Brevet FR2417572A1 — publié le 19790914

L'invention concerne un nouveau procédé pour I'imprégnation de fils textiles sous forme de bobines à l'aide d'une composition liquide, notamment de résine réticulable. L'invention est particu lièrement adaptée à la pré-imprégnation des fils de renfort pour matières plastiques reticulables. I1 est bien connu de renforcer les matières plastiques à l'aide de textiles sous formes diverses. Ces produits, dénommés également "stratifiés",sont largement répandus, de sorte qu'il n'est pas utile de décrire ici en détail leur fabrication. Généralement, on effectue l'imprégnation de la matière textile juste avant la mise en oeuvre de l'objet à fabriquer, c'est-à-dire,soit dans le moule lui-même lorsqu'il s'agit de pièces de formes variées, soit sur un mandrin lorsqu'il s'agit de tubes,de récipients ou autres objets creux. Ces techniques quoique très largement répandues présentent encore de nombreux inconvénients. Tout d'abord, comme on fait appel souvent à des organes tournants ou frottants, on a fréquemment dans le stratifié un taux de bulles important, ce qui se traduit par des imperfections sur le produit fini.En outre, comme la durée d'impré- gnation est relativement courte, la liaison fibres-matière plastique (dénommée aussi "matrice") est parfois défectueuse, sans compter que la capacité d'imprégnation est assez limitée et l'imprégnation ellemême à coeur et de manière homogène est difficile à réaliser. Enfin, la composition du stratifié obtenu n'est pas homogène et est variable d'un point à l'autre du stratifié et d'un stratifié à l'autre, ce qui en limite bien évidemment les performances. On a également proposé d'imprégner les fils par passage dans un bac de résine appropriée. Cette technique nécessite de faire passer les fils sur de nombreux guides de renvoi, ce qui provoque l'éraillage et même parfois la casse des brins élémentaires4 On a alors suggéré d'enrouler le fil sur un mandrin, puis de projeter la résine au pistolet ou par tout autre moyen analogue. Là encore, le stratifié présente de nombreuses bulles, ce qui diminue ses propriétés et détériore son aspect. Enfin, dans toutes ces techniques dans lesquelles l'imprégnation s'effectue de l'extérieur vers l'intérieur, les installations sont généralement volumineuses, couteuses et assez peu pratiques. L'invention pallie ces inconvénients. Elle se rapporte à un nouveau procédé d'imprégnation de fils sous forme de bobines plus facile à mettre en oeuvre, économique à réaliser et dans lequel les stratifiés obtenus ne présentent pas les défauts énumérés ci-dessus. Ce procédé pour l'imprégnation de fils textiles sous forme de bobines à l'aide d'une composition de résine réticulable se caractérise en ce que - tout d'abord, on dispose le fil à imprégner sur un mandrin rigide perforé de manière à former un enroulement régulier dans lequel le volume de vide correspond sensiblement au volume souhaité de résine, - puis, on enserre chaque bobine sur ses flancs, - et enfin, on injecte sous pression ladite composition à l'in térieur du mandrin perforé. En pratique, on superpose plusieurs bobines en les séparant entre elles par un flasque rigide de maintien et on applique une pression à chaque extrémité. L'invention est particulièrement adaptée au traitement des fils chimiques destinés au renfort des stratifiés. On peut citer les fils de carbone, de bore, de polyamides aromatiques à hautes performances. On traite avantageusement des fils "roving" de verre dans lesquels les filaments élémentaires sont disposés côte à côte sans torsion, sous forme de ruban. Le mandrin caractéristique de l'invention peut être réalisé en toute matière rigide insensible aux conditions du traitement, telle que par exemple en métal ou en matière plastique (pvc....). Comme déjà dit, ce mandrin doit être perforé, ces perforations pouvant être avantageusement des fentes radiales, voire des trous.On utilise de préférence des fentes disposées radialement en alternance, décalées les unes par rapport aux autres, de manière à favoriser la pé nétration de la résine. En pratique, on laisse les deux extrémités du mandrin libres de toute fente pour éviter des fuites