape i-1) est de préférence préparé selon le procédé conforme au premier objet de l'invention.
Les préimprégnés composites électriquement conducteurs de l'étape i-2) sont de préférence préparés selon le procédé conforme au premier objet de l'invention.
L'étape ii) de thermoformage est conventionnellement réalisée à une température supérieure ou égale à la température de fusion de la résine polymère thermoplastique lorsque celle-ci est sous forme semi-cristalline ou supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse lorsque celle-ci est sous forme amorphe.
En effet, lorsque la résine polymère thermoplastique est sous forme amorphe (e.g . PEI, PI) et qu'elle est chauffée à une température supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse, elle se retrouve dans un état caoutchouteux, il devient alors facile de lui donner une nouvelle forme.
En revanche, dans le cas de l'utilisation d'une résine polymère thermoplastique sous forme semi-cristalline (e.g. PPS, PAEK, PA), une température supérieure ou égale à sa température de fusion est requise pour effectuer l'étape ii).
Lorsque les deux préimprégnés composites électriquement conducteurs diffèrent par le type de résine polymère thermoplastique utilisée, l'étape ii) est réalisée à une température supérieure ou égale à la température la plus élevée des températures de fusion et/ou de transition vitreuse des différentes résines polymères thermoplastiques utilisées.
La résine polymère thermoplastique assure la cohésion entre les fibres de manière à répartir les sollicitations mécaniques. Les fibres assurent la fonction de résistance mécanique aux efforts. L'arrangement des fibres, leur orientation, permettent de renforcer les propriétés mécaniques de la structure.
Pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques élastiques, il ne doit y avoir ni glissement, ni séparation entre les différentes phases de la structure.
Les fibres sont telles que définies dans le premier objet de la présente invention.
Dans un mode de réalisation préféré, les fibres de l'étape i-1) se présentent sous la forme d'un tissu de fibres, un alignement unidirectionnel de fibres ou un mat de fibres.
Lors de l'empilement de l'étape i-1), les couches de fibres sont de préférence orientées dans des directions différentes, par exemple selon les orientations successives suivantes : 0°, 45°, 90°, -45°, 0°, 45°, 90°, -45°, etc....
Lors de l'empilement de l'étape i-2), les préimprégnés composites électriquement conducteurs sont de préférence orientés dans des directions différentes, par exemple selon les orientations successives suivantes : 0°, 45°, 90°, -45°, 0°, 45°, 90°, -45°, etc....
L'étape ii) peut être réalisée à une température allant de 200°C à 400°C environ. Cette étape ii) peut être réalisée en chauffant l'empilement sous pression dans une préforme afin de donner la forme finale de la structure composite stratifiée ou à l'aide d'une presse à plateaux chauffants conventionnelle.
L'étape ii) peut durer de 10 min à 1 heure environ, et de préférence de 15 min à 30 min environ.
L'étape ii) peut être réalisée à une pression allant de 0,1 MPa à 2 MPa environ, et de préférence allant de 0,3 MPa à 1,8 MPa environ.
Le procédé conforme à la présente invention et en particulier l'étape de thermoformage ii), ne dégrade pas les propriétés électriques du film ou du préimprégné composite électriquement conducteur utilisé dans l'étape i-1) ou i-2). La pression exercée lors de l'étape ii) permet d'incorporer les particules électriquement conductrices au sein des fibres de façon homogène.
La structure composite stratifiée peut comprendre de 2 à 128 plis, et de préférence de 4 à 64 plis.
La structure composite stratifiée peut avoir une densité allant de 1,58 à 2 environ, et de préférence allant de 1,65 à 1,75 environ.
Dans l'invention, l'expression « structure composite stratifiée électriquement conductrice » signifie une structure présentant une conductivité transverse ou volumique supérieure ou égale à 0,1 S/m, de préférence supérieure ou égale à 10 S/m, et de préférence encore supérieure ou égale à 100 S/m.
L'invention a pour cinquième objet un procédé de fabrication d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice comprenant au moins une résine polymère thermoplastique, des fibres et des particules électriquement conductrices choisies parmi : a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
A) une étape de préparation d'un moins un empilement unitaire, comprenant un premier film composite électriquement conducteur autosupporté conforme au deuxième objet de l'invention, une couche de fibres, et éventuellement un second film composite électriquement conducteur autosupporté conforme au deuxième objet de l'invention,
B) une étape de thermoformage, de manière à former un premier film préimprégné composite électriquement conducteur,
C) la réitération des étapes A) et B), de manière à former au moins un deuxième film préimprégné composite électriquement conducteur,
D) une étape de préparation d'un empilement de plusieurs films préimprégnés composites électriquement conducteurs, identiques ou différents, tels qu'obtenus aux étapes B) et C), et
E) une étape de thermoformage.
