Brevet FR2391068A1 — publié le 19781215

La présente invention concerne la préparation de matières composites et plus précisément de telles matières formées à partir de systèmes résineux extensibles avec une armature de fibres. Les systèmes composites armés de fibres sont bien connus comme éléments mécaniques. Les systèmes connus qui se rapprochent le plus des éléments composites selon l'invention sont les systèmes chargés de fibres coupées du commerce. Cependant, de telles fibres incorporées à des résines durcissables donnent des matières composites dont les propriétés mécaniques diffèrent tout à fait de celles des éléments composites préparés selon l'invention. Bien que les matières composites chargées de fibres présentent des modules élevés, le pourcentage d'allongement et la résistance mécanique diminuent souvent. Le comportement des matières composites chargées de fibres soumises à des charges répétées parait aussi totalement différent de celui des matières composites selon l'invention. Plus précisément, l'invention concerne des systèmes composites chargés de fibres ayant des liants extensibles, présentant les avantages des systèmes composites connus et aucun de leurs inconvénients. Les systèmes composites selon l'invention ont des propriétés originales car ils sont robustes, souples et extensibles, présentent une résistance mécanique élevée et une tenacité importance lorsqu'ils sont soumis a des cycles répétés sous charge, et ils conservent d'excellentes propriétés d'allongement à la rupture. Les matières composites préparées selon l'invention sont utiles sous forme d'éléments destinés à supporter des charges, par exemple dans la fabrication des composants électriques souples, des courroies de transmission mécanique d'énergie, des garnitures, des joints toriques, des bandages pneumatiques, des joints d'étanchéité et dans toute application nécessitant une résistance mécanique élevée et des caractéristiques élastomères. Les systèmes composites selon l'invention comprennent des résines extensibles chargées de fibres formées "in situ et formant un arrangement tridimensionnel interconnecté. Les résines extensibles peuvent être placées dans les fibres soit par polymérisation d'un solvant monomère dans les masses fibreuses, soit par imprégnation des masses fibreuses par un prépolymère qui est ensuite polymérisé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 permet la comparaison des propriétés des matières selon l'invention et des matières connues, lors de l'utilisation d'une résine "Scotchcast" utilisée soit dans une matière composite A selon l'invention, soit dans une matière composite B du commerce, soit sous forme non armée, telle que disponible dans le commerce comme indiqué par la courbe C - la figure 2 permet la comparaison des propriétés d'une matière composite selon l'invention représentée par la courbe D avec celle d'un témoin ne contenant que de la résine, la résine utilisée étant du type Sylgard ;; - les figures 3a à 3c montrent l'effet des déformations cycliques sur les propriétés physiques d'échantillons ne contenant que de la résine "Sylgard" ; - les figures 4a à 4c représentent l'effet des déformations cycliques sur les propriétés physiques des ma tières composites selon l'invention préparées avec la résine "Sylgard" ; - la figure 5 montre l'effet de cycles de charge sur des échantillons ne contenant que de la résine ; et - la figure 6 montre l'effet de cycles de charge appliquée à la matière composite préparée selon l'invention. On constate selon l'invention que des masses de fibres interconnectées de polymère, formées in situ" à partir de solutions de ces polymères peuvent étre imprégnées d'une résine extensible durcissable, et que la matière composite formée après polymérisation de la résine extensible possède des propriétés originales et inhabituelles. Les conséquences originales de la combinaison des réseaux de fibres interconnectées selon l'invention et d'un liant élastomère sont les suivantes. 1. La matière conserve la souplesse du liant pour les petites déformations, c1est-à-dire que la matière est de type élastique souple. 2. La matière a une résistance mécanique accrue lors d'une déformation ou d'un allongement répété. 