Brevet FR2297884A1 — publié le 19760813

La présente invention concerne une matière plastique armée de fibres. L'expression "matière plastique" désigne un polymère qui est plastique, ctest-à-dire souple ou moulable, à température ambiante, et elle désigne aussi des matières telles que les caoutchoucs naturels et synthétiques vulcanisés et les polymères plastifiés tels que le chlorure de polyvinyle. Armature de la matière plastique par une matière fibreuse est déjà connue pour la réduction de l'allongement sous charge. La matière fibreuse peut & re sous forme de fibres découpées, de filaments continus ou d'une étoffe tissée, tricotée ou non tissée, en fibres coupées ou en filaments continus. Lors de la fabrication d'objets en matière plastique, on calandre de façon classique la matière plastique non durcie afin qu'elle ait une composition uniforme avant traitement et mise sous forme de l'objet voulu. Les essais dfin---- corporation des fibres découpées dans la matière plastique au cours du calandrage n'ont pas été particulièrement satisfaisants car les forces de cisaillemeht au cours du calandrage provoquent la rupture des fibres.En outre, on constate que l'obtention d'une armature raisonnable de la matière plastique nécessite l'incorporation d'au moins 30 % en poids de fibres, car, dans le cas contraire, la réduction d'allongement de la matière plastique est obtenue au détriment des propriétés de traction de la matière armée qui sont réduites de façon considérable, c'est-à-dire au-dessous des propriétés de la matière non armée. En outre, les propriétés d'armature des fibres coupées classiques ne peuvent pas mètre améliorées de façon importante par traitement préalable accroissant leur adhérence à la matière plastique.En effet, le calandrage réduit la longueur des fibres à une valeur si faible que toute augmentation de leur adhérence à la matière plastique ne suffit pas à leur ancrage solide dans la matière, si bien que les propriétés de traction jouent un rtle important pour 1'armature. L'invention concerne une matière plastique armée du type décrit précédemment, dans laquelle l'armature est formée par des fibres coupées d'au moins 20 décitexRyant une longueur supérieure à 12,7 mm et une ténacité supérieure à 0,049 N/décitex. La matière plastique armée contient avantageusement 5 à 60 , de préférence 10 à 50 % et avantageusement 18 à 50 % en poids de fibres coupées. Les fibres dépassent avantageusement 50 décitex et de préférence 100 décitex. Lorsque les fibres ont une ténacité de 0,059 Nldécitex, elles sont de préférence supérieures à 150 décitex au moins. Cependant, les fibres ne doivent pas titre trop grosses car alors elles ne peuvent pas & re manipulées. Ainsi, elles ne doivent pas dépasser 1200 décitex. Les fibres coupées peuvent wetre en tout type convenable de polymère, par exemple de type acrylique ou une polyoléfine. Les fibres de polyamide et de polyester sont particulièrement avantageuses. Bien qu'on puisse utiliser des longueurs de fibres coupées-aussi--faibles que 12,7 mm, il est avantageux que les fibres aient une longueur au moins égale à 100 fois le diamètre. Le comportement de la matière plastique armée lorsqu'elle subit une tension de rupture-, dépend de la longueur des fibres coupées. Ainsi, lorsque la longueur des fibres dépasse le double de la longueur "d'extraction", définie dans la suite, la rupture de la matière est due à la défaillance des fibres et, lorsque la longueur de celles-ci est inférieure de la longueur "d'extraction", la rupture est due à la défaillance des liaisons entre la matière plastique et les fibres.Dans le cas des fibres écrues de 660 décitex, la longueur critique, c'est-à-die le double de la longueur "d'extraction'1,est d'environ 50 cm dans le caoutchouc. Le calandrage de fibres aussi longues dans une matière plastique peut poser des problèmes et il est souhaitable que la longueur des fibres ne dépasse pas 25 cm. Ces problèmes peuvent Btre résolus en partie ou