Brevet FR2605026A1 — publié le 19880415

Procédé intégré de fabrication et de densification par compression de préformes thermoplastiques renforcées La présente invention concerne un semi-produit à base de résine thermoplastique qui est préparé selon le principe général papetier, en une préforme qui acquiert sa géométrie finale par moulage à chaud sous pression. On connaît déjà des matériaux en feuilles papetières tels que ceux décrits dans le document FR-A-2 481 707 et qui, constitués d'une matrice thermoplastique armée de fibres de renforcement, sont destinés à être transformés par moulage-estampage en des pièces de formes complexes. L'intérêt de ces matériaux, par rapport à d'autres produits obtenus par des procédés classiques de l'industrie plastique, réside dans le fait que les fibres de renforcement, par exemple des fibres de verre, sont, au moment de leur dispersion aqueuse, toutes individualisées et uniformément réparties dans les trois dimensions. Néanmoins, ces matériaux présentent encore par rapport à l'idéal attendu par l'Homme du métier, certaines limitations 1 - Leur transformation en pièce finale, c'est-à-dire étape postérieure à la fabrication sur machine à papier, s'effectue tout d'abord par préchauffage à une température supérieure à celle du point de fusion de la matrice thermoplastique. Ce préchauffage peut s'effectuer de deux manières soit directement à partir de la quantité nécessaire de feuilles papetières placées entre deux plateaux chauffés. soit indirectement à partir de plaques obtenues par densification à chaud des précédentes feuilles papetières, lesdites plaques étant à leur tour préchauffées dans des étuves à rayonnement infra-rouge ou air chaud. Dans les deux cas, et surtout le second, la dépense énergétique est mauvaise puisqu'on n'exploite pas le fait qu'en fin de séchage, les feuilles papetières sont déjà à une température supérieure à 1000C. D'autre part, des opérations de découpe de feuilles et plaques sont nécessaires. Enfin, le préchauffage par étuvage impose l'addition de stabilisants thermiques à des taux très supérieurs à ceux couramment suffisants dans les procédés classiques de moulage par injection. 2 - Une fois préchauffée, la quantité de matériau à mouler est transférée dans un moule froid où elle est refroidie sous pression. Si, comme c'est le plus souvent le cas, et l'objectif de ces matériaux, la pièce moulée est complexe, c'est-à-dire qu'elle comporte des nervures, des plans perpendiculaires, alors il est connu de l'Homme du métier que pour remplir totalement le moule, la quantité de matériau chaud doit etre déposée dans ce moule sous forme d'une pile de feuilles ou de plaques dont la base a une surface inférieure à la surface projetée dudit moule, et ce afin que, lors de la fermeture du moule, le matériau chaud s'écoule selon tous les plans, dans les moindres reliefs. Mais obtenir un tel écoulement du matériau non encore refroidi, nécessite d'appliquer des pressions de 100 à 200 bars et donc, dès que les pièces deviennent importantes, il faut disposer de presses hydrauliques de plusieurs milliers de tonnes. 3 - Un autre inconvénient consécutif à cet écoulement du matériau chaud réside dans le fait que si, contrairement à d'autres procédés plastiques, les caractéristiques mécaniques moyennes sont constantes en tous points de la pièce finale1 celles-ci demeurent cependant variables selon les trois dimensions car les fibres de renforcement se réorientent lors de l'écoulement. 4 - Une autre limitation, due également à l'écoulement au moulage, consiste en ce que dans des applications où le renfort fibreux pourrait être pour partie constitué de fibres cellulosiques de bas prix par rapport aux fibres synthétiques telles que les fibres de verre, ces fibres cellulosiques ne peuvent être utilisées, car du fait de leur surface spécifique élevée elles augmentent considérablement la viscosité du matériau préchauffé et annihilent ainsi sa capacité d'écoulement. 5 - Un autre problème commun à toutes les techniques de moulage par compression, est que certaines pièces doivent présenter des évide ments et que ceux-ci ne peuvent être effectués qu'après moulage, donc par une opération supplémentaire de découpe et avec une perte de matière. 