3. La tenacité augmente sous des charges répétées, c'est-à-dire que la matière présente un durcissement lorsqu'elle travaille ou un effet inverse d'hystérésis 4. La matière conserve ses propriétés d'allongement à la rupture, c'est-à-dire que le pourcentage d'allongement observe à la résistance à la rupture ne diminue pas lorsque la fibre subit des charges. Ce comportement original est apparemment du à deux propriétés des réseaux de fibres interconnectées. D'abord, l'arrangement fibreux peut subir des déformations et des déviations importantes par rapport à sa forme d'origine et peut revenir à cette forme sans perturbation. Ensuite, les fibrilles individuelles du réseau interconnecté présentent une résistance mécanique suppleméntaire lors d'une déformation ou d'un allongement dans le liant extensible.L'augmentation de la resistance mécanique des fibres due a l'étirage est un effet bien connu qui est très utilisé dans l'industrie textile, mais l'!tirage de manière réversible dans un liant extensible est une propriété nouvelle. Une autre caractéristique inhabituelle selon l'invention est que, contrairement aux matières composites classiques armées de fibres, il n'est pas nécessaire que les fibres et le liant présentent une bonne compatibilité, c'est-àdire une bonne adhérence et un bon mouillage La structure du réseau de la masse fibreuse conserve son intégrité géométrique après allongement et relaxation répétés, et assure le transfert de la charge au liant. Ces propriétés originales des matières composites peuvent être obtenues par combinaison des masses fibreuses "in situ11 avec un polymère souple ou élastomère tel que des uréthannes, des silicones, des caoutchoucs aliphatiques, des plastisols à faible température de fusion et des résines époxydes souples, les seules propriétés nécessaires étant les suivantes a) une viscosité suffisamment faible pour que la résine puisse s'écouler et puisse imprégner les masses fibreuses, b) une température de polymérisation inférieure à la température de fusion des fibres, et c) une durée suffisante de conservation en pot pour que l'imprégnation soit totale avant polymérisation. Les masses fibreuses sont formées en présence de vibrations, dans des solutions contenant des solvants qui sont polymérisables ou qui peuvent être extraits. Les liants extensibles sont introduits soit par polymérisation d'un solvant monomère dans les masses fibreuses, soit par imprégnation des masses fibreuses par un prépolymêre qui subit une poly méri sation ultérieure. On prépare de telles matières composites par la technique d'imprégnation, à l'aide des polymères extensibles l'ScotchcastW 280 et l'Sylgardg 182 qui constituent des liants et du propylène qui forme les masses fibreuses. La figure 1 représente des courbes contrainte-déforriation qui montrent le comportement de la résine *Scotchcast" seule (courbe C) avec la masse de fibres de polypropylène (courbe A) et sous forme d'un élément composite classique (courbe B). Ces courbes montrent clairement l'augmentation de la tenacité (surface comprise au-dessous des courbes) et de la résistance mécanique à la rupture de la matière composite, par rapport à la matière non armée. Cependant, le module de la matière composite (pente de la courbe contrainte-déformation) et le pourcentage d'allongement n'ont que peu varié. La résine "Scotchcast", comprenant une structure époxyde polaire, présente une certaine mouillabilité vis-à-vis des fibres de polypropylene. Cependant, ce n'est pas le cas avec la résine "Sylgard" qui est une silicone. La résistance à la rupture est de 1,21.10 Pa pour la matière composite A, de 4,68.106 Pa pour la matière composite B et de 9,66.106 Pa pour la résine C. La figure 2 représente les courbes contraintedéformation qui permettent la comparaison du comportement de la résine seule "Sylgard" représentée par la courbe E, avec la matière composite comprenant cette résine qui im prègne des fibres de polypropylène formées "in situ" (D). La tenacité globale de la matière augmente par incorporation des fibres formées in situ. Dans ce cas, le pourcentage d'allongement augmente en réalité. La résistance à la rupture est un peu réduite étant donné que le liant non mouillant de silicone commence à se libérer pour des allongements élevés. Néanmoins, l'élément composite est plus tenace que la matière résineuse seule lors des déformations intéressantes en pratique, c'est-à-dire avant la charge de rupture. Les figures 3a à 3c et 4a à 4c représentent les courbes cycliques contrainte-déformation (pour une déformation comprise entre O et 0,5) pour la résine "Sylgard" seule Et ltélement com- posite formé avec elle. La matière résineuse seule a un comportement élastique avec une faible dissipation d'énergie. Au contraire, la matière composite peut dissiper de lléner- gie et présente une augmentation de résistance mécanique lorsqu'elle subit des cycles répétés sous charge. Les figures 5 et 6 montrent l'effet d'affaiblissement obtenus pour la résine seule lors de cycles de charge, et 11 effet d'augmentation de résistance de ces cycles de traitement sous charge dans le cas de la matière composite. Des matières composites chargées de fibres coupées classiques présentent une augmentation de module mais une réduction de la résistance mécanique, du pourcentage d'allongement et de la tenacité. La figure 1 montre les courbes contrainte-déformation de la résine 1,Scotchcast" 280 et des matières composites formées avec des fibres de polypropylène