Brevet FR2495545A1 — publié le 19820611

La présente invention se rapporte d'une façon générale aux matériaux composites, et elle concerne plus particu lièrement un matériau composite destiné à la fabrication de récipients à parois souples tels que des réservoirs, cellules à combustible ou autres éléments analogues qui peuvent être utilisés dans diverses applications automobiles et/ou aéronautiques. Bien que l'invention soit décrite plus précisément à propos de récipients souples destinés à contenir divers liquides volatils tels que, par exemple des combustibles du type hydrocarbures pour automobiles et/ou avions, elle peut également êtze appliquée à d'autres récipients destinés à contenir des substances de tous types, lesquelles peuvent comprendre aussi bien des liquides corrosifs ou autres substances corrosives que des substances non volatiles et non corrosives. L'invention se rapporte -plus précisément à un nouveau matériau composite renforcé de tissu qui comprend des nappes ou couches de revêtement polymères ou élastomères, ce matériau composite étant caractérisé par son aptitude à etre moulé en un récipient de forme ou configuration compliquée. Un récipient composé du matériau composite qui fait l'objet de l'invention peut Gtre utilisé en combinaison avec une enveloppe, un réservoir ou un bidon métallique ou tout autre type d'enceinte rigide, ou encore il peut être utilisé indépendam ment, le mode d'utilisation étant dicté par l'application particulière.Par exemple, un récipient du type mentionné peut astre utilisé dans les cellules à combustibles légères pour avions, dans lesquelles le réservoir de combustible doit épouser la forme complexe de l'espace libre qui est disponible à l'intérieur d'une aile d'avion. Les récipients de ce type trouvent également une utilisation dans l'industrie automobile, où le réservoir d'essence peut alors être logé dans le châssis du véhicule de manière à être moins vulnérable aux détériorations et/ou à la crevaison. Dans chaque cas, le réservoir souple doit épouser la forme du volume disponible dans le véhicule, que la forme de ce volume soit imposée par le châssis de la caisse ou par une enceinte montée séparément, spécialement conçue pour remplir l'espace disponible et dans laquelle le réservoir souple doit être placé. Dans la technique classique et en particulier pour les applications du type aéronautique, les réservoirs à combustible sont fabriqués sur des formes mâles rigides, par un procédé dans lequel on met les composants de la structure du récipient en place à la main et, ensuite, on les vulcanise ou durcit d'une autre façon avec la configuration de la forme male. En raison de la nécessité d'utiliser une matière de renforcement dans les réservoirs de combustible du type aéronautique, les techniques de fabrication classiques telles que celles qui sont utilisées pour les réservoirs à parois souples non renforcées ne peuvent pas astre appliquées dans ces cas, parce que le renforcement textile ne parvient pas à épouser parfaitement le profil d'un moule femelle de configuration complexe lorsqu'on utilise une opération de mise en forme par dépression.C'est pourquoi la forme mAle était et reste encore la technique classique de fabrication de ces re- servoirs de forme complexe, les formes males elles-mêmes é- tant faites de matière de différents types de composition, par exemple d'un carton suffisamment rigide pour supporter les éléments de la structure du réservoir au cours de sa confection et pendant son durcissement ou sa vulcanisation, que l'on peut extraire du réservoir vulcanisé en les dissolvant dans une substance liquide. Après l'avoir dissoute, on extrait la matière de la forme mâle de l'intérieur du réservoir vulcanisé par lavage, en la faisant couler par les orifices ménagés dans les parois du réservoir et servant au remplissage et à la vidange.Ce procédé de la technique antérieure est décrit avec plus de détails dans le brevet des US 2 700 181. Le procédé actuel de f#abricati.on de réservoirs à pa rois souples, de forme complexe, renforcés de tissus, est affecté d'un inconvénient grave en ce sens qu'il exige des opérations manuelles multiples qui doivent être exécutées par un personnel qualifié. Un