Brevet FR2110463A1 — publié le 19720602

La présente invention concerne un procédé de fabrication de rubans de fibres de carbone. On utilise les fibres de carbone pour le renforcement d'une gangue en matière synthétique dans beaucoup d'applications industrielles et, dans les cas où ces fibres sont mises en place par bobinage, il y a avantage à les fabriquer sous forme d'un ruban de fibres parallèles longitudinalement. La présente invention permet de réaliser un procédé commode et assez économique de fabrication de ces rubans. Le procédé de fabrication de rubans selon la présente invention consiste à étaler une pluralité de mèches de matière d'oeuvre pour constituer une pluralité de rubans étroits, à juxtaposer ces rubans pour former une nappe, à traiter thermiquement cette nappe pour former une feuille de fibres de carbone, et à diviser cette feuille aux points de Jonction d'au moins une partie des paires des dits rubans étroits pour obtenir des rubans larges comprenant, dans le sens transversal, un multiple entier desdits rubans étroits. De préférence, la nappe sera cousue par des points transversaux pour maintenir la cohésion des rubans. , De préférence, ladite nappe de fibres de carbone sera imprégnée de matière synthétique par transfert d'un papier de transfert enduit, avant la division en rubans larges. Il y aura avantage à ce que les rubans soient divisés de façon à se diriger alternativement vers le haut ou vers le bas afin d'être suffisamment écartés pour en faciliter le bobinage. Ledit étalage pourra être effectué au moyen d'une barre étaleuse ou autre dispositif analogue. La fibre de base sera, de préférence, une fibre polyacrylonitrile, le traitement thermique utilisé pour les fibres comprenant une phase de préoxydation pendant laquelle les fibres seront maintenues sous tension en atmosphère oxygénée à une température d'environ 200°C pendant un temps allant jusqu'à 7 heures, suivie d'une phase de pyrolyse au cours de laquelle les fibres seront chauffées à une température comprise entre 700° et 1500°C en atmosphère inerte . L'invention va être décrite, simplement à titre d'exemple, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente le schéma de fonctionnement d'une installation 71 37188 2 2110463 pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un appareil pour former en nappe et coudre par des points de travers des fibres primaires ; et . - la figure 3 est une vue schématique d'un appareil à diviser la nappe de 5 fibres de carbone en rubans larges. La figure 1 représente un contre 10 comprenant une pluralité de rouleaux 11 sur lesquels sont enroulés des mèches de fibres polyacrylonitri les de 1 1/2 denier. Chaque rouleau est monté sur un dispositif de formation et de couture décrit plus loin à propos de la figure 2. Les rouleaux portent des nappes de fibres 10 comprenant chacune environ 50 rubcns étroits constitués chacun d'une seule mèche et maintenus ensemble par un fil de trame introduit par le dispositif de couture. Les huits nappes sont superposées et maintenues écartées les unes des autres d'environ 7 cm, et amenées à un ourdissoir 12 comprenant 8 séries 13 de 4 rouleaux chacune. Ces séries de rouleaux sont montées en parallèle, de façon que 15 chacune reçoive une seule nappe qui en parcourra les quatre rouleaux entraînés et qui sortira du mécanisme entraîneur dans la même orientation horizontale qu'à l'entrée. En sortant de l'ourdissoir 12, les 8 nappes sont rapprochées, en 14, et pénètrent par des orifices étanches 15 dans un four de préoxydatîon 16. Un sys-20 tème d'appareils chauffants et de ventilateurs, non représentés, maintient l'atmosphère intérieure du four à environ 220°C. Un ventilateur réglable 17 permet de régulariser la circulation d'air dans le four. Des rouleaux de guidage sont disposés à l'intérieur du four 16 en des points tels que 18. Les 8 nappes passent sur ces rouleaux qui leur font décrire, à l'in-25 térîeur du four de dimensions relativement restreintes, un parcours tortueux de grande longueur totale ( 120 m). Le système est réglé pour que le cheminement des nappes dans le four dure 7 heures environ. Les fibres sont donc préoxydées pendant leur séjour dans le four 16, leurs molécules constitutives se trouvant quelque peu modifiées et leur structure stabî-30 lisée. En sortant du four par les orifices très ajusté 19, les fibres, encore en forme de nappe, passent dans un second ourdissoir 20, identique à l'ourdissoir 18. En plaçant les deux ourdissoirs 12 et 20 aux deux extrémités du four 16 les fibres peuvent être maintenues sous tension pendant la phase de préoxydatîon. Ceci 35 élimine le risque de rétrécissement qui pourrait se produire pendant cette phase 71 37188 3 2110463 de l'opération. En quittant l'ourdissoir 20, les nappes sont rassemblées en un seul faisceau et passent