totalement par réduction de la longueur critique des fibres, par application d'un apprit qui accrott l'adhérence entre les fibres et la matière plastique. Ainsi, on peut obtenir des fibres dont la longueur critique est d'environ 5,1 cm. Des matières qui conviennent pour l'application sur les fibres sont la matière "Pexul" (de /meri1caa1 Industries Limited), les isocyanates bloqués décrits dans le brevet d'Afrique du Sud nO 3786/74, et les composés époxyde, surtout lorsqu'ils sont appliqués avec un latex de résorcinolformaldéhyde. La longueur critique efficace des fibres peut aussi & re réduite par addition de produits chimiques convenables à la matière plastique afin que la liaison avec les fibres soit accrue. Les matières qui peuvent étre ajoutées à la matière plastique sont notamment un mélange de résorcinol, et d'un donneur de formaldéhyde tel que I'hexaméthyltétramine. Ainsi, l'invention concerne une matière plastique armée, du type décrit, dans laquelle l'armature est formée par des fibres coupées d'au moins 20 décitex, ayant une ténacité supérieure à 0,049 N/décitex et une longueur supérieure au double de la longueur d'extraction, comme décrit dans la suite, dans le cas de la matière plastique considérée. La ongueur "d'extraction" d'une fibre particulière est fonction non seulement de sa composition et de l'apprit qui a pu lui dtre appliqué, mais aussi de la nature de la matière plastique dans laquelle elle est enrobée. On la mesure de la manière suivante. La matière plastique éprouvée est mise sous forme d'une feuille ayant une épaisseur de 1,27 mm, et on découpe des bandes de 20,3 cm de longueur et 2,54 cm de largeur. On pose une bande sur une plaque métallique plane et on place à une extrémité une bande de papier siliconé de démoulage ayant une longueur de 2,54 cm et une largeur de 1,27 cm. On place alors la fibre sur la bande de matière plastique et le papier de démoulage afin qu'elle soit disposée au-delà du papier de démoulage, si bien que 30,5 cm au moins de la fibres ne sont pas enrobés. La distance comprise entre l'extrémité du fil dans la matière plastique et l'extrémité interne du papier de démoulage donne la distance d'enrobage. On place un second morceau de papier de démoulage sur le fil, exactement au-dessus du premier morceau. Enfin, on place une seconde bande de matière plastique sur la première, avec des entretoises métalliques de 2,54 mm placées de chaque ctté des bandes, afin que celles-ci ne puissent pas fluer latéralement, puis on dispose une seconde plaque métallique sur les bandes. On durcit alors les bandes de ma tière plastique, par exemple par chauffage et compression dans le cas où la matière est un caoutchouc (vulcanisation) On prépare de nombreux échantillons dans lesquels la longueur de fibres enrobées varie. Le papier siliconé de démoulage est retiré d'un. échantillon et les bavures de la matière plastique sont retirées afin qu'elles ne perturbent pas les essais. On place alors la bande dans une pince hydraulique à face piane de la tette en croix d'une machine d'essai de traction "Instron", de manière que le bord de la pince se trouve à 1,27 cm de l'extrémité du fil enrobé- dans la matière plastique. On fixe l'extrémité libre de la fibre à une pince à ergots fixée à la jauge de contraintes de la machine "Instron", la pince se trouvant à 7,6 cm du bord de la bande de matière plastique. La tette en croix est alors déplacée à une vitesse de 15 cm/mn et la charge maximale est enregistrée ; on note aussi si la fibre se rompt ou si elle se retire de la bande. Les résultats obtenus permettent la détermination de la longueur "d'extraction", c'est-à-dire la longueur minimale de fibre qui doit etre enrobée dans la matière plastique afin qu'elle ne soit pas extraite de celle-ci par une force suffisammeqt grande, la fibre se rompant au contraire. Les matières plastiques armées selon l'invention ont des propriétés excellentes de façon surprenante par rapport à celles des matières plastiques