autre inconvénient du mode de fabrication actuel consiste dans le fait que les formes mâles sont fabriquées individuellement, à raison d'une par réservoir, et que les formes sont finalement détruites par l'ope- ration d'extraction de ces formes du réservoir vulcanisé. Suivant un aspect, l'invention a pour but de créer un matériau composite pour réservoirs souples de forme complexe qui satisfaite aux spécifications à respecter pour contenir diverses substances ou divers liquides volatiles et/ou corrosifs, et qui soit tel que le réservoir puisse être fabriqué sans qu'on ait à recourir à des formes moles construites manuellement ni à une pose manuelle de la structure du réservoir. Suivant un autre aspect, l'invention a pour but de créer un matériau composite et un procédé de fabrication d'un réservoir souple de forme complexe, qui élimine les formes mâles et supprime la nécessité de dissoudre la matière de la forme dans le volume intérieur sur du réservoir vulcanisé et de lten extraire par lavage, et qui supprime en conséquence le risque de contamination du réservoir par la ma trière résiduelle de la forme qui peut ne pas avoir été entièrement dissoute et éliminée de l'intérieur du réservoir. Suivant l'invention, un matériau composite destiné à la fabrication d'un réservoir souple renforcé de tissu comprend une matière de renforcement du type tissu et au moins une couche de revêtement extérieur de matière polymère ou élastomère, ledit tissu comprenant des fils qui possèdent la propriété de pouvoir subir une variation de longueur effective lorsqu'ils sont mis en forme suivant une configuration complexe et fixés ensuite dans cette configuration par la vulcanisation ou le durcissement de la matière composite. Le procédé suivant l'invention consiste à faire agir une pression différentielle sur le matériau composite renforcé de tissu dans un moule concave qui possède la configuration désirée afin de faire pénétrer le#matériau composite dans les cavités du moule, cependant que la longueur effective des fils varie pour épouser la forme du moule, et, ensuite, à durcir ou vulcaniser le matériau composite de manière à fixer la forme du renforcement mis à la forme du-moule. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparatront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, - la Fig. 1A est une coupe verticale d'une partie du matériau composite suivant l'invention, prise avant la mise en forme et la vulcanisation - la Fig. 1B est une coupe verticale d'une partie du matériau composite représenté sur la Fig. 1A, après sa mise en forme et sa vulcanisation ; - la Fig. 2 est une vue en élévation, en coupe et en partie schématique, qui montre un procédé de fabrication d'un réservoir de forme complexe suivant l'invention - la Fig. 3 est une vue en perspective dtun réservoir de forme complexe à parois souples suivant l'invention, dont on a arraché une partie pour laisser voir l'intérieur. Sur la Fig. 1A, on a désigné dans son ensemble par la référence 10 une structure composite renforcée de tissu La structure 10 comprend d'une façon générale une matière de renforcement 12 du type tissu qui est collée à au moins une nappe ou couche faite d'un élastomère polymère ou d'un film polymère. Ainsi qu'on l'a représenté sur le dessin, une couche de gomme élastomère 14 peut être collée à une face du tissu et/ou une couche 16 constituée par un film polymère peut être collée à la face opposée du tissu par une gomme adhésive appropriée l8, l'une ou chacune des deux couches de revêtement répondant aux besoins du réservoir suivant l'in vention.Lorsqu'une couche de gomme élastomère 14 est collée au tissu, elle forme une surface externe 14a du récipient fermé qu'il s'agit de fabriquer à partir du matériau composite, tandis que la couche de film polymère forme la surface interne 16a de ce récipient. Les substances constituant les couches 14 et 16 peu vent être faites# i diverses matières polymères et/ou élasto- mères connues dans l'industrie, et ces matières peuvent être de types qui possèdent des propriétés de résistance aux substances volatiles et/ou corrosives ou n'en possèdent pas, suivant l'usage final réel du récipient à fabriquer. Les matières qui sont actuellement