in situ dans un cas et des fibres découpées de polypropylène du commerce dans l'autre cas (courbes C, A et B respectivement). Le comportement lors de la déformation varie beaucoup même pour les faibles allongements. Les élastomères armés de fibres de manière classique présentent un allongement réduit pour tous les niveaux de charge jusqu'à la résistance à la rupture. Le pourcentage pondéral des fibres de polypropylène dans la résine époxyde est le même dans les deux cas (7 % environ).Ces résultats sont encore plus remarquables si on considère que les fibres classiques de polypropylène sont en matière très étirée et de résistance mécanique élevée puisque cette résistance à la traction est de l'ordre de 2,8.108 Pa La résine Scotchcast 280 est un exemple de polymère époxyde à base de bisphénol A qui est rendu plus souple. Il est formé avec du bisphénol A copolymérisé avec du glycérol et un durcisseur à base d'anhydride. La matière est disponible auprès de 3M Company, Saint Paul, Minnesota. La résine "Sylgard" 182 est un caoutchouc classique de silicone formé à partir de diméthylsiloxane à terminaison vinyle, d'un durcisseur de silane et d'un catalyseur au platine Elle est disponible auprès de the Dow Corning Corp., Midland, Michigan. Les exemples qui suivent illustrent la mise en oeuvre de l'invention. EXEMPLE 1 (Eléments composites de fibres et de résine "Scotchcast', 280) On prépare des solutions de polymère dans du xylène, par dissolution de polypropylène isotactique à 125 C. On fait subir des vibrations aux solutions alors qu'elles se refroidissent jusqu'à ce qu'il se forme des masses fibreuses homogènes. Ensuite, on chasse le xylène des masses fibreuses par extraction à l'acétone dans un extracteur "Soxhlet". On sèche alors les masses sous vide pendant 24 h. On mélange les ingrédients de la résine "Scotchcast" 280 a raison de 40 parties de résine pour 60 parties de durcisseur, en poids. On agite le mélange et on le chauffe à 660C pendant 15 min afin que le mélange soit poussé. On dégaze le mélange sous vide jusqu'à ce que la formation de bulles cesse, et on obtient une pression aussi faible que torr. On imprègne les masses de fibres de polypropylène dans des fioles sous vide. On introduit la résine dégazée lentement par des entonnoirs de séparation. On réalise chaque imprégnation afin que la résine puisse imprégner la masse fibreuse à partir du bas, en laissant un excès de résine par dessus. Les matières composites sont polymérisées sous une pression positive de 5,6 bars pendant 48 h à 710C. EXEMPLE 2 (Eléments composites de fibres et de "5ylga#dfl 182) On prépare des masses de fibres comme décrit dans l'exemple 1. On mélange les ingrédients de la résine "Sylgard" 182 à raison de 100 parties de résine pour 10 parties de durcisseur, en poids. On mélange soigneusement les matières et on les dégaze. On réalise des imprégnations de "Sylgard" comme décrit pour la résine "Scotchcast". On polymérise les matières composites obtenues pendant 16 h à 710C. il ne semble pas qu'une surpression soit nécessaire. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apports toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Matière composite, caractérisée en ce qu'elle comprend un réseau tridimensionnel cohérent de fibres polymères interconnectées, imprégnées d'un liant résineux extensible de nature élastique souple, ayant tendance a accroitre la résistance mécanique et la ténacité lorsque la matière composite est soumise à des cycles répétés de charge. 2. Matière selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres polymères sont formées de polyalcene linéaire. 3. Matière selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fibres polymères sont formées d'un polymère choisi dans le groupe qui comprend le polypropylène isotactique, le polyéthylêne, le poly-4-méthylpentène-1 isotactique, le poly-butène-1 isotactique et leurs mélanges. 4. Matière selon la revendication 3, caractérisée en ce que le liant résineux est choisi dans le groupe qui comprend les uréthannes, les silicones, les caoutchoucs aliphatiques, les plastisols à faible température de fusion et les résines époxydes souples, capables de polymériser. 5. Matière selon la revendication 4, caractérisée en ce que les fibres polymères sont en polypropylène et le liant résineux en une résine de silicone. 6. Matière selon la revendication 4, caractérisée en ce que les fibres polymeres sont en polypropylene et le liant résineux est formé par une résine époxyde souple. 7. Matière selon la revendication 5, caractérisée en ce que la silicone est formée par un diméthylsiloxane à terminaison vinyle, un durcisseur de silane et un catalyseur au platine. 8. Matière selon la revendication 6, caractérisée en ce que la résine époxyde souple est un copolymère de bisphénol A et de glycérol avec un durcisseur du type anhydride.