connues armées de fibres coupées classiques. Ainsi, la quantité de fibres incorporée dans la matière plastique selon l'invention afin que cette matière armée ait un allongement réduit et une résistance à la traction égale à celle de la matière non armée, est bien inférieure à-la quantité nécessaire lors de l'utilisation de fibres coupées classiques. En outre, les matières armées selon l'invention ont une excellente résistance à la déchirure et une excellente résistance au maintien de dispositifs de fixation à griffes, par rapport aux matières armées connues.Cette dernière propriété est très importante pour la réalisation de courroies de transporteur et de structures analogues qui peuvent être formés de tronçons de matière armée dont les extrémités sont fixées par des disposi tifs à griffes. En outre, on peut former des objets en caoutchouc ou en autre matière plastique armée de fibres coupées selon l'invention, ayant des propriétés comparables à celles des objets obtenus avec des étoffes d'armature tissées à partir de fils à filaments continus. Ainsi, le tissage des étoffes d'armature peut titre éliminé sans réduction des propriétés du produit armé formé. La matière plastique armée selon l'invention peut astre avantageusement mise sous forme d'objets tels que par exemple des courroies de transporteur, des éléments de suspension ou des pare-chocs d'automobiles. On peut aussi extruder ces objets lorsque la matière plastique est armée de fibres coupées de grand diamètre selon ltinvention et porte un apprit réduisant leur longueur "d'extraction" à quelques centimètres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'exemples particuliers de mise en oeuvre. On calandre du caoutchouc chargé de noir de carbone "Firestone" 5D7 à l'aide de cuvettes froides et on ajoute une quantité pesée de fibres découpées. On poursuit le calandrage jusqutà ce que les fibres paraissent uniformément dispersées. On met alors la matière composite caoutchouteuse sous forme d'une feuille qu'on replie et qu'on comprime à froid afin que les poches d'air soient chassées, avant vulcanisation pendant 15 mn à 1500C à une pression d'au moins 5 bars. On al-- longe jusqutà rupture sur une machine "Instron" des échantillons de 15,2 cm de longueur, 5,1 cm de largeur et 6,4 mm d'épaisseur. Les résultats et les détails des expériences figurent dans le tableau I. TABLEAU I Nature des Fibres ajou- Charge de Allongement fibres cou- tées, 96 en i rupture, à la ruptu pées uti- poids N re, % lisées 1 exemple com ara tif A néant O 2 400 environ 600 exemple 1 fibres de 10 i 600 exemple 2 téréphtala- 20 1 830 environ 112 te de poly exemple 3 éthylène de 30 2 010 120 5,1 cm et exemple 4* 667 deniers 10 2 320 47 par fila ment * les fibres découpées sont prétraitées par 'Texul" et un adhésif à base de latex résorcinol-formaldéhyde. Dans d'autres exemples, on fait passer dans une calandre à- 2 cylindres 400 g de caoutchouc naturel chargé de noir de carbone, avec 16 g d'oxyde de zinc, 4 g de t'Vulcofor MBTS" qui est un accélérateur, et 8 g de soufre. Lors du calandrage du caoutchouc, on ajoute 120 g d'un monofilament de polyester ou de "Nylon", ayant une longueur après découpe de 5,1 cm, et divers diamètres, le calandrage étant poursuivi pendant 10 mn supplémentaires. On examine le caoutchouc et les fibres afin de déterminer le degré de rupture des fibres au cours du calandrage et les résultats figurent dans le tableau II. TABLEAU Il Exemple Nature des Diamètre décitex longueur (cm) n0 fibres (microns) avant ca- apres calan calandrage drage 5 5 15 6 0,32 à 0,64 6 100 88 2,5 7 "Nylon" 150 186 5,1 5,1 certaine 2,5 8 200 340 5,1 9 250 500 5,1 10 30 7 0,32 à 0,64 Il téréphta- 100 106 2,5 late de 12 late de 150 240 5,1 5,1 certaines lène 2,5 13 200 425 5,1 14 250 667 5,1 EXEMPLE 15 Cet exemple correspond à l'utilisation de la matière plastique armée selon l'invention pour la réalisation d'un pare-choc d'automobile ayant une section en U. On passe à la fibres