préféi-entiel- les de résine à ces extrémités.On a déterminé- qu1avec les mandrins de dimensions usuelles, on obtient de bons résultats si chaque extrémité présentait une portion de trente (30) millimètres environ exempte de toute fente. De manière connue, on forme sur ce mandrin un enroulement à flancs droits dont la course correspond à la longueur du mandrin. Les conditions de bobinage sont définies pour obtenir une densité de bobine laissant un volume de vide correspondant au volume souhaité de résine. En pratique, ce rapport en poids de résine par rapport au poids de fil est un quart (1/4) à un tiers (1/3). En outre, les conditions de formation de l'enroulement-doivent être suffisantes pour permettre un déroulement facile de la bobine imprégnée. Par exemple, avec un roving de verre, on a déterminé que l'on obtient de bons résultats si - la densité apparente de l'enroulement (c'est-à-dire de la bobine) était comprise entre 1,35 et 1,42. - la croisure était voisine de 3,5, de préférence de 3,35 (la croisure désigne le nombre de spires de fil par longueur de bobine), - un indice de pose voisin de 0,5 à 0,6 (l'indice de pose désigne l'intervalle exprimé en longueur de fil, qui sépare deux spires de même sens, mais appartenant à la couche suivante ; en d'autres termes, un indice de pose de 0,55 signifie que la spire de même sens de la couche suivant la couche de référence est déposée à une distance de 0,55 fois la largeur ou le diamètre du fil). Comme déjà dit, de préférence, en pratique, les flancs de la bobine sont droits, c'est-à-dire forment un plan sensiblement perpendiculaire aux génératrices du mandrin. I1 est entendu toutefois que l'emploi d'autres formes d'enroulement, telles. que les bobines biconiques, n'est pas exclu. Ainsi, ces flancs, du fait du bobinage, sont composés d'un enroulement circulaire qui s'effectue lors de l'inversion de croisure, ce qui amène une densité de la bobine plus élevée sur ces flancs, donc une perte de charges plus élevée et par voie de conséquence une meilleure étanchéité latérale. Comme résine d'imprégnation, on peut utiliser des résines pures d'emploi courant pour la fabrication des stratifies. A titre d'exemple, on peut citer les polyesters, les polyènesters insaturés, les résines expoxy, furanîques, acryliques. La composition liquide de résine contient en outre différents catalyseurs et des adjuvants divers connus (accélérateur, promoteur, inhibiteur, photosensibili sateur, colorant ). La viscosité de la composition peut varier en fonction des conditions du traitement. On obtient de bons résultats avec des résines acryliques à base de diméthylacrylique du bisphénol A ethoxylé (DMABE). La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à l'appui des figures annexées. La figure 1 montre sommairement en coupe un enroulement de fil sur mandrin conforme à l'invention. La figure 2 représente vue de côté une installation de préimprégnation. La figure 3 est une vue de face de cette installation. Les figures 4 a 6 illustrent en coupe les flasques rigides plans respectivement inférieur, intermédiaires et supérieur. En se référant à la figure 1, dans laquelle les proportions et les quantités n'ont pas été respectées afin de ne pas surcharger inutilement le dessin - 1 représente un mandrin rigide par exemple en pvc rigide ayant par exemple les dimensions suivantes . diamètre intérieur : 76 millimètres diamètre extérieur : 90 millimètres . longueur : 270 millimètres - 2 désigne des fentes latérales de deux (2) millimètres de largeur, tracées par exemple à la scie sur environ cent vingt (120*) degrés d'angle, décalées les unes par rapport aux autres d'environ soixante (600) degrés et espacées de dix (10) à quinze (15) millimètres sur toute la longueur du mandrin 1, à l'exception deS deux extrémités 3 et 4 qui sont vierges de toute fente sur trente millimètres chacune environ - 5 représente des trous de centrage de la bobine pour assurer son déroulement ulterieur - 6 l'enroulement lui-même formé de spires élémentaires 7 de fil - 8 et 9 représentent les flancs droits de la bobine qui affleurent chaque extrémité du mandrin 1. Dans l'exemple de réalisation qui suit, les bobines