La résine polymère thermoplastique et les particules électriquement conductrices sont telles que définies dans le premier objet de l'invention.
Le premier film composite électriquement conducteur autosupporté de l'étape A) est de préférence préparé selon le procédé conforme au premier objet de l'invention.
Le second film composite électriquement conducteur autosupporté de l'étape A) est de préférence préparé selon le procédé conforme au premier objet de l'invention.
La résine polymère thermoplastique assure la cohésion entre les fibres de manière à répartir les sollicitations mécaniques. Les fibres assurent la fonction de résistance mécanique aux efforts. L'arrangement des fibres, leur orientation, permettent de renforcer les propriétés mécaniques de la structure.
Pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques élastiques, il ne doit y avoir ni glissement, ni séparation entre les différentes phases de la structure.
Les fibres sont telles que définies dans le premier objet de la présente invention.
Dans un mode de réalisation préféré, les fibres de l'étape A) et/ou C) se présentent sous la forme d'un tissu de fibres, un alignement unidirectionnel de fibres ou un mat de fibres.
Lesdits premier et second films composites électriquement conducteurs autosupportés utilisés lors de l'étape A) peuvent être identiques ou différents.
Ils sont de préférence identiques.
Lorsque lesdits premier et second films composites électriquement conducteurs autosupportés diffèrent par le type de résine polymère thermoplastique utilisée, l'étape B) est réalisée à une température supérieure ou égale à la température la plus élevée des températures de fusion et/ou de transition vitreuse des différentes résines polymères thermoplastiques utilisées.
L'étape B) de thermoformage peut être réalisée à une température allant de 200°C à 400°C environ. Cette étape B) peut être réalisée à l'aide d'un rouleau ou d'une presse à bandes chauffées.
L'étape B) peut être réalisée à une pression allant de 0,1 MPa à 2 MPa environ, et de préférence allant de 0,3 MPa à 1,8 MPa environ.
L'étape de thermoformage B) ne dégrade pas les propriétés électriques du film composite électriquement conducteur autosupporté utilisé dans l'étape A).
L'étape B) peut durer de 10 min à 1 heure environ, et de préférence de 15 min à 30 min environ. Le film préimprégné composite électriquement conducteur obtenu à l'étape B) ou C) peut être sous la forme d'un film, d'un ruban, ou d'une feuille, continu ou de dimensions finies.
Lors de l'empilement de l'étape D), les films préimprégnés composites électriquement conducteurs peuvent être orientés dans des directions différentes, par exemple selon les orientations successives suivantes : 0°, 45°, 90°, -45°, 0°, 45°, 90°, -45°, etc....
Les films préimprégnés composites électriquement conducteurs sont de préférence identiques.
Lorsque les films préimprégnés composites électriquement conducteurs diffèrent par le type de résine polymère thermoplastique utilisée, l'étape E) est réalisée à une température supérieure ou égale à la température la plus élevée des températures de fusion et/ou de transition vitreuse des différentes résines polymères thermoplastiques utilisées.
L'étape E) de thermoformage peut être réalisée à une température allant de 200°C à 400°C environ.
L'étape E) peut être réalisée à une pression allant de 0,1 MPa à 2 MPa environ, et de préférence allant de 0,3 MPa à 1,8 MPa environ.
L'étape de thermoformage E) ne dégrade pas les propriétés électriques des films préimprégnés composites électriquement conducteurs préparés aux étapes B) et C).
L'étape E) peut durer de 10 min à 1 heure environ, et de préférence de 15 à 30 min environ.
Cette étape E) peut être réalisée en chauffant l'empilement sous pression dans une préforme afin de donner la forme finale de la structure composite stratifiée ou à l'aide d'une presse à plateaux chauffants conventionnelle.
Dans un mode de réalisation particulier, les films préimprégnés composites électriquement conducteurs sont des rubans continus qui sont chauffés et pressés simultanément en effectuant un enroulement successif de ces rubans autour d'une préforme.
Le procédé de l'invention peut comprendre en outre après l'étape E), une étape F) de consolidation de la structure composite stratifiée dans un autoclave (i.e. étuve sous pression).