utilisées pour la fabrication de réservoirs à parois souples non renforcées et qui peuvent ê- tre également utilisées pour les réservoirs suivant l'irven- tion sont décrites dans la technique, des exemples de ces ma fériaux étant décrits dans les brevets des US 2 755 040, 3 801 402 et 3 453 164 de la Demanderesse. Le tissu de renforcement 12 est particulier à la-présente demande, et, bien que les fils du tissu puissent être composés de nombreux types de fibres synthétiques et/ou naturelles, les fils de nylon et/ou de polyester sont considérés comme les mieux capables de répondre aux besoins de l'inven- tion. Les fils peuvent être présentés dans une configuration tissée ou non tissée, mais ils doivent posséder des propriétés telles qu'ils soient capables de subir une variation de longueur effective au moins dans les directions perpendiculaires de la channe et de la trame de la structure du tissu. Cette capacité peut être obtenue de l'une ou l'autre de deux façons, la première consistant dans le mode de fabrication des filaments qui constituent les fils du tissu. Par exemple, il est bien connu dans l'industrie textile qu'un filament synthétique peut être étiré ou allongé dans une mesure telle que les molécules soient orientées, ce traitement ayant pour effet d'améliorer les propriétés de résistance à la traction du filament. Pour ce traitement, un coefficient d'étirage re présentant environ 4 à 6 fois la longueur initiale du filament à la sortie du filage est considérée comme normale dans l'industrie.Par conséquent, contrairement à la procédure normale d'étirage, la première forme de réalisation de l'invention consiste à étirer les filaments à un coefficient d'étirage inférieur au coefficient normal, par exemple à un coefficient de 1 à 3, et à fabriquer des fils puis une structure tissée à partir de ces filaments. Le tissu fabriqué au moyen de ces fils peut donc être étiré davantage, pour atteindre le coefficient d'étirage final de 4 à 6 lorsqu'il se trouve en présence des conditions nécessaires pour provoquer cet étirage additionnel.Suivant l'invention, les conditions qui provoquent cet étirage additionnel peuvent être réalisées dans le processus de fabrication de réservoirs souples faits d'un matériau composite composé d'un tissu et d'un polymère, dans lequel les fils du tissu doivent subir une modification de longueur effective de manière que le tissu puisse se mouler dans les cavités d'un moule femelle qui engendre le profil du réservoir.C'est ainsi qutun tissu composé de fils qui possèdent un coefficient d'étirage de 1 â 3 peut etre é tiré â un coefficient d'étirage final de 4 à 6 lorsqu'on le met à une configuration désirée La vulcanisation ou le durcissement consécutif de la structure composite provoque le fixage du tissu à l'état profilé désiré. Les fils du type en question sont décrits dans le brevet des E.U.A n03 842 583. Une deuxième solution dans laquelle les fils peuvent changer de longueur effective consiste à utiliser des fils composés de filaments qui ont été initialement étirés a un coefficient de 4 â 6 conformément à la procédure normale et, ensuite, à tisser ces fils pour obtenir un tissu du type tri- cot élastique et, plus précisément, un tissu du type "tricot jersey". Naturellement, le tricot est notoirement connu dans l'industrie textile, et il peut autre réalisé dans différentes configurations d'entrelaçage des fils de manière à posséder une capacité d'extension cut peut impliquer un allongement dans des directions autres que la direction de la channe et celle de la trame de la structure du tissu.Les tricots du type cité peuvent également comprendre des tissus connus sous la désignation de "Spandex". Une deuxième forme de réalisation de l'invention comprend donc une structure composite faite d'un tricot extensible revêtu de couches d'une ma tière polymère ou élastomère. Lorsque le matériau composite est moulé suivant une configuration complexe, les fils du tricot subissent un accroissement de longueur effective pour épouser la forme et les contours de la #cavité du moule femelle. La vulcanisation consécutive du matériau composite fixe le tissu dans la forme qu'il a prise. La Fig. 1B illustre la modification apportée à la