6 - Enfin, pour certaines applications, il est nécessaire que l'une des faces de la pièce finale présente un état de surface particulier. Pour ce on peut utiliser une feuille de surface telle que celles décrites dans le document FR-A-2 508 842, mais cette technique nécessite d'une part que ladite feuille soit d'une surface supérieure à la surface développée de la pièce, d'où perte de matière, et d'autre part que l'on dispose en parallèle d'un second poste de préchauffage pour cette feuille de surface. Le but de la présente invention est de proposer une solution à toutes ces limitations tout en conservant les avantages des matériaux décrits dans le document FR-A-2 481 707. A cet effet, la présente invention propose un procédé intégré de fabrication et densification par compression de préformes thermoplastiques renforcées. à partir d'une suspension aqueuse comportant au moins une résine thermoplastique, des fibres de renforcement, au moins un adjuvant papetier et au moins un adjuvant plastique. Ce procédé est caractérisé en ce que, par dépression, sont effectuées sur une même forme, les opérations de formage, d'essorage, puis séchage et chauffage à l'aide d'un courant d'air chauffé à une température supérieure au point de fusion de la matrice thermoplastique. Ainsi, selon l'invention, la dispersion aqueuse de tous les éléments entrant dans la composition de la pièce finale n'est plus essorée et séchée en feuille, mais en une préforme aussitôt préchauffée puis densifiée aux côtés de la pièce finale. Par préforme, on entend que les éléments de la composition choisie sont moulés par voie humide en un semi-produit ayant dans les trois dimensions, les contours généraux de la pièce finale. Le cas échéant, l'une des faces de la préforme obtenue épouse exactement le contour de la face correspondante de la pièce finale. Par fibres de renforcement, on entend les fibres minérales (fibres de verre, de carbone, de céramique...) les fibres métalliques (acier inoxydable...) ou certaines fibres synthétiques organiques à haut point de fusion (polyamides aromatiques, polyesters...) et les fibres cellulosiques. Les fibres utilisées peuvent avoir des longueurs jusque vers 30 mm. Dans une même composition on peut avoir des fibres de natures différentes et/ou de longueurs et/ou de diamètres différents. Les fibres de verre constituent le renfort privilégié, mais on peut aussi utiliser pour partie des fibres cellulosiques papetières raffinées ou non. Par matrice thermoplastique, on entend une résine ou un mélange de résines compatibles entre elles parmi les polyoléfines, les polyamides, les polyesters, les polyphénylène éthers et toutes autres résines thermoplastiques techniques. Cette matrice thermoplastique est préférentiellement apportée sous forme de poudre dont la granulométrie moyenne est inférieure à 800 micromètres. Elle peut aussi se présenter pour tout ou partie sous forme de fibres coupées d'une longueur inférieure à 3 mm ou sous forme de pâte de polyoléfine notamment quand, comme décrit dans le document FR-A-2 481 707, la composition ne comporte pas de fibres cellulosiques. Par adjuvant papetier, on entend les dispersants, les liants et les floculants connus de l'Homme du métier comme nécessaires à la réalisation de compositions papetières, par exemple ceux décrits dans le document FR-A-2 481 707. Par adjuvant plastique, on entend les stabilisants thermiques, les colorants, les plastifiants, les agents améliorant l'interface fibre-résine et tous autres agents connus de l'Homme de matier pour avoir les qualités plastiques souhaitées. Enfin, les préformes selon l'invention peuvent en outre comporter des charges minérales, mais le taux global en poids de matière infusible (fibres de renforcement et charges) ne peut excéder 60% de la préforme afin que celle-ci demeure moulable en la pièce finale. En outre, chaque fois qu'un état de surface particulier est souhaité, on peut alors effectuer un double essorage - premièrement celui d'une composition dite de surface, - ensuite, à travers cette première couche, celui d'une des compositions ci-dessus envisagées qui assure alors le renfort. Par composition de surface, on entend des compositions telles que celles décrites dans le document FR-A-2 508 842 ou comportant des fibres cellulosiques telles que dans l'exemple 3 ci-après. Selon un premier mode de réalisation, le double essorage peut s'effectuer par essorage indépendant préliminaire de la suspension formant la composition de surface, puis par essorage, au travers de la couche préformée de surface, de la suspension aqueuse de support. Selon un second mode de réalisation, l'on essore en continu à la fois les suspensions de surface et de support. Si des évidements sont souhaités dans la pièce finale, la forme utilisée dans le procédé de l'invention comporte des parties non poreuses aux emplacements correspondant à ceux des évidements. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 montre en section transversale schématique une forme utilisable conformément au procédé de l'invention, la figure 2 montre en section transversale schématique la préforme obtenue dans la forme de la figure 1, la figure 3 montre en coupe transversale schématique un moule utilisé pour densifier la préforme de la figure 2. La figure 1 montre la forme 1 dans laquelle s'opèrent selon l'invention les quatre opérations de formage, d'essorage, de séchage et chauffage. Cette forme 1 consiste en un support 2 de préforme, séparant une chambre inférieure 3 et une chambre supérieure 4. Le support poreux a, dans les trois dimensions, la géométrie générale de la pièce finale. Il comporte essentiellement des parties métalliques poreuses 5 destinées à laisser passer l'air et l'eau et à retenir la matière constituant la préforme. Le support peut comporter des parties non poreuses 6, où la matière ne se déposera pas, ce qui entraenera des évidements correspondants dans la préforme. La chambre inférieure 3 est reliée par des moyens non représentés à un ou plusieurs cuviers de -suspensions aqueuses, et à des moyens générateurs d'air chaud.La chambre supérieure 4 est reliée à des moyens non représentés de dépression. La dispersion aqueuse des divers éléments de la pièce finale (fibres de renforcement, matrice thermoplastique, adjuvants papetiers et plastiques) est admise dans la chambre inférieure d'essorage 3 où elle est essorée par aspiration sous dépression de l'eau au travers des parties poreuses 5 du support. La chambre d'essorage 3 est calculée de manière que l'intensité d'essorage soit constante en tous points du support poreux 5. Ainsi le déplacement de matière nécessaire pour assurer le moulage final est très faible si bien que des pressions élevées ne sont plus nécessaires, que des fibres cellulosiques peuvent être mises en oeuvre et que les fibres de renforcement non réorientées conservent dans la pièce finale la parfaite répartition qu'elles ont après essorage, d'où des caractéristiques constantes dans-les trois dimensions.Par ailleurs, le choix d'une dépression de bas en haut permet à la matière de se plaquer sur le support poreux sans que la gravité impose des zones de dépôt préférentielles. La préforme 7 obtenue après essorage a la forme représentée en figure 2, avec ses parties pleines 8 et ses évidements 9. Après essorage, la préforme 7 toujours plaquée par dépression contre le support 2, est alors traversée par un courant d'air chauffé à une température supérieure à la température de fusion de la matrice thermoplastique. On a ainsi en une seule opération le séchage et le chauffage, avec le bilan énergétique minimum, sans opération de découpe, et sans avoir à utiliser un excès de stabilisant thermique. Dans une troisième et dernière étape, la préforme chaude 7 est décollée du support 2 et transférée dans le moule froid 10 (fig.3) où par densification et refroidissement sous pression, elle acquiert la forme définitive de la pièce. Le support poreux doit avoir exactement le même contour que le moule afin de ne pas avoir déchirement de la couche de surface lors du moulage. On voit que par rapport à l'art antérieur, la présente invention permet d'éviter une perte de matière et un poste de préchauffage supplémentaire. Du fait que les autres opérations de formage, essorage, séchage et chauffage sont réalisées dans la même forme 1, on constate, outre un gain d'énergie, un gain de productivité et donc un accroissement de la rentabilité. Une originalité importante de l'invention est de s'affranchir de tout pressage d'essorage : selon l'invention, le seul pressage imposé est le pressage de densification finale, réalisé en moule froid. De ce fait, la préforme non densifiée peut etre intégralement essorée par dépression et séchage à l'air traversant. Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention. La quantité de chaque élément est donnée en parts de poids sec. On se propose de mouler une pièce expérimentale de poids 2309, ayant la forme générale d'une assiette de diamètre projeté 22cm, dont l'extrémité des bords est à 3cm du plan du fond de la pièce et dont l'épaisseur est de 3 mm. Exemple 1 (témoin) On prépare une composition selon le document FR-A-2 481 707, à savoir le mélange dans l'eau contenant un agent dispersant cationique à base d'acide gras, de fibres de verre, avec une poudre de polypropylène, une pâte synthétique de polyéthylène, un liant, du noir de carbone et un antioxydant dans les proportions indiquées au tableau I. Après dilution et addition de floculant cationique, le mélange est essoré sur une toile plane et séché en une feuille de 50ûg/m contenant 40 % en poids de fibres de verre. On préchauffe à 2000C entre plateaux chauffés une pile de 46 feuilles découpées au format 10 x 10 cm2 puis on transfère la pile chaude dans le moule expérimental froid (800C). Sous une pression de moulage de 140 bars, la pièce obtenue est complète mais sous une pression de 30 bars l'écoulement de la matière est insuffisant pour remplir totalement le moule. Exemple 2 On reprend la même composition qu'à l'exemple 1, mais on la traite selon l'invention sur une toile en forme. Après essorage sous dépression de 2309 de matériau sec, on obtient une préforme humide ayant les contours généraux de l'assiette expérimentale finale. Cette préforme, séchée, puis portée à 2000C, par l'air chaud, est transférée dans le même moule qu'à l'exemple 1. Sous une pression de 30 bars, l'assiette obtenue est complète. Exemple 3 On prépare en dispersion dans l'eau et avec les mêmes matières premières qu'à l'exemple 1 les compositions respectivement de surface et de renfort dans les proportions indiquées au tableau I. Dans un premier essai, on essore seule sur la toile en forme la composition de renfort contenant en poids 33 Ó de fibres de verre et 12 % de fibres cellulosiques. La préforme obtenue est traitée comme à l'exemple 2 et on obtient sous 30 bars une assiette complète dont la surface présente des aspérités et des micro-trous dus à la présence des fibres de verre. Dans un second essai, on essore d'abord sur la toile en forme, 359 en sec de la composition de surface, puis au travers de cette première couche, 1959 en sec de la composition de renfort du premier essai. La préforme ainsi réalisée présente deux faces dont l'une est dépourvue de fibres de verre. Après moulage sous 30 bars, l'assiette finale présente une face sans défauts. Dans une- variante de ce second essai, la suspension aqueuse de renfort est admise dans la chambre 3 au cours de l'essorage continu de la suspension de surface. L'essorage continu de deux couches permet d'obtenir à l'interface une interpénétration des deux compositions. TABLEAU I ( : Exemple 3 ) ( Matières premières : Exemples 1 et 2 :-----------------) ( : :surface : renfort) ( ) ( Fibres de verre (a) : 55 : 0 : 33 ) ( : : : ) ( Fibres cellulosiques (b) : 0 : 12 : 12 ) ( : : : ) ( Pâte de polyéthylène (c) : 20 : 40 : O ) ( . . ( Poudre de polypropylène (d): 45 : 48 : 55 ) : ( Liant (e) : 15 : 0 : û ) ( : : : ) ( Antioxydant (f) : 1 : 0,5 : 0,5 ) ( : : : ) ( Noir de carbone : 1 : 1 : 1 ) ( : : : ) ( Floculant (g) : 1 : 0,5 : 0,5 ) (a) : fibres de verre de longueur 6,5mm et de diamètre 11 micromè tres. (b) : fibres d'une pâte à papier (résineux) raffinée à 500SR (c) : pâte synthétique de polyéthylène, de surface spécifique 10m2/9 (d) : poudre d'indice de fluidité 9 sous 2,16kg à 2300C et de granulométrie moyenne de 250 micromètres (e) : polymère anionique à base d'acétate de polyvinyle en dispersion aqueuse à 50 % (f) : 4,4' -thiobis (2-(1,1-diméthyl)-5-méthyl) phénol (g) : copolymère d'acrylamide et d'un monomère cationique quaternaire REVENDICATIONS 1. Procédé intégré de fabrication et densification par compression d'une préforme thermoplastique (7) renforcée à partir d'une suspension aqueuse comportant au moins une résine thermoplastique, des fibres de renforcement, au moins un adjuvant papetier et au moins un adjuvant plastique, ledit procédé étant caractérisé en ce que par dépression sont effectuées sur la même forme (1) les opération de formage, d'essorage, puis séchage et chauffage à l'aide d'un courant d'air chauffé à une température supérieure au point de fusion de la matrice thermoplastique. 2. Procédé selon la revendication 1 où l'on prépare deux suspensions aqueuses, l'une de surface,l'autre de renfort caractérisé en ce que l'on essore, d'abord, ladite suspension oe surface et que l'on obtient une couche préformée de surface au travers de laquelle on essore ensuite ladite suspension de renfort. 3. Procédé selon la revendication 1, où l'on prépare deux suspensions aqueuses, l'une de surface, l'autre de renfort, caractérisé en ce que l'on essore en continu lesdites suspensions de surface et de renfort. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite forme (1) comporte des parties non poreuses (6) aux emplacements correspondant à ceux des évidements (9) souhaités dans la préforme.