Brevet FR2023633A1 — publié le 19700821

La présente invention se rapporte d'une façon géné rale aux procédés de manipulation de filaments et elle concerne plus particulièrement la production d'assemblages orientés de fibres coupées. Les fibres coupées que lton se propose d'utiliser,à titre de renòrcement, pour ltimprégnation des matières plastiques ou d'autres produits, peuvent parfois eAtre disposées de façon désordonnée ou semi-désordonnée mais, pour de nombreux usages, il peut être souhaitable d'orienter la majeure partie des filaments dans une direction particulière. Ainsiwpar exemple,quand on utilise des fibres coupées produites à partir de filaments de carbone en qualité de matières de renforcement dans des produits composites en ma. tières plastiques, il est hautement recommandé que les filaments soient en majeure partie orientés dans la même direction, et c'est ce mode d'application qui sera principalement étudié dans la présente invention. On comprend toutefois que l'invention demeure applicable à chaque fois qu'il est nécessaire de réaliser un assemblage de fibres coupées à orientation unidirectionnelle Selon l'invention, un procédé de production d'un assemblage de fibres coupées et orientées est caractérisé en ce qu'il consiste à amener une dispersion de fibres coupées dans un milieu liquide, sous un débit qui établit des conditions d'écoulement laminaire, sur une surface perforée à travers laquelle le liquide peut passer mais sur laquelle les fibres coupées sont retenues, de telle sorte que les fibres coupées reposent sur la surface perforée à peu près perpendiculairement au sens de l'écoulement de la dispersion. L'invention est basée sur la découverte selon laquelle lorsque les fibres en longueurs de coupe entraînées dans un liquide possédant des caractéristiques d'écoulement laminaire viennent heurter une surface perforée, elles tendent à s'aligner dans une direction perpendiculaire au sens de ltécoulement. On peut préparer une dispersion de fibres coupées pour utilisation dans le présent procédé,par exemple en introduisant les fibres coupées dans un courant de liquide turbulent qui est de préférence l'eau mais qui pourrait être tout autre liquide inerte vis-à-vis de la matière dont les fibres sont formées.Après dispersion des fibres dans le liquide, on règle les conditions d'écoulement de manière que la turbulence starrete~et on peut alors diriger la dispersion de fibres, en un courant laminaire, à travers une conduite, ou encore par-dessus un déversoir ou une série de déversoirs Parmi les fibres coupées que l'on peut utiliser dans le procédé selon l'invention, on mentionnera les fibres naturelles, par exemple en coton, en lin ou en laine et les fibres artificielles comme par exemple les fibres de rayonne de viscose, d'un acétate, de nylon d'un polyester ou d'une résine polyacrylique. Suivant un mode de.mise en oeuvre préféré de l'invention, la matière d'alimentation est une dispersion de filaments de carbone en longueurs de coupe provenant, de préf é rence, d'un traitement à température élevée de fibres artificielles composées en totalité ou en majeure partie de polyacrylonitrile. Si les fibres ne sont pas facilement mouillables par le liquide de dispersion, il peut être avantageux d'incorporer un agent mouillant. Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention,on peut envoyer une dispersion de fibres de carbone dans l'eau à travers- une conduite de manière que la dispersion puisse arriver sur une surface perforée, qui peut être une toile métallique ou une toile en matière textile, ladite surface perforée se déplaçant par rapport à la conduite dans une direction perpendiculaire à l'écoulement de la dispersion liquide dans la conduite. Ainsi, par exemple, la surface perforée peut elle-même se mouvoir dans la direction voulue et peut être éventuellement une courroie sans fin qui passe sur des rouleaux de guidage et à partir de laquelle on enlève continuellement l'assemblage de fibres.En variante, pour préparer des assemblages de fibres relativement courts, la surface perforée peut être immobile et, dans ce cas, la conduite dans laquelle circule la dispersion peut se déplacer le long de ladite surface dans la direction requise. Si l'on désire obtenir un assemblage de fibres de grande largeur, on peut utiliser plusieurs conduites qui débitent sur une largeur importante de la surface perforée, ou bien une conduite. peu exécuter plusieurs parcours. Suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention permettant d'obtenir un degré élevé d'orientation des fibres, on dirige la dispersion sur un déversoir ou sur une plaque inclinée qu'on dispose de manière que la dispersion soit déchargée sur la surface perforée