Cette étape F) de consolidation correspond à une chauffe de la structure composite stratifiée à une température supérieure à la température de fusion ou de transition vitreuse de la résine thermoplastique polymère et une pression donnée. Cette étape permet de diminuer le taux de porosité contenu dans la structure composite.
La structure composite stratifiée peut comprendre de 2 à 128 plis, et de préférence de 4 à 64 plis.
La structure composite stratifiée peut avoir une densité allant de 1,58 à 2 environ, et de préférence allant de 1,65 à 1,75 environ.
L'invention a pour sixième objet une structure composite stratifiée électriquement conductrice obtenue selon le procédé conforme au quatrième objet de l'invention ou obtenue selon le procédé conforme au cinquième objet de l'invention, caractérisée en ce qu'elle comprend l'un quelconque des empilements suivants :
- un empilement (premier type d'empilement) successif d'au moins un film composite électriquement conducteur autosupporté conforme au deuxième objet de l'invention, et d'au moins une couche de fibres, ou
- un empilement (deuxième type d'empilement) d'au moins deux préimprégnés composites électriquement conducteurs, identiques ou différents, conformes au troisième objet de l'invention, ou
- un empilement (troisième type d'empilement) d'au moins deux empilements unitaires, identiques ou différents, comprenant un premier film composite électriquement conducteur autosupporté conforme au deuxième objet de l'invention, une couche de fibres, et éventuellement un second film composite électriquement conducteur autosupporté conforme au deuxième objet de l'invention.
Le film composite électriquement conducteur autosupporté du premier type d'empilement et le premier et le second films composites électriquement conducteurs autosupportés du troisième type d'empilement sont de préférence préparés selon le procédé conforme au premier objet de l'invention.
Les préimprégnés composites électriquement conducteurs du deuxième type d'empilement sont de préférence préparés selon le procédé conforme au premier objet de l'invention.
L'invention a pour septième objet l'utilisation d'un film composite électriquement conducteur tel qu'obtenu dans le procédé conforme au premier objet de l'invention ou conforme au deuxième objet de l'invention pour conférer de la conductivité électrique à une structure composite ou à un préimprégné composite, ou améliorer leur conductivité électrique.
L'invention a pour huitième objet l'utilisation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice telle qu'obtenue dans le procédé conforme au quatrième ou au cinquième objet de l'invention, ou conforme au sixième objet de l'invention pour remplacer des structures massives métalliques, notamment dans le domaine de l'aéronautique, ou pour fabriquer des pièces de support ou des structures de véhicule (châssis, plaques, etc.).
La présente invention est illustrée par les exemples ci-après, auxquels elle n'est cependant pas limitée.
EXEMPLES
Les matières premières utilisées dans les exemples, sont listées ci-après :
- résine polyéthercétonecétone (PEKK), Kepstan® 6003, Arkema, poudre de granulométrie de 20 pm environ, Arkema,
- résine polysulfure de phénylène (PPS) : Fortran® 0205B4, poudre de granulométrie de 20 pm environ, Celanese,
- Ethanol, pureté 99,8%, Sigma Aldrich, - nanotubes de carbone multiparois (en anglais : Multi Wall Carbon Nanotubes, MWNT GRAPHISTRENGTH), Graphistrength C100®, Arkema,
- noir de carbone, Sigma Aldrich, < 500 nm,
- tissus de fibres de carbone, Hexforce G0904 D1070 TCT, 193 g/m2, Taffetas d'Hexcel,
- support antiadhésif : feuille en polyimide Upilex®, ou feuille de métal rendue antiadhésive à l'aide d'un agent de démoulage Cirex SÏ041WB® de Sicomin,
Sauf indications contraires, toutes ces matières premières ont été utilisées telles que reçues des fabricants.
L'appareil à ultrasons utilisé dans les exemples ci-après est vendu sous la dénomination commerciale Vibracell 65115 par Fisherbioblock.
EXEMPLE 1
Préparation d'un film composite électriquement conducteur conforme à l'invention et préparée selon le procédé conforme à l'invention
Une suspension de 2861 ml comprenant 207,1 g de nanofils d'argent et de l'éthanol a été préparée. Les nanofils d'argent ont été préalablement préparés selon un procédé de croissance en solution à partir de nitrate d'argent (AgN03) et de polyvinylpyrrolidone (PVP) tel que décrit par Sun Y. G. et al., « Crystalline silver nanowires by soft solution processing »,. Nano Letters, 2002. 2(2) : p. 165-168, avec un ratio PVP/AgN03 de 1,53. Les nanofils d'argent obtenus présentent une longueur allant de 10 à 100 pm environ, et une largeur allant de 120 à 400 nm environ.
