Brevet FR2598649A1 — publié le 19871120

tLa présente invention concerne un proc:cie d'imprégnation en continu de fibres de grande longueur de nature organique, minérale ou métallique par des produits polymériques à l'état solide pulvérulent. Dans la présente invention, on entend par "fibres de grande longueur" tous produits se présentant sous forme de fils, filaments, mèches et analogues de grande longueur. De même, on entend par produits polymériques tous polymères, qu'ils soient du type 10 thermodurcissable ou thermoplastique chargé ou non et se présentant à l'état solide pulvérulent. On sait déjà imprégner en continu des fibres par différentes techniques telles que: - passage de la fibre dans le polymère à l'état 15 fondu; passage de la fibre dans une solution ou une suspension liquide contenant le polymère; - passage de l1 fibre dans un lit fluidisé du polymère en poudre. De telles opérations sont alors suivies d'un traitement thermique amenant le polymère dans un état permettant la pénétration de ce dernier au sein de la fibre et les opérations de façonnage telles que le moulage. Or ces techniques présentent au moins l'un des inconvénients suivants, en particulier lorsque le polymère est thermoplastique: - gainage irrégulier et non homogène de la fibre conduisant ultérieurement, lors du traitement 30 thermique, à une imprégnation irrégulière et non homogène et, par conséquent, à des propriétés médiocres surtout au vieillissement; nécessité de l'élimination du liquide ayant servi à la mise en solution ou en suspension du polymère, 35 cette élimination ne pouvant se faire qu'avec des dispositifs de chauffe appropriés associés aussi éventuellement à des dispositifs de récupération, voire de recyclage; difficulté de se débarrasser des traces résiduelles de liquide et formation de pores qui sont nuisibles à une bonne adhérence entre fibres et matrice polymérique et donc à de bonnes propriétés mécaniques; contrôle délicat du rapport des poids ou des volumes respectifs de polymère et de fibres, ce rapport étant fonction (séparément ou simultanément): du 'taux" de passage des fibres dans le milieu d'imprégnation (ce taux dépend entre autres, de la 10 quantité de fibres, de leur vitesse de passage dans le milieu d'imprégnation); de la durée d'immersion dans la solution, la suspension ou le lit fluidisé; de la concentration de la solution ou de la 15 suspension; de l'efficacité du dispositif utilisé pour l'élimination de l'excès de polymère; - difficulté du maintien de l'homogénéité et de la concentration en polymère du milieu d'imprégnation; - difficultés rencontrées pour la réalisation ou la constitution du milieu d'imprégnation. La présente invention a pour but d'obvier à ces inconvénients et fournit un procédé d'imprégnation en continu de fibres organiques ou minérales au moyen d'un 25 produit polymérique solide à l'état pulvérulent, en suspension dans un gaz, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il consiste à faire passer ces fibres en continu dans un aérosol, c'est-àdire une dispersion instable, éventuellement en mouvement, à concentration en 30 particules ou microparticules globalement constante dudit produit polymérique pulvérulent dans un gaz, ce passage étant suivi d'un traitement thermique et d'une opération de façonnage. Suivant d'autres caractéristiques: 35 - le milieu gazeux est l'air; t - la poudre polymérique est constituée de particules ou microparticules ayant une dimension de 5 à 250,m. L'invention vise également toute installation mettant en oeuvre le procédé ci-dessus. Suivant la caractéristique principale d'une telle installation, celle-ci comprend une enceinte dans laquelle est généré ou introduit un aérosol de particules ou microparticules, des moyens pour introduire ou générer 10 dans cette enceinte un tel aérosol et des moyens pour admettre les microparticules ou particules dans le générateur d'aérosol. Suivant un mode de réalisation avantageux: - l'enceinte affecte la forme d'un tube que les 15 fibres traversent au moins une fois sur toute sa longueur; - l'enceinte comporte des moyens pour collecter les particules ou microparticules non captées et les recycler aux moyens d'admission de ces dernières dans le 20 générateur d'aérosol. D'autres caractéristiques et les avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre faite en regard de la figure annexée illustrant de façon schématique un mode de mise 25 en oeuvre possible du procédé selon l'invention. Un aérosol peut être caractérisé par sa concentration à un instant donné en rapportant, par exemple, le poids total des particules en suspension au volume de gaz o elles se trouvent. On notera alors que 30 l'ensemble gaz + particules en suspension pourra être mis en mouvement dans une enceinte ou dans un conduit. Les vitesses du fluide et des microparticules relèveront ainsi de la physique des aérosols si bien que, dans le cas du déplacement dans un conduit, avec des 35 concentrations élevées, on pourra parler d'un transport pneumatique. Toutefois, en aucun cas, un aérosol tel qu'il vient d'être défini, ne pourra être confondu avec un lit fluidisé pour lequel la notion de concentration n'a pas de sens par rapport au gaz de fluidisation. Confondre un lit fluidisé et un aérosol serait, en quelque sorte, confondre un liquide et sa