avec une chute dont la hauteur est relativement faible et sans turbulence excessive, en vue d'éviter une perturbation des fibres sur la surface perforée. Un tel déversoir ou plaque peut ttre plat, cannelé, ondulé ou étagé afin d'améliorer la répartition des fibres dans la dispersion sur toute la largeur de ce déversoir et aussi pour améliorer l'alignement des fibres pendant leur arrivée sur la surface perforée et pendant q'eSesse placent sur cette surface.On peut utiliser une plaque ou .déversoir multiple comprenant un certain nombre de sections échelonnées afin d'étaler le courant total sur une surface plus étendue et réduire ainsi au minimum la turbulence sur la surface perforée. La surface perforée elle-même peut être disposée horizontalement ou peut être inclinée pour améliorer le drainage du liquide. On peut éventuellement déposer deux ou plusieurs couches de filaments orientés et les couches successives peuvent être formées de filaments orientés dans des directions différentes, par exemple perpendiculairement les uns aux -au- tres. On peut également utiliser l'invention pour produire un matelas de fibres radialement orientées, en les déposant pour cela sur une surface perforée rotative. Un tel matelas peut servir, par exemple, pour la production de paliers renforcés par une matière filamentaire telle que des filaments de carbone. Les assemblages de filaments qu'on obtient par le procédé selon l'invention peuvent constituer des étoffes non-tissées et, éventuellement, peuvent être liés avec des résines ou autres liants pour conférer aux produits un surcroSt de résistance mécanique. Cependant, les assemblages filamentaires de ce genre sont particulièrement intéressants pour la fabrication de matériaux composites dans lesquels, par exemple, des fibres de carbone ou de graphite sont incorporées dans une matrice résineuse. L'invention a également pour objet les produits composites ainsi confectionnés. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut entre réalisée. La figure i est une élévation en coupe achamétique d'un appareil permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, dans lequel la dispersion est envoyée à travers une conduite sur la surface perforée. La figure 2 est une élévation en coupe schematiquezd'une variante de construction de l'appareil représenté sur la figure I et dans lequel la distribution de la dispersion se fait à l'aide d'un déversoir. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1 une auge i est alimentée en eau par un tuyau 2 et en fibres de carbone coupées par une trémie 7 > de manière à former Une dispersion 4 qui est déchargée dans une cuve 6 en passant par-dessus un déversoir 5. La dispersion sort de la cuve 6 à travers une conduite 7 sous un débit suffisamment faible pour maintenir un écoulement laminaire dans cette conduite 7, après quoi la dispersion tombe sur le brin supérieur d'une courroie perforée sans fin 8 qui passe sur des rouleaux horizontaux espacés 9 et 10 dont l'un au moins est entraSné par un mécanisme (non représenté). Une nappe de fibres de carbone 11 se dépose sur la courroie 8 tandis que l'eau s'écoule vers le bas à travers les perforations de la courroie.La nappe est enlevée de la courroie le long d'une plaque de guidage 12 et est enroulée sur un rouleau 13. La figure 2 représente une variante de l'appareil décrit et, dans ce cas, la cuve 6 comprend une sortie 14 sous forme d'un déversoir de trop-plein à partir duquel la dispersion est déchargée sur une plaque inclinée 15 aboutissant directement sur la courroie perforée 8. les autres parties de l'appareil sont les mêmes que dans le mode de réalisation décrit à propos de la figure 1. Les exemples suivants montreront bien comment l'in- vention peut Castre mise en oeuvre: EXEMPLE 1 On prépare une dispersion de fibres de carbone en envoyant un mélange de 20 g de filaments de carbone en longueurs de coupe de 4,5 cm dans 135 litres d'eau et on fait circuler ce mélange à travers une pompe rotative. On envoie la dispersion sous un débit de 18 litres par minute à travers une conduite ayant 2,5 cm de diamètre et se terminant par Une plaque de distribution en forme de pelle sur laquelle la dispersion forme un courant ayant environ 10 an de largeur et possédant les caractéristiques d1écou- lement laminaire. On laisse la dispersion s'écouler sur une toile horizontale présentant 12 mailles par centimètre linéaire et qu'on déplace à peu près perpendiculairement par rapport au sens du courant. On obtient ainsi un ruban de fibres de carbone dans lequel les fibres sont sensiblement orientées dans le sens de progression de la toile. EXEMPLE 2 On procède comme dans l'exemple 1,mais on plie la toile dans le sens de sa longueur de