dans un four de carbonisation 21 par un dispositif d'étanchéité à rouleaux 22. Ce dispositif utilise une paire de rouleaux d'étanchéité tels que 5 ceux décrits dans le brevet français n° 1.599.820 au même nom, et empêche les fuites de l'intérieur du four 21 vers l'extérieur ainsi que la pénétration de l'air extérieur dans ce four. Dans cette phase du procédé, les nappes de fibres sont tassées pour diminuer la puissance nécessaire et simplifier le système. Il est inutile, à ce moment, de maintenir l'èspacement nécessaire aux stades précédents 10 pour permettre l'évacuation des produits de réaction et la dissipation de la chaleur. Une atmosphère d'azote est maintenue dans le four 21 au moyen d'un conduit d'arrivée d'azote 23 et d'un conduit de sortie d'azote et de gaz résiduels 24. A l'intérieur du four, des dispositifs permettent d'élever la température depuis la 15 température ambiante au voisinage du passage étanche 22 jusqu'à environ 1000°C en un point 25. Les dimensions du four sont choisies de façon qu'au point 25 la pyrolyse des fibres sera presque entièrement réalisée et, s'il en est ainsi, il sera inutile de prévoir une autre évacuation de produits de réaction au cours de la suite du traitement. 20 Les fibres tassées passent ensuite dans une zone 26 du four où règne une température plus élevée. On remarquera que la section de cette partie du four est réduite par des cloisons 27 contenant des éléments chauffants ; cette réduction de section aide à réduire la puissance nécessaire à la production d'une température de chauffage plus élevée. Dans la section 26, les fibres sont chauffées 25 jusqu'à 1.600°C environ. Les fibres tassées sortent enfin du four 21 par un second dispositif étanche 28 utilisant également des rouleaux d'étanchéité. Après avoir quitté le sas 28 les fibres pénètrent dans un autre four 29. Bien que, pour la commodité du dessin, ce four ait été représenté séparé du four 30 21, il est en fait directenent raccordé au sas 28, l'ensemble étant disposé sur une seule ligne. Le sas 28 sert, en fait, à séparer l'atmosphère intérieure du four 21 de celle du four 29. A l'intérieur du four 29 règne une atmosphère d'argon entretenue pareillement par un conduit d'arrivée d'argon 30 et par un conduit d'évacuation d'argon et de produits de réaction 31 . A l'intérieur du four 29 la fibre, 35 encore tassée, est chauffée à une température qui sera de 2.500°C dans l'exem- 71 37188 4 2110463 pie présent/ mais qui peut être simplement de 1.500°C et au dessus. Dans cette phase du procédé/ la structure de la fibre de carbone est rendue plus pseudo-graphitique. Cette phase peut, en fait/ être complètement éliminée et on peut produire de bonnes fibres de carbone avec un four de carbonisation ne chauffant 5 la fibre que Jusqu'à une température de 1000°C à 1200°C. La fibre sort du four 29 après y avoir séjourné environ une demi-heure par un sas 32 semblable au sas 28 et empêchant une fuite importante des gaz du four 29. Aussitôt après avir quitté le sas 32, les fibres tassées passent entre deux cylindres entraînés 33 puis sont divisées à nouveau en leurs huit nappes pri-10 mitives et pénètrent ainsi dans un dispositif 34 d'imprégnation de résine, tel qu'un dispositif déjà connu utilisant un papier enduit pour le transfert d'une résine époxy dite "novoiac". Pour plus de simplicité on ne décrira le processus que par rapport à une seule nappe, les autres nappes subissant un traitement absolument identique. 15 La nappe supérieure, par exemple, pénètre dans le dispositif 34 et passe entre deux bobines 35 et 36 de papier de transfert enduit de résine. Le papier de transfert lui-même est imprégné d'un anti-adhésif empêchant la résine d'adhérer au papier de façon permanente. Pour faciliter ia manipulation du papier enduit; les bobines 35 et 36 sont montées dans une chambre réfrigérée 37 pour éviter le 20 ramollissement de Ja résine. Le papier provenant des bobines 35 et 36 est amené aux deux faces de 1a nappe de fibre de façon que ia face enduite du papier soit contre la nappe. L'élément tri-couches ainsi constitué passe de la chambre 37 dans une seconde chambre 38 et entre deux cylindres chauffés 39. En passant entre ces deux cylin-25 dreS/ l'effet combiné de la chaleur et de la pression développés fait passer la résine des bandes de papier à la nappe de fibres qui se trouve ainsi imprégnée de résine. Chaque feuille de fibres imprégnées passe alors à un appareil à faire les rubans ; ces appareils sont identiques pour toutes les feuilles et seul celui de la 30 feuille 40 sera décrit. A l'entrée de l'appareil à rubans7 deux cylindres cueilleurs 41 détachent le papier à transfert de la feuille de fibre imprégnée. La feuille nue passe alors entre deux autres cylindres 42 et y est divisée en une pluralité de rubans se dirigeant alternativement