calandre, avec 400 parties de caoutchouc, 60 parties de/cou- pées de téréphtalate de polyéthylène traitées par "Pexul" et un latex de résorcinol-formaldéhyde, de 667 décitex et 5,1 cm de longueur, et on forme une plaque. On moule celle-ci à la forme d'un pare-choc d'automobile en la plaçant sur un moule mâle en aluminium ayant la configuration convenable, puis on place ce moule et la plaque sur un moule femelle. Les moules et la plaque sont disposés alors dans une presse chauffée à la vapeur et les plateaux sont portés à une température de 1500C et comprimés afin que le caoutchouc armé prenne la forme du moule. On retire alors celui-ci de la presse, on refroidit, on démonte et on retire le pare-choc. On prépare un parechoc analogue mais on incorpore 80 parties de fibres à 400 parties de caoutchouc. On prépare un pare-choc témoin par le procédé décrit mais avec du caoutchouc ne contenant pas de fibres.On réalise un autre témoin dans lequel le caoutchouc est armé par une étoffe ayant 9 fils de channe par centimètre et 0,8 brins de trame par centimètre. La chatne est formée par un fil de 4700 décitex en filaments continus de téréphtalate de polyéthylène, chaque filament de 667 décitex étant tordu 0,8 fois par centimètre, et la trame est en coton n07. Le tissu est traité par la matière "Pexul" et le latex de résorcinol de manière classique, et on place deux largeurs de l'étoffe avec une feuille de caoutchouc de 1,27 cm d'épaisseur entre elles, une feuille de 0,63 cm d'épaisseur en caoutchouc étant placée à l'extérieur par rapport à chaque étoffe. L'ensemble composite, contenant 8 % en poids de fibres armature sous forme d'un tissu, est moulé comme décrit précédemment. On détermine les caractéristiques des pare-chocs décrits par montage sur un chassies et compression dans un appareil décrit "avers", et on note périodiquement le flé crissement provoqué par la charge appliquée lorsque les plateaux de l'appareil sont fermés. Les pare-chocs armés des fibres coupées ou d'étoffe ont un comportement très analogue, bien supérieur à celui du pare-choc ne comportant pas d'armature. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Matière plastique armée, caractérisée en ce que l'armature est formée de fibres découpées d'au moins 20 décitex, de longueur supérieure à 1,27 cm et de ténacité supérieure à 0,049 N/décitex. 2. Matière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur des fibres coupées est au moins égale à 100 fois leur diamètre. 3. Matière plastique armée, caractérisée en ce que l'armature est formée par des fibres coupées d'au moins 20 décitex, de ténacité supérieure à 0,049 N/décitex et de longueur supérieure au double de la longueur d'extraction dans la matière plastique particulière. 4. Matière selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisée en ce qu'elle contient 5 à 60 % en poids de fibres coupées. 5. Matière selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisée en ce qu'elle contient 10 à 50 96 en poids de fibres coupées. 6. Matière selon l'une des revendictiions 1 et 3, caractérisée en ce qu'elle contient 18 à 50 96 en poids de fibres coupées. 7. Matière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres coupées ont plus de 50 décitex. 8. Matière selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les fibres coupées ont plus de 100 décitex. 9. Matière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la matière plastique est du caoutchouc naturel ou synthétique. 10. Matière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres coupées sont en polyester. 11. Matière selon la revendication 10, caractérisée en ce que le polyester est le téréphtalate de polyéthylène. 12. Matière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'adhérence entre les fibres et la matière plastique est accrue par un additif applique aux fibres ou ajouté à la matière plastique au moins. 13. Matière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est sous forme d'un pare-choc d'automobile.