La suspension de nanofils d'argent a été mélangée avec 1000 g de résine polymère thermoplastique Kepstan® 6003 à l'aide d'une agitation mécanique (hélice à 100 tours par minute) et d'ultrasons à une fréquence de 50 kHz et une puissance de 25 W par puise de 5 secondes. Une suspension homogène comprenant l'éthanol, la résine PEKK, et les nanofils d'argent a ainsi été obtenue. La suspension présentait une viscosité de 3 Pa .s environ. La suspension a été introduite dans un réservoir comprenant une buse d'injection dans sa partie inférieure, et a été appliquée sur le support antiadhésif Upilex® ou Cirex SÏ041WB® à l'aide de ladite buse d'injection, et d'une racle située à la sortie de ladite buse.
Pour former une couche de suspension continue, un rouleau permettant de faire défiler en continu le support antiadhésif au niveau de la buse d'injection et sous la racle, a été utilisé. La vitesse du rouleau était de 2 cm/seconde environ.
La couche de suspension a ensuite été séchée à une température de 150°C environ et traitée thermiquement dans un four conventionnel à une température de 350°C environ pendant 5 minutes environ pour former un film composite électriquement conducteur déposé sur ledit support antiadhésif. Ledit film composite électriquement conducteur a ensuite été décollé du support antiadhésif pour former un film composite électriquement conducteur autosupporté comprenant du PEKK et 2,5 % en volume de nanofils d'argent. Il présentait une résistivité de 0,6 ohm/carré.
La figure 1 est une représentation schématique du dispositif utilisé pour réaliser le procédé conforme au premier objet de l'invention.
Ledit dispositif comprend un rouleau 1 qui permet de faire défiler en continu un support antiadhésif ou fibreux 2. Une suspension homogène comprenant au moins une résine polymère thermoplastique et des particules électriquement conductrices est introduite dans un réservoir 3 comprenant une buse d'injection 4 dans sa partie inférieure, et est maintenue sous agitation mécanique. Cette suspension est appliquée sur le support antiadhésif 2 à l'aide de ladite buse 4, et d'une racle 5 située à la sortie de la buse 4 pour former une couche de suspension 6 déposée sur le support antiadhésif ou imprégnant le support fibreux. Cette couche est séchée dans un séchoir 7. La récupération des vapeurs peut être réalisée à l'aide d'un système 8 de ventilation et de condensation pour la récupération du solvant. Puis la couche de suspension séchée est traitée thermiquement dans un four 9 à une température supérieure ou égale à la température de fusion de la résine polymère thermoplastique pour former un film ou préimprégné composite électriquement conducteur 10. Le dispositif peut comprendre également un rouleau de récupération 11.
La figure 2 montre le film composite électriquement conducteur conforme à l'invention et tel qu'obtenu dans cet exemple, par microscopie électronique à balayage (MEB-FEG) réalisée avec un microscope équipé d'un canon à émission de champ vendu sous la dénomination commerciale JEOL JSM 6700F par la société JEOL.
EXEMPLE 2
Préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice conforme à l'invention et préparée selon le procédé conforme à l'invention
Une structure composite stratifiée a été fabriquée par préparation manuelle d'un empilement successif d'un film composite électriquement conducteur tel qu'obtenu dans l'exemple 1, d'une couche d'un tissu de fibres, d'un film composite électriquement conducteur tel qu'obtenu dans l'exemple 1, et d'une couche de fibres (i.e. empilement 2 plis : [film PEKK-nanofils d'argent/couche tissu de fibres]2), et par thermoformage de l'empilement à une température de 350°C et une pression de 0,5 MPa pendant 15 min, en utilisant une presse vendue sous la dénomination commerciale CARVER 4128CE par la société CARVER.
Lors de l'empilement 2 plis, les couches de fibres sont orientées selon les orientations successives 0° et 45°.
La structure composite stratifiée obtenue présentait une densité de 1,65 et une conductivité de 200 S/m .