longueur des fils du tissu du matériau composite 10 de la Fig. 1A après le moulage et la vulcanisation dans une configuration particulière. Le composite moulé et vulcanisé est désigné par la référence lOa, tandis que le tissu allongé est désigné dans son ensemble par la référence 12a. Sur la Fig.2, on a illustré un procédé de fabrication dtun réservoir souple renforcé de tissu qui utilise un maté- riau composite suivant l'une ou l'autre des formes de réalisation décrites plus haut Le réservoir, désigné dans son ensemble par la référence 100, est caractérisé par une forme complexe (Fig.3) et comprend une moitié supérieure 20 et une moitié inférieure 40. La moitié supérieure 20 est faite à partir d'un morceau plat de matériau composite 10 qu'on a placé dans un moule 30 servant à mouler la partie supérieure du réservoir, tandis que la partie inférieure 40 est fermée à partir d'un autre morceau plat de matériau composite 10 qu'on a placé dans un moule 50 servant à mouler la partie inférieure du réservoir 100. Le tracé en transparence 20t, 40' -montre la façon dont le matériau composite doit être placé pour que la couche élastomère 14, lorsqu'on en utilise une, soit placée face à la surface de l'empreinte du moule et que la couche 16, lorsqu'on en utilise une, soit dirigée vers l'extérieur de l'empreinte du moule. Les demi-moules 30 et 50 présentent des collerettes périphériques complémentaires 32 et 52 respectivement et, lorsqu'ils sont disposés bord à bord, ils forment une enceinte complète présentant des évents appropriés. Des moyens de serrage 60 placés le long de la périphérie du moule assemblent les deux demi-moules 30, 50 à joint étanche, tandis que des raccords 34 et 54 sont prévus pour être reliés â des sources de vide 36 et 56 servant à exercer des différences de pression sur les-morceaux de matériau composite 20 et 40.Naturellement, on peut envisager la possibilité d'utiliser une pression positive à l'intérieur de l'enceinte pour refouler le matériau composite 10 contre les parois du moule, et ceci est considéré comme étant dans le domaine de l'homme de l'art. En tous cas, on se rendra maintenant compte qu'une différence de pression exercée sur le matériau composite 10 provoque une variation de la longueur des fils du tissu de renforcement lorsque ce matériau composite entre en mouvement pour remplir la cavité du moule. On se rendra également compte que, lorsqu'on prévoit un film 16 et que ce film 16 est constitué par exemple par un film écran thermoplastique, l'aptitude de la différence de pression à mettre le composite en mouvement pour lui faire épouser le profil du moule est renforcée.Ceci est particulièrement vrai lorsqu'on exerce une dépression sur les moules pour plaquer le matériau composite contre les parois de la cavité du moule. Bien que la couche 16 puisse être une couche d'élastomère, le caractère de l'élastomère fait qu'il est plus difficile d'amener uniformément le matériau composite 10 dans les profils profonds du moule. C'est pourquoi on préfère utiliser, pour la plupart des applications aux réservoirs, une mince pellicule écran 16 faite d'une matière thermoplastique, par exemple de nylon. Lorsqu'on constate que le matériau composite 10 s'est pratiquement appliqué contre les parois de la cavité du moule, on soumet l'appareil â l'action d'une atmosphère de vulcanisation, tout en maintenant la pression dif férentielle, de manière à vulcaniser ou durcir les éléments du composite constitués par des matières élastomères et/ou polymères.De cette façon, les fils du tissu 12 qui sont allongés pour prendre la forme du moule sont maintenus dans cet état moulé par les éléments polymères ou élastomères vulcanisés ou durcis. La Fig.3 montre un réservoir 100 renforcé de tissu, de forme complexe et à parois souples qui a été réalisé conformément à l'invention et dans lequel la partie supérieure 20 est rendue solidaire de la partie inférieure 40 par moulage grâce à la présence des rebords moulés 22 et 42 respectivement. Bien que, pour la majeure partie des applications, llu- tilisation d'un rebord 64 venu de moulage soit suffisant, le réservoir peut être renforcé et raidi par l'insertion d'une matière élastomère additionnelle à la jonction