vapeur. Comme un liquide, un lit fluidisé possède une surface supérieure horizontale tandis qu'un aérosol n'a pas, par définition même, de limite de séparation d'avec le gaz. Ainsi, conformément à l'invention, on crée, dans le volume gazeux d'une enceinte, un aérosol de particules ou de microparticules solides d'une substance polymérique pulvérulente, enceinte que traversent les fibres vierges à traiter, lesquelles ressortent en entrainant avec elles lesdites particules ou microparticules solides. On constate alors que si l'enceinte est un tube ou un conduit que les fibres parcourent au moins une fois dans toute sa longueur ou si cette enceinte est suffisamment longue ou le temps de t2 séjour des fibres est suffisant, toutes les particules ou microparticules en suspension sont captées. On peut toutefois réduire la longueur de l'enceinte en recyclant la poudre de polymère en suspension non captée. A cet effet, on peut créer un courant d'air ou de gaz dans l'enceinte qui dirige la fraction non captée vers un dispositif classique de séparation comme un cyclone ou analogue, La poudre de polymère récupérée est alors immédiatement renvoyée par tout système approprié (gravité, bande transporteuse, vibration, etc.) aux moyens d'admission servant à la formation de la suspension. Les particules ou microparticules de substance polymérique ainsi recyclées s'ajoutent alors à celles admises normalement, augmentant de la sorte la concentration globale de produit dans l'enceinte. Une telle augmentation de concentration permet donc une capture plus abondante des particules ou microparticules par les fibres, si bien que la quantité de polymères emportée augmente. Il s'établit alors un équilibre dynamique suivant lequel, dans la même unité de temps, la fibre emporte autant de polymère que l'installation en reçoit. Le Demandeur ne préjuge pas de la nature des mécanismes de capture, par les fibres, de la poudre de la substance polymérique en suspension dans le milieu 10 gazeux. Il est certain que les forces électrostatiques y jouent un rôle important. La différence de charges électrostatiques entre les particules et les fibres favorise la capture; la maîtrise de ces charges, même si elle n'est pas indispensable à l'invention, autorise une 15 conception plus ramassée de l'enceinte et régularise le fonctionnement en assurant la stabilité de la production. Cette maitrise accessoire a été obtenue en chargeant ou déchargeant la poudre ou les fibres, La décharge est obtenue par passage devant une source radioactive comme 20 le Kr86 tandis que la charge est obtenue par bombardement par des petits ions chargés d'un seul signe ou encore par effet couronne. L'utilisation d'un aérosol de microparticules ou particules solides pour imprégner en continu des 25 fibres présente les avantages suivants: - la quantité de polymère emportée par la fibre dans une installation donnée est déterminée par la quantité de polymère apportée à l'installation et non par le temps de séjour, la vitesse ou la longueur de 30 parcours. Le taux pondéral de renfort par rapport à la matrice polymérique est en général compris entre 20 et Z; - le vecteur d'imprégnation est le plus souvent de l'air éventuellement séché. A l'encontre des 35 dispositifs connus d'imprégnation en suspension ou en solution, il n'est pas nécessaire de prévoir un étage de séchage, de récupération ou de recyclage du liquide après l'imprégnation; - certains polymères en poudres très fines et mottants comme les résines phénoliques solides sont pratiquement influidisables mais peuvent être mis sous forme d'aérosols; - les polymères en poudre qui ont subi un traitement par un liquide ou additionnés de quelques pourcents de liquide (ce qui est d'un usage courant avec les thermodurcissables en poudre) ne peuvent être fluidisés ou mis en solution ou en suspension; en 10 revanche, il est possible de les mettre sous forme d'aérosol, sans modifier la formulation initiale. L'imprégnation par cette voie, comme tout dispositif d'imprégnation, s'inscrit dans une ligne de production de produits finis ou de semiproduits dont 15 elle ne constitue qu'une étape. De telles lignes comprennent des dévidoirs de fibres, le dispositif d'imprégnation luimême, des fours, des filières, des conformateurs et autres éléments nécessaires appropriés. Les semi-produits et les produits finis 20 produits sur de telles lignes et utilisant au niveau de l'imprégnation le procédé selon l'invention peuvent être à matrice thermoplastique, thermodurcissable ou mixte; ils peuvent être renforcés par toutes fibres organiques et minérales disposées de façon unidirectionnelle ou avec 25 des ajouts de renforts transversaux. Le taux pondéral de renfort par rapport à la matrice dans les produits finis ou les semi-produits peut atteindre quelques pourcents, mais en général ne descend pas au-dessous de 20 X et ne monte pas au- delà de 90 Z. En se référant au schéma annexé d'une installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention, les éléments représentés à titre d'exemple sur ce schéma sont: - une enceinte tubulaire 1 dans laquelle est 35 introduite par le tube 3 la suspension du type aérosol de polymère à partir d'un générateur pneumatique 2 d'aérosol alimenté en air comprimé par le tuyau 4; - les fibres 10 qui passent devant la source radioactive 