Une structure composite stratifiée a été fabriquée par préparation manuelle d'un empilement 4 plis : [film PEKK-nanofils d'argent/couche tissu de fibres]4, et par thermoformage de l'empilement à une température de 350°C et une pression de 0,5 MPa pendant 15 min en utilisant la même presse que celle décrite ci-dessus. Lors de l'empilement 4 plis, les couches de fibres sont orientées selon les orientations successives 0°, 45°, 0° et 45°.
La structure composite stratifiée obtenue présentait une densité de 1,805 et une conductivité de 350 S/m .
La figure 3 montre la structure composite stratifiée (empilement 4 plis) conforme à l'invention et telle qu'obtenue dans cet exemple, par microscopie électronique à balayage (MEB-FEG) réalisée avec un microscope équipé d'un canon à émission de champ vendu sous la dénomination commerciale JEOL JSM 6700Fpar la société JEOL.
EXEMPLE 3
Préparation d'un film composite électriquement conducteur conforme à l'invention et préparée selon le procédé conforme à l'invention
Une suspension de 5800 ml comprenant 28,35 g de nanotubes de carbone et de l'éthanol a été préparée à l'aide d'ultrasons à une fréquence de 20 kHz et une puissance de 500 W par puise de 5 secondes pendant 2 min.
La suspension de nanotubes de carbone a été mélangée avec 826 g de résine polymère thermoplastique Kepstan® 6003 à l'aide d'une agitation mécanique (hélice à 100 tours par minute) et d'ultrasons à une fréquence de 20 kHz et une puissance de 500 W par puise de 5 secondes. Une suspension homogène comprenant l'éthanol, la résine PEKK, et les nanotubes de carbone a ainsi été obtenue. La suspension présentait une viscosité de 5 Pa.s environ.
La suspension a été introduite dans un réservoir comprenant une buse d'injection dans sa partie inférieure, et a été appliquée sur le support antiadhésif à l'aide de ladite buse d'injection, et d'une racle située à la sortie de ladite buse.
Pour former une couche de suspension continue, un rouleau permettant de faire défiler en continu le support antiadhésif au niveau de la buse d'injection et sous la racle, a été utilisé. La vitesse du rouleau était de 2 cm/seconde environ. La couche de suspension a ensuite été séchée à une température de 150°C environ et traitée thermiquement dans un four conventionnel à une température de 350°C environ pendant 5 minutes environ pour former un film composite électriquement conducteur déposé sur ledit support antiadhésif.
Ledit film composite électriquement conducteur a ensuite été décollé du support antiadhésif pour former un film composite électriquement conducteur autosupporté comprenant du PEKK et 2 % en volume de nanotubes de carbone. Il présentait une résistivité de 6000 ohm/carré.
EXEMPLE 4
Préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice conforme à l'invention et préparée selon le procédé conforme à l'invention
Une structure composite stratifiée a été fabriquée par préparation manuelle d'un empilement successif d'un film composite électriquement conducteur tel qu'obtenu dans l'exemple 3, d'une couche d'un tissu de fibres, d'un film composite électriquement conducteur tel qu'obtenu dans l'exemple 3, et d'une couche de fibres (i.e. empilement 2 plis : [film PEKK-nanotubes de carbone/couche tissu de fibres]2), et par thermoformage de l'empilement à une température de 350°C et une pression de 0,5 MPa, en utilisant la même presse que celle décrite dans l'exemple 2.
Lors de l'empilement 2 plis, les couches de fibres sont orientées selon les orientations successives 0° et 45°.
La structure composite stratifiée obtenue présentait une densité de 1,662 et une conductivité de 0, 1 S/m.
EXEMPLE 5 COMPARATIF
Préparation d'un film composite électriquement conducteur non conforme à l'invention
Un film autosupporté de PEKK a été préparé selon le procédé tel que décrit dans l'exemple 1 en utilisant une suspension de 2500 ml comprenant 1000 g de résine polymère thermoplastique Kepstan® 6003 et de l'éthanol . La suspension présentait une viscosité de 3 Pa.s environ. La couche de suspension a été appliquée sur le support antiadhésif comme décrit dans l'exemple 1, séchée à une température de 150°C environ, et traitée thermiquement dans un four conventionnel à une température de 350°C environ pendant 5 minutes environ.
Ce film ne fait pas partie de l'invention puisqu'il ne comprend pas de particules électriquement conductrices choisies parmi : a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et b) les nanoparticules métalliques filiformes. Il présentait une résistivité > 1000000 ohm/carré.