sont formées par enroulement d'un fil de roving de verre sans torsion de 4720 Tex formé de filaments continus élémentaires de 13,5 r (origine OCF, ensimage type 891) avec une croisure de 3,37, un indice de pose de 0,55 et une densité de 1,35. Comme déjà dit, la course de cette bobine est de deux- cent soixante dix (270) millimètres. Chaque bobine élémentaire pèse environ dix sept (I7) kilogrammes. Sur un chariot (voir figure 2) monté sur glissières ou sur roulettes ou analogues, on empile plusieurs bobines en les séparant entre elles par un flasque de maintien rigide plan sur lequel s'appuient leurs flancs. En se référant à la figure 2 : - 10 désigne le sol - 11 et 12 deux montants métalliques verticaux - 13 et 14 des cornières de maintien en L - 15, 16 et 17 des traverses horizontales - 18 une goulotte disposée sur la traverse 17 pour former gout tière de récupération - 19 un conduit d'écoulement dans le bac de récupération 20 - 21 un conduit d'amenée de la résine avec sa vanne d'isolement 22 reliée à l'enceinte sous pression contenant la résine ou la composition de traitement, non représentée ; - 23 la rampe de distribution de liquide avec à chaque position une vanne d'arrivée 24 ;; - 25 un flasque rigide inférieur (voir détail figure 4) sur lequel se reposent les bobines 26 et plus précisément le mandrin 27 et les flancs bas 28 ; ce flasque 25 est surmonté d'un tenon 29 percé pour permettre le passage d'une barre de maintien et de centrage 30 constituée par exemple par un tube carré bouché à ses deux extrémités ; le diamètre extérieur de ce tenon 25 correspond sensiblement au diamètre intérieur du mandrin 1 ; - 32 un flasque rigide intermédiaire (voir détail figure 5) sur lequel s'appuie vers le bas le flanc supérieur de la bobine inférieure et vers le haut le flanc inférieur de la bobine supérieure ; ce flasque réalisé comme le précédent en une matière rigide non sensible aux conditions de traitement (par exemple en polypro pylène) est percé en son centre d'un orifice de passage pour le tube de centrage 31 ; - 33 un flasque rigide supérieur (voir détail figure 6) plein; - 35 un vérin pneumatique, par exemple du type CPOAC (poussée de 7 Kg/cm2) avec sa plaque d'appui 38, sa tige commandée 36 et sa plaque de répartition des forces 37, par exemple en métal, prenant appui sur le flasque rigide supérieur 33 ; ce vérin est relié de manière classique à une source pneumatique connue non représentée. Sur la vue de côté (voir figure 3), 40 représente la semelle de fixation et 41-42 un alésage dans un montant pour le passage du tuyau 21 d'arrivée de résine. Sur les figures 4 à 6 - 43 désigne un joint d'étanchéité, par exemple en élastomère sur lequel s'appuie le mandrin 27. - 44 le branchement sur la canalisation 21. Le diamètre des tenons 29,45,46et 47 est légèrement supérieur au diamètre intérieur du mandrin 27 et le diamètre des flasques 23, 32 ou 33 est légèrement supérieur au diamètre de la bobine 26 à traiter. Comme on le voit sur la figure 3, l'installation est du type dit "double-face" et en pratique, comporte quatre bobines superpo suées par rang, bien que pour la clairet du dessin, on n'en est représenté que deux dans chaque rangée-. Le fonctionnement de cette installation est le suivant. On place la composition de resine,avec son sensibilisateur, dans un récipient connu non représenté, résistant à la pression. On empile plusieurs bobines par rangée les unes sur les autres, en plaçant la barre de centrage 31 au centre du mandrin et les dif férents flasques rigides inférieur 25, intermédiaires 32 et supérieur 33.0n met ensuite les vérins 35 en pression gracie à un circuit pneumatique connu et non représenté. On place alors le chariot et le récipient de résine dans une étuve classique chauffée par de l'air recyclé à 50-550C. De ce fait, la viscosité initiale qui était de vintg trois (23) poises est ramenée à une poise. On relie alors le récipient de résine par le bas à la canalisation 21 et vers le haut à une source d'air comprimé non représentée (par exemple de 3 Kg/cm2). On ouvre ensuite les différentes vannes 22-24 de manière à chasser tout d'abord l'air du circuit au travers des enroulements 