5 (ayant une action sur la charge électrostatique de ces fibres) pénètrent et sortent de l'enceinte (en 15) par de petites fenêtres (non représentées); - les microparticules en suspension qui sédimentent sont récupérées par la vis d'Archimède 7 visible pour les besoins du dessin dans la partie ajourée et son moteur d'entrainement 8. La poudre est envoyée 10 vers l'élutriateur 6; - les particules non captées par les fibres tombent dans l'élutriateur 6; - glissant sur les parois de l'élutriateur 6, la poudre tombe dans une coupelle tournante 11 (moteur 15 d'entrainement 12); - le polymère 13 alimentant l'installation est dosé par la trémie vibrante 14 pour tomber dans la coupelle 11; - le générateur d'aérosol 2 par l'intermédiaire 20 du tuyau 9 aspire tout le polymère contenu dans la coupelle 11 à mesure qu'elle tourne; - les fibres ressortent imprégnées par les fenêtres 15 avant d'entrer dans un four o elles subiront les traitements thermiques nécessaires à leur transformation, mais ne faisant pas partie de l'invention. Une autre variante d'installation consiste à introduire directement l'aérosol en un point quelconque de l'enceinte 1 ou à le générer en un point quelconque de 30 cette enceinte, ce qui rend alors inutile le tuyau 3. Une autre variante d'installation consiste à transformer l'élutriateur 6 en cyclone: pour ce faire, on place un ventilateur d'aspiration à sa partie supérieure, ce qui met favorablement l'enceinte 1 sous 35 dépression. Dans une autre variante. on pourra contrôler la charge de l'aérosol par une source radioactive, non représentée, placée dans un tuyau 3 par exemple et remplacer le dispositif 5 par un dispositif de création de petits ions pour charger à volonté la fibre. Exemples d'utilisation du procédé Le procédé selon l'invention, intégré dans une ligne de production a permis de faire des profilés rectangulaires d'une section de 15 X 5 mm (produits 10 finis) et du ruban d'injection de 15 X 0,5 mm (semi-produits) à 15 X 1,2 mm. L'alimentation en polymère de l'installation selon l'invention a varié selon les essais de 1 à 4 kglh -1 et la vitesse de passage des fibres de 0,3 à 7 m.mn en fonction du taux de renfort souhaité. Les rubans disposés parallèlement dans un moule ont été moulés à la presse pour faire des plaques dans Orlesquels les éprouvettes d'essai mécaniques sont découpées à la scie diamantée. Les essais mécaniques en flexion ont été effectués en respect de la norme NF T5100 soit directement sur les profilés, soit sur les éprouvettes découpées. Les fibres sont toujours disposées perpendiculairement aux appuis. Dans le cas de renforts 25 transversaux, des éprouvettes découpées perpendiculairement au sens des fibres ont été testées. Les exemples en question sont présentés sous forme de tableau. 15 20 25 > PoldymèreFibre Conditions Pronriér.s en d'imprégnation flexion Nature Granulo- Nature Ta,,x 'itesse Débit Contr. max. odle trieen volume 1 polymère a pm;ti en volume m mn-!a _,. 'gk2.h Polyéthylène téré- 100-250 Verre E 43 4.3 I 1000 31500 phtalate Polypro-ln 50-100 Verre E 46 4.3 1 450 30000 pylène Polpro Polypro-lne 100-250 Verre E 30 4.3 4 250 18500 pylyane Polyamide 100-250 Verre E 49 0.4 2 1000 34000 6-6 Polyamide 100250 Verre E 470 27000 6-6 "bouclette" 38 * 5000 Polyester insatur avec charge 40-250 Verre E 40 3.2 3.3 700 29500 minérale Phénolique * mesures effectuées dans le sens transversal aux fibres. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif et que toute modification, notamment au niveau des équivalences, pourra y être apportée sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé d'imprégnation en continu de fibres de grande longueur de nature organique, minerale ou métallique par des produits polymeriques à l'état solide pulvérulent en suspension dans un gaz, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer ces fibres en continu dans un aérosol, éventuellement en mouvement, à concentration en particules ou microparticules globalement constante desdits produits polymériques pulvérulents dans un gaz, 10 ce passage étant suivi d'un traitement thermique et d'une opération de façonnage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu gazeux est l'air. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 15 2, caractérisé en ce que les particules ou microparticules de produits polymériques pulvérulents ont une dimension pouvant aller jusqu'à 250 pm. 4. Installation mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 20 caractérisée en ce qu'elle comprend une enceinte (1) comportant les moyens d'admission (3-9) d'une suspension du type aérosol de polymères à partir d'un générateur d'aérosol (2) alimenté en air comprimé.(4) et un moyen de circulation des fibres (10) dans cette enceinte. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'enceinte (1) affecte la forme d'un tube que les fibres (10) traversent au moins une fois sur toute sa longueur. 6. Installation selon l'une des revendications 30 4 ou 5, caractérisée en ce que l'enceinte (1) comporte des moyens (7-11) pour collecter les microparticules en excès et les recycler (9) aux moyens d'admission de ces dernières. 2598649 1l 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (5 ou en 3) pour agir sur la charge électrostatique des fibres (10) et/ou sur la charge des particules ou microparticules.