vers le haut ou vers le bas jusqu'à des bobines réceptrices 35 43 et 44. Du papier intercalaire est débité par une bobine 45 et amené à la bo 71 37188 5 2110463 bine réceptrice, comme indiqué. La figure 3, montre une version simplifiée de l'appareil à rubans dans laquelle on suppose que la feuille de fibres est divisée en deux rubans. On y voit que le ruban se dirigeant vers la bobine 43 se dirige vers le bas tandis que 5 celui se dirigeant vers ia bobine 44 se dirige vers le haut, à partir des cylindres 42. On voit que ceci augmente l'espace séparant les bobines réceptrices. Il serait possible de disposer les bobines de papier intercalaire entre des bobines réceptrices adjacentes. Elles seraient alors placées alternativement en dessus et aijâessous de leur bobine réceptrice correspondante et l'on pourrait monter tou-10 tes les bobines sur deux axes seulement. La figure 2 représente schématiquement la formation de ia nappe à partir des mèches. Celles-ci sont fournies par une pluralité de bobines 46 et passent sur une barre étaieuse 47. Elles sont espacées de façon qu'elles ne puissent pas s'étaler complètement sans venir toucher la mèche voisine. On réalise 15 ainsi une pluralité de rubans étroits dont l'ensemble forme une nappe 48. L'absence de chevauchement entre mèches adjacentes sépare nettement les rubans ; ces séparations sont indiquées par les lignes en traits interrompus sur la nappe 48. La cohésion de la nappe au cours de son traitement thermique est assu-20 rée par une couture transversale réalisée par un appareil 49., de type connu. La couture sera réalisée au moyen d'un fil se ramollissant considérablement à la chaleur de façon à ne pas gêner ia division ultérieure de la feuille. La nappe ainsi piquée pourra être enroulée sur un cantre qui pourra alors être placé sur l'ourdissoir de la figure 1. 25 On comprendra que le procédé selon l'invention admet plusieurs varian tes. C'est ainsi que, bien que la description mentionne des fibres de polyacrylo-nitrile comme matière de départ, le procédé s'applique évidemment à une variété de matières premières telles que les fibres polyamides et cellulosiques. Le procédé lui-même admet des modifications de détail, C'est ainsi 30 que le papier de transfert peut ne pas être enlevé des nappes avant la division si le dispositif de découpe peut découper les bandes de papier de transfert. Il est également possible de recourir à d'autres procédés d'imprégnation. Il serait de pratique courante, avec l'appareil décrit ci-dessus de séparer les mèches dès l'origine en nouant leurs extrémités avant de les intro-35 duire dans l'appareil ; il serait alors facile de séparer les rubans étroits indivi 71 37188 6 2110463 duels sortant du four et de les diviser aux largeurs voulues. On voit que l'invention fournit un moyen facile de fabriquer des rubans dont la largeur est un multiple de celle du ruban étroit d'origine ; la largeur de ces derniers dépendra du nombre de filaments composant la mèche et du degré d'étalage réalisé. 71 37188 7 2110463 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de rubans de fibres de carbone consistant à étaler une pluralité-de mèches de matière de départ pour constituer une pluralité de rubans étroits, à juxtaposer ces rubans étroits pour former une nappe, à traiter thermiquement ladite nappe pour en faire une feuille de fibres de carbone 5 et & diviser ladite feuille aux points de jonction d'au moins quelques paires des dits rubans étroits de façon à obtenir des rubans larges comprenant chacun, dans le sens de sa largeur, un multiple entier desdiîs rubans étroits. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la nappe est cousue par des points transversaux avant d'être traitée thermiquement pour 10 maintenir la cohésion des ubans. 3. Procédé selon une des revendications I ou 2, caractérisé en ce qu'avant sa division en rubans, ladite nappe de fibres de carbone est imprégnée de résine par une opération de transfert à partir d'un papier imprégné. 4. Procédé selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que 15 les rubans sont divisés de façon à se diriger alternativement vers le haut ou vers le bas. 5. Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit étalage est effectué sur une barre êtaleuse. 6. Procédé selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 20 ladite matière de départ comporte du polyacrylonitrHe. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit traitement thermique comporte une phase de préoxydatîon dans laquelle les fibres sont maintenues sous tension dans une atmosphère oxygénée à une température d'environ 200°C pendant une durée de temps allant jusqu'à sept heures, suivie d'une 25 phase de pyrolyse dans laquelle les fibres sont chauffées à une température comprise entre 700°C et 1.500°C en atmosphère inerte..