manière à obliger les fibres à s'aligner et à s'amasser le long de la pliure afin d'obtenir ainsi Un boudin dans lequel les fibres sont orientées sensiblement dans une seule direction. EXEMPLE 3 On dirige une dispersion de 50 g de fibres de carbone ayant 1 cm de longueur dans 135 litres d'eau sur une toile ayant 30 cm de largeur, à l'aide d'une plaque de distribution inclinée qui est une feuille plate ayant 61 cm de longueur et )75,5 cm de largeur, de façon que la dispersion s'écoule en courant laminaire sur toute la largeur de la toile. On soumet la plaque de distribution à un mouvement de va-etvient le long de la dimension longitudinale de la toile et on obtient ainsi une nappe fibreuse ayant 60 cm de longueur et 30 cm de largeur, dont le poids sec est de 280 g/m2. On utilise la nappe formée par le procédé de cet exemple pour confectionner un stratifié en utilisant pour cela une matrice de résine époxy. On moule ensemble 16 cou ches.de11,5 x 2,5 cm pour former ainsi le stratifié, la dimension longitudinale des couches étant parallèle à la direction d'alignement des fibres. On prépare un stratifié analogue mais en orientant les fibres dans l'autre direction. Le module de traction du stratifié dont les fibres sont alignées dans le sens longitudinal est supérieur de 2,5 fois à celui de l'autre stratifié. EXEMPLE 4 On dirige une dispersion dr 100 g de fibres de carbone ayant 2 cm de longueur dans 135 litres d'eau le long d'une plaque de distribution inclinée, de la même façon que dans l'exemple 3, et on obtient ainsi un matelas de fibres sur une surface dont les dimensions sont 30 x 15 cm, le poids sec de ce produit étant d'environ 2kg/cm2. On constate que les fibres dans ce matelas sont orientées à peu près entièrement dans la direction perpendiculaire à celle du trajet d'écoulement. TEMPLE 5 On envoie une dispersion de filaments de carbone, qui est la meme que dans l'exemple 4, le long d'un canal descendant ayant 3,8 cm de largeur et de manière que cette dispersion vienne heurter un rayon d'un disque en toile métallique tournant lentement les filaments sont recueillis sous forme d'un produit radial et on obtient ainsi Un tampon ou matelas pouvant servir à la fabrication de stratifiés pour former des paliers. REVENDICAGIONS 1. Procédé de production d'un assemblage de fibres coupées et orientées, caractérisé en ce qu'il consiste à amener une dispersion de fibres coupées dans un milieu liquide, sous un débit qui établit des conditions dtécou- lement laminaire , sur une surface perforée à travers laquelle le liquide peut passer mais sur laquelle les fibres coupées sont retenues, de telle sorte que les fibres coupées reposent sur la surface perforée à peu près perpendiculairement au sens de l'écoulement de la dispersion. 2. Procédé selon la revendication a, caractérisé en ce que les fibres coupées sont des fibres de carbone ou de graphite. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont choisies parmi lesfibres en coton, en lin, en laine, en rayonne de viscose, en un acétate de cellulose, en un nylon, en un polyester et en polyacrylonitrile. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le milieu liquide est l'eau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que le liquide de dispersion contient un agent mouillant. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on envoie la dispersion de fibres coupées à travers une conduite sur la surface perforée qui se déplace par rapport au point de décharge de la conduite. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on envoie la dispersion des fibres coupées sur la surface perforée à travers une conduite dont le point de décharge se déplace par rapport à la surface perforée. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caracterisé en ce qu'on envoie la dispersion de fibres coupées sur la surface perforée par-dessus un déversoir, la hauteur de chute à partir de ce déversoir etant faible afin d'éviter une turbulence excessive sur la surface perforée. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le trajet de chute à partir du déversoir est sous forme d'une plaque inclinée. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qae la déversoir est formé de plusieurs sections échelonnées. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications i à 10, caractérisé en ce qu'on enlève l'assemblage de fi brcs coupées tel quel de la surface perforée. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on enlève l'assemblagc de fibres coupées de la surface perforée et on l'incorpore dans une matrice résineuse. 13. Produit composite, caractérisé en ce outil comprend un assemblage de fibres coupées obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications i à 12.