Ce film autosupporté non conforme à l'invention a pu également être obtenu par mise en forme sous presse à chaud (i.e. voie fondue) à une température de 350°C et à une pression de 0,5 MPa et en utilisant la même presse que celle décrite dans l'exemple 2.
EXEMPLE 6 COMPARATIF
Préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice non conforme à l'invention
Une structure composite stratifiée a été fabriquée par préparation manuelle d'un empilement successif d'un film tel qu'obtenu dans l'exemple 5 comparatif, d'une couche d'un tissu de fibres, d'un film tel qu'obtenu dans l'exemple 5 comparatif, et d'une couche de fibres (i.e. empilement 2 plis : [film PEKK/couche tissu de fibres]2), et par thermoformage de l'empilement à une température de 350°C et une pression de 0,5 MPa, en utilisant la même presse que celle décrite dans l'exemple 2.
Lors de l'empilement 2 plis, les couches de fibres sont orientées selon les orientations successives 0° et 45°.
La structure composite stratifiée obtenue non conforme à l'invention présentait une densité de 1,655 et une conductivité de 10"12 S/m .
Ainsi, cette structure composite stratifiée, ne faisant pas partie de l'invention, présente une conductivité électrique insuffisante et ne peut donc pas remplacer une structure métallique.
EXEMPLE 7 COMPARATIF
Préparation d'un film composite électriquement conducteur non conforme à l'invention Un film autosupporté comprenant du PEKK (résine polymère thermoplastique Kepstan® 6003) et 15% en volume de noir de carbone a été préparé par mise en forme sous presse à chaud (i.e. voie fondue) en utilisant la presse telle que décrite dans l'exemple 2, à une température de 350°C et à une pression de 10 MPa . Il présentait une résistivité de 200 ohm/carré.
Ce film ne fait pas partie de l'invention puisqu'il ne comprend pas de particules électriquement conductrices choisies parmi : a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et b) les nanoparticules métalliques filiformes.
Ce même film autosupporté non conforme à l'invention n'a pas pu être préparé selon un procédé similaire à celui tel que décrit dans l'exemple 1 et dans l'invention (i.e. par préparation d'une suspension, puis d'une couche de suspension, séchage et traitement thermique). En effet, la suspension comprenait une quantité trop importante de noir de carbone pour pouvoir former la couche de suspension puis ledit film, et si la quantité de noir de carbone est inférieure à 15% en volume, la conductivité du film n'est pas suffisante.
EXEMPLE 8 COMPARATIF
Préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice non conforme à l'invention
Une structure composite stratifiée a été fabriquée par préparation manuelle d'un empilement successif d'un film tel qu'obtenu dans l'exemple 7 comparatif, d'une couche d'un tissu de fibres, d'un film tel qu'obtenu dans l'exemple 7 comparatif, et d'une couche de fibres (i.e. empilement 2 plis : [film PEKK-noir de carbone/couche tissu de fibres]2), et par thermoformage de l'empilement à une température de 350°C et une pression de 18 MPa, en utilisant la même presse que celle décrite dans l'exemple 2.
Lors de l'empilement 2 plis, les couches de fibres sont orientées selon les orientations successives 0° et 45°.
La structure composite stratifiée obtenue non conforme à l'invention présentait une densité de 1,703 et une conductivité de 1 S/m . Cette structure présente une conductivité électrique suffisante. Toutefois, elle s'est révélée très fragile et cassante, et ne présente donc pas des propriétés mécaniques adéquates pour pouvoir être utilisée.
En conclusion, grâce au film électriquement conducteur conforme à l'invention comprenant au moins une résine thermoplastique et des particules électriquement conductrices choisies parmi a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et b) les nanoparticules métalliques, une structure composite stratifiée avec à la fois de bonnes propriétés électriques et de bonnes mécaniques peut être obtenue.
EXEMPLE 9
Préparation d'un film composite électriquement conducteur conforme à l'invention et préparée selon le procédé conforme à l'invention
Une suspension de 2800 ml comprenant 250 g de nanofils d'argent dans de l'éthanol a été préparée comme dans l'exemple 1.
La suspension de nanofils d'argent a été mélangée avec 1000 g de résine polymère thermoplastique Fortran® 0205B4 à l'aide d'une agitation mécanique (hélice à 100 tours par minute) et d'ultrasons à une fréquence de 50 kHz et une puissance de 25 W par puise de 5 secondes. Une suspension homogène comprenant l'éthanol, la résine PPS, et les nanofils d'argent a ainsi été obtenue. La suspension présentait une viscosité de 2 Pa .s environ.