des rebords. Ce résultat peut titre obtenu par l'utilisation d'une bande de matière polymère ou élastomère appliquée contre la face interne du réservoir, comme on l'a indiqué en 66 sur le dessin, ou que l'on interpose entre les rebords 22 et 42 ou encore que lton applique sur la face externe, de ntimporte quelle façon appropriée et acceptable. Suivant une variante, on vulcanise ou durcit partiellement le réservoir et on élimine le rebord 64. Ensuite, on applique la matière de renforcement 66 sur la face interne et/ou la face externe du réservoir, à la jonction des unités respectivement supérieure et inférieure 20 et 40, puis on parachève la vulcanisation pour obtenir un élément d'un seul tenant. Par ailleurs, si la couche de matière élastomère 14 est une matière thermoplastique, on peut souder la jonction des parties supérieure et inférieure 20 et 40 du réservoir après l'exécution de l'opération de vulcanisation ou durcissement. Ce soudage peut être exécuté par l'un quelconque des procédés de chauffage connus qui comprennent le chauffage par ultrasons, diélectrique ou a micro-ondes.Ce procédé facilite également le moulage et la vulcanisation séparés des demi-réservoirs respectivement supérieur et inférieur, qui peuvent être ensuite assemblés et soudés en une unité d'un seul tenant. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné plus haut, le récipient fabriqué suivant l'invention peut être utilisé en combinaison avec un bottier ou réservoir métallique distinct ou avec un autre type de structure rigide. Par exemple, dans l'application de l'invention à l'automobile, le matériau composite souple peut etre logé en quantité de doublure dans un réservoir d'automobile classique. A cet égard et dans le procédé de fabrication du récipient à parois souples, on peut utiliser une configuration particulière de réservoir de combustible pour automobile comme moule pour le récipient.Les demimoules 30 et 50 utilisent alors en réalité les moitiés supérieure et inférieure du réservoir métallique, qui constituent des parties intégrantes du moule, et on monte la matière composite 10 dans ces moitiés de réservoir de la même façon qu' on l'a décrit a' propos des moules 30 et 50. Les rebords pe- riphériques peuvent être assemblés par boulonnage, rivetage, soudage ou autre mode d'assemblage permanent, et on soumet le réservoir à une différence de pression pour plaquer la matière composite contre les profils du réservoir par dépression. Ensuite, on soumet ensemble à l'action d'une tempera ture de vulcanisation appropriée pour vulcaniser ou durcir le matériau composite et le fixer dans la forme du réservoir, ce matériau devenant alors partie intégrante de 1 'ensemble du réservoir. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Matériau composite pour la fabrication de récipients de forme complexe et à parois souples, caractérisé en ce qu'il comprend un tissu de renforcement (12), composé de fils qui présentent une propriété de modification de longueur effective-lorsquton les met en forme suivant une configuration complexe ; et au moins une couche de revêtement (14, 16) faite d'une matière polymère ou élastomère qui est collée audit tissu, le tissu étant fixé dans une configuration de forme complexe sous l'effet de la vulcanisation ou du durcissement du matériau composite. 2 - Matériau composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tissu de renforcement (12) comprend des fils de nylon. 3 - Matériau composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tissu de renforcement (12) comprend des fils de polyester. 4 - Matériau composite suivant l'une des revendications 2 et 3 > caractérisé en ce que le tissu (12) comprend des fils de chaine et des fils de trame entrelacés. 5 - Matériau composite suivant l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le tissu (12) #omprend des fils de chaîne et des fils de trame qui forment ensemble un tissu non tissé. 6 - Matériau composite suivant la revendication 1, ca ractérisé en ce qu'il comprend des fils qui présentent un coefficient d'étirage compris entre environ 1,0 et 3,0 avant dtêtre mis en forme et qui, lorsqu'ils sont mis en forme suivant une configuration complexe désirée, présentent un coefficient d'étirage d'environ 4,0 à 6,0. 