26. Progressivement, l'air chassé est remplacé par la résine qui diffuse au travers de la bobine 26. L'excès de résine qui sort des bobines est ensuite récupéré par gravité dans la goulotte 18 et ensuite par le conduit 19 dans le bac 20. Du fait de la croisure de ltenroulement 26, chaque bobine se comporte comme une vanne élémentaire. En effet, la croisure des fils donne une perte de charge homogène sur la totalité de la surface de la bobine et permet ainsi une diffusion de la résine dans toutes les directions. En outre, comme les extrémités du mandrin ne sont pas fendues, il n'y a pas de fuites latérales lors de l'imprégnation qui s'effectue alors de manière homogène. L'opération d'imprégnation est terminée lorsque l'on ne voit plus de petites bulles en surface. Cette opération peut durer en pratique entre cinq et sept heures. On arrête alors la pression de l'air comprimé sur la résine, puis on ouvre les vérins 35 et enfin, on retire le chariot de l'étu- ve. Les bobines imprégnées ou pré-imprégnées de la sorte présentent de nombreux avantages par rapport à celles obtenues avec les techniques décrites dans le préambule. On peut citer entre autres - faibles pertes de matières premières lors du processus opératoire, - taux de résine déposé constant et précis, - faible taux de bulles (inférieur à 0,5 %), - équipement compact,simplifié et pratique. Les stratifiés réalisés de manière connue à partir de ces bobines pré-imprégnées par superposition, guipage ou autre et durcissement, sont réguliers, homogènes et présentent d'excellentes propriétés mécaniques. Ces bobines imprégnées peuvent être utilisées avantageusement dans les techniques de stratification sur mandrin ou par "pultrusion", c' est-à-dire des techniques du type dans lesquelles on défile les fils imprégnés en continu. A titre d'exemple, on peut citer la fabrication des tubes, des poteaux ou de récipients creux. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'imprégnation d'un enroulement de fil sous forme de bobine à i taide d'use composition liquide de résine réticulable, ans lequel tout abord, on dispose le fil à imprégner sur un mandrin rigide perforé, puis or. enserre chaque bobine sur ses flancs et cn injecte sous pression ladite composi- tion à ltintérieur du mandrin perforé, caractérisé en ce que le fil à imprégner disposé sur le mandrin perforé forme un enroulement régulier dans lequel le volume de vide correspond sensiblement au volume souhaite de résine et en ce que le mandrin présente des fentes radiales décalées et espacées sur toute la longueur du mandrn, à l'exception des deux extrémités qui sont dépourvues de toute fente. 2. procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on superpose plusieurs bobines en les séparant entre elles par des flasques rigides prenant appui sur les flancs de chaque bobine et on enserre l'ensemble en appliquant une pression à chaque extrémité. 3. Procédé selon l'urne des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'enroulement régulier est du type à flancs droit 4. Procédé selon lTune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les flasques rigides sont en matière plastique et présentent un joint d'étanchéité sur lequel repose l'extrémité du mandrin. 5. Procédé selon ltune quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que les flasques intermédiaire et inférieurs présentent en outre un orifice connecté au conduit d'amenée de résine réticulable. 6. Procédé selon lTune des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on opère à chaud. 7. Procédé sclcn l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la composition de résine réticulable est à base de diméthylacrylique du bisphénol A éthoxylé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que le fil est un roving de verre sans torsion. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que - la croisure de l'enroulement de roving est voisine de 3,5, - la densité apparente de cet enroulement est comprise entre 1,35 et 1,42, - l'indice de pose du fil sur la bobine est compris entre 0,5 et 0,6. 10. Bobine de fil imprégné obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon itune quelconque des revendications 1 à 9.