La suspension a été appliquée sur le support antiadhésif Upilex® ou Cirex SÏ041WB® comme dans l'exemple 1.
La couche de suspension a ensuite été séchée à une température de 150°C environ et traitée thermiquement dans un four conventionnel à une température de 310°C environ pendant 5 minutes environ pour former un film composite électriquement conducteur déposé sur ledit support antiadhésif. Ledit film composite électriquement conducteur a ensuite été décollé du support antiadhésif pour former un film composite électriquement conducteur autosupporté comprenant du PPS et 3% en volume de nanofils d'argent. Il présentait une résistivité de 0,9 ohm/carré.
EXEMPLE 10
Préparation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice conforme à l'invention et préparée selon le procédé conforme à l'invention
Une structure composite stratifiée a été fabriquée par préparation manuelle d'un empilement successif d'un film composite électriquement conducteur tel qu'obtenu dans l'exemple 9, d'une couche d'un tissu de fibres, d'un film composite électriquement conducteur tel qu'obtenu dans l'exemple 9, et d'une couche de fibres (i.e. empilement 2 plis : [film PPS-nanofils d'argent/couche tissu de fibres]2), et par thermoformage de l'empilement à une température de 310°C et une pression de 0,5 MPa pendant 15 min, en utilisant la même presse que celle décrite dans l'exemple 2.
Lors de l'empilement 2 plis, les couches de fibres sont orientées selon les orientations successives 0° et 45°.
La structure composite stratifiée obtenue présentait une densité de
1,68 et une conductivité de 30 S/m .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de préparation d'un film composite électriquement conducteur comprenant au moins une résine polymère thermoplastique et des particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes,
ledit film composite électriquement conducteur imprégnant éventuellement des fibres,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
1) une étape de préparation d'une suspension comprenant un solvant et des particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes,
ladite suspension comprenant de 0,06% à 0,5% en volume desdites particules électriquement conductrices par rapport au volume total de la suspension, 2) une étape de mélange d'une poudre de résine polymère thermoplastique de granulométrie inférieure ou égale à 50 pm avec la suspension préparée à l'étape précédente pour obtenir une suspension homogène, ladite suspension homogène comprenant de 7% à 20% en volume de ladite résine polymère thermoplastique par rapport au volume total de la suspension,
3) une étape de dépôt de la suspension homogène de l'étape précédente sur un support antiadhésif ou fibreux,
4) une étape de séchage, 5) une étape de traitement thermique à une température supérieure ou égale à la température de fusion de la résine polymère thermoplastique lorsque celle-ci est sous forme semi-cristalline ou supérieure ou égale à sa température de transition vitreuse lorsque celle-ci est sous forme amorphe, afin d'obtenir un film composite électriquement conducteur déposé sur ledit support antiadhésif ou imprégnant ledit support fibreux, et
6) une étape de retrait du film composite électriquement conducteur du support lorsque le support est un support antiadhésif, et en ce que :
* lorsque le support est un support antiadhésif, ledit film composite électriquement conducteur est un film autosupporté comprenant au moins une résine polymère thermoplastique et de 1% à 10% en volume de particules électriquement conductrices par rapport au volume total du film composite électriquement conducteur, et
* lorsque le support est un support fibreux, ledit film composite électriquement conducteur est un préimprégné comprenant au moins une résine polymère thermoplastique, de 1 à 10% en volume de particules électriquement conductrices, et de 10 à 70% en volume de fibres, par rapport au volume total du préimprégné composite électriquement conducteur.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le solvant de l'étape 1) est choisi parmi les solvants hydrocarbonés, les solvants oxygénés, les solvants chlorés, l'eau, et leurs mélanges.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les particules électriquement conductrices sont des nanoparticules métalliques filiformes.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résine thermoplastique de l'étape 2) est choisie parmi les polyaryléthercétones (PAEK) tels que les polyétheréthercétones (PEEK), les polyéthercétonecétones (PEKK), les polyétheréthercétonecétones (PEEKK), les polyéthercétones (PEK), ou les polyéthercétoneéthercétonecétones (PEKEKK) ; les polysulfures de phénylène (PPS) ; les polyétherimides (PEI) ; les polyéthersulfones (PES) ; les polysulfones (PS) ; les polyamides (PA) tels que le nylon ; les polyimides (PI) ; les polyamide-imides (PAI) ; les polycarbonates (PC) ; les polyfluorures de vinylidène (PVdF) ; les copolymères de polyfluorure de vinylidène et de trifluoroéthylène [P(VdF-TrFE)] ou d'hexafluoropropène [P(VdF-HFP)] ; et leurs mélanges.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la suspension préparée à l'étape 2) présente une viscosité allant de 1 Pa.s à 33 Pa.s.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape 5) est réalisée à une température allant de 200°C à 400°C.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape 3) est réalisée selon les sous-étapes suivantes :
3a) une étape d'introduction de la suspension homogène de l'étape 2) dans un réservoir comprenant une buse d'injection dans sa partie inférieure, et le maintien de la suspension sous agitation mécanique,
3b) une étape d'application de la suspension sur un support antiadhésif ou fibreux, à l'aide de ladite buse d'injection et d'une racle située à la sortie de la buse.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape 3) est réalisée selon les sous-étapes suivantes :
3a') une étape d'introduction de la suspension homogène de l'étape 2) dans un réservoir et son maintien sous agitation mécanique,
3b') une étape d'immersion d'un support fibreux dans la suspension.