7 - Matériau composite suivant la revendication 1, ca ractériséen ce qu'il comprend des fils tissés en une texture du type tricot extensible et présentant un coefficient d'étirage de 4,0 à 6,0 aussi bien avant qu'après la mise en forme suivant la configuration complexe. 8 - Matériau composite suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un tissu (12) constitué par un tricot jersey. 9 - Matériau composite suivant l'une des-revendications 6 et t caractérisé en ce qu'il comprend une couche de revêtement (16) faite d'un film de polymère collé à une surface du tissu, surface qui forme la face interne (16a) du récipient fabriqué à partir dudit composite. 10 - Matériau composite suivant l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comprend un tissu de renforcement (12) interposé entre une couche extérieure (14) de gommé élastique et une couche intérieure (16) faite d'un film de polymère, le tissu étant collé à chacune de ces couches. 11 - Procédé de fabrication d'un récipient souple renforcé de tissu, caractérisé en ce qu'on réalise une ma tière de renforcement constituée par un tissu (12) et qui comprend des fils capables de subir une modification de longueur effective lorsqu'on met cette matière en-forme suivant une configuration complexe ; on recouvre au moins une face du tissu d'un élastomère polymère (14, 16) ou d'un film po polymère, le tissu revetu constituant un matériau composite ; on place ce matériau composite dans des moules concaves (30, -50) qui servent respectivement a' mouler la partie supérieure (20) et la partie inférieure (40) du récipient ; on ferme et on serre les moules à joint étanche le long de leurs bords périphériques (32, 52) pour fixer le matériau composite à ces moules ; on applique une pression différentielle à chaque moule pour attirer le matériau composite dans les formes de la cavité du moule et mouler ce matériau à la configuration du moule; et on soumet le matériau composite mis en forme à l'action d'une atmosphère de vulcanisation en même temps qu' on maintient la pression différentielle pour vulcaniser le matériau composite et, de cette façon, maintenir le tissu dans sa configuration moulée. 12 - Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce qu'on retire de leurs moules respectifs (30, 50) les parties supérieure et inférieure (20, 40) vulcanisées du récipient, et on assemble les deux parties du récipient en les accouplant le long de leurs bords périphériques pour former un récipient fermé. 13 - Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que ltélastomère est une matière thermoplastique et en ce quton assemble la partie supérieure et la partie inférieure (20, 40) en thermosoudant les bords périphériques de ces deux parties pour former un rebord extérieur soudé. 14 - Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'on utilise des fils qui possedent un coefficient d'étirage d'environ 1,0 ä 3,0 avant la mise en forme et qui possèdent un coefficient d'étirage de 4,0 à 6,0 lorsque le récipient a été mis en forme â la configuration du moule. 15 - Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'on utilise des fils tissés en une texture de tricot extensible et qui présentent un coefficient d'étirage de 4,0 A 6,0 aussi bien avant la mise en forme suivant la configuration complexe du moule qu'après la mise en forme. 16 - Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'on utilise des demi-moules qui comprennent la partie supérieure et la partie inférieure d'un réservoir métallique pour combustible, et en ce qu'on assemble les bords périphériques du réservoir par des liaisons permanentes, on applique le matériau composite dans les formes du réservoir par dépression, et on le vulcanise, ce matériau devenant ainsi une partie intégrante de la structure du réservoir. 17 - Procédé suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'on utilise un matériau composite revêtu d'un film polymère (16) qui constitue la surface interne (16a) du ré- cipient. 18 - Procédé suivant la revendication 17, caractérisé en ce qu'on utilise un composite-qui est revêtu en outre d'une couche de gomme élastomère (14) qui constitue la surface externe (14a) du récipient.