9. Film composite électriquement conducteur autosupporté obtenu selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une résine polymère thermoplastique et de 1% à 10% en volume, par rapport au volume total du film composite électriquement conducteur autosupporté, de particules électriquement conductrices choisies parmi : a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes.
10. Préimprégné composite électriquement conducteur obtenu selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une résine polymère thermoplastique, de 10% à 70% en volume de fibres, et de 1% à 10% en volume, par rapport au volume total du préimprégné composite électriquement conducteur, de particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes.
11. Procédé de fabrication d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice comprenant au moins une résine polymère thermoplastique, des fibres, et des particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend l'une des deux étapes suivantes :
i-1) une étape de préparation d'un empilement successif d'au moins un film composite électriquement conducteur autosupporté tel que défini à la revendication 9, et d'au moins une couche de fibres, ou
i-2) une étape de préparation d'un empilement d'au moins deux préimprégnés composites électriquement conducteurs, identiques ou différents, tels que définis à la revendication 10,
et une étape ii) de thermoformage.
12. Procédé de fabrication d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice comprenant au moins une résine polymère thermoplastique, des fibres, et des particules électriquement conductrices choisies parmi :
a) le graphène, les nanotubes de carbone, les nanofibres de carbone, et leurs mélanges ; et
b) les nanoparticules métalliques filiformes,
ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
A) une étape de préparation d'au moins un empilement unitaire, comprenant un premier film composite électriquement conducteur autosupporté tel que défini à la revendication 9, une couche de fibres, et éventuellement un second film composite électriquement conducteur autosupporté tel que défini à la revendication 9,
B) une étape de thermoformage, de manière à former un premier film préimprégné composite électriquement conducteur,
C) la réitération des étapes A) et B), de manière à former au moins un deuxième film préimprégné composite électriquement conducteur,
D) une étape de préparation d'un empilement de plusieurs films préimprégnés composites électriquement conducteurs, identiques ou différents, tels qu'obtenus aux étapes B) et C), et
E) une étape de thermoformage.
13. Structure composite stratifiée électriquement conductrice obtenue selon le procédé tel que défini à la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle comprend l'un quelconque des empilements suivants :
- un empilement successif d'au moins un film composite électriquement conducteur autosupporté tel que défini à la revendication 9, et d'au moins une couche de fibres, ou
- un empilement d'au moins deux préimprégnés composites électriquement conducteurs, identiques ou différents, tels que définis à la revendication 10, ou
- un empilement d'au moins deux empilements unitaires, identiques ou différents, comprenant un premier film composite électriquement conducteur autosupporté tel que défini à la revendication 9, une couche de fibres, et éventuellement un second film composite électriquement conducteur autosupporté tel que défini à la revendication 9.
14. Utilisation d'un film composite électriquement conducteur obtenu selon le procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou tel que défini à la revendication 9, pour conférer de la conductivité électrique à une structure composite ou à un préimprégné composite, ou améliorer leur conductivité électrique.
15. Utilisation d'une structure composite stratifiée électriquement conductrice obtenue selon le procédé tel que défini à la revendication 11 ou 12 ou telle que définie à la revendication 13, pour remplacer des structures massives métalliques ou pour fabriquer des pièces de support ou des structures de véhicule.
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