Brevet FR2616825A1 — publié le 19881223

Le secteur technique de la présente invention est celui des panneaux sandwiches assurant une protection passive, utilisables dans a fabrication de parois ou de cloisons mul couches Les panneaux sandwiches sont employés pour réaliser des structures possédant à la fois une grande rigidité, une faible masse, éventuellement une grande isolation thermique, et l'autoextinguibilité. Leurs applications sont multiples bâtiment, aéronautique, industrie aérospatiale, construction marine, transport, armement, etc. Par ailleurs, les matériaux constitutifs peuvent être : des métaux (aluminium, titane, acier etc), des produits minéraux (béton alvéolaire, plâtre expansé ou non, etc), ou des matières plastiques (résines, composites organiques renforcés par fibres, etc). Dans-tous les cas, le panneau sandwich est le rêsul- tat de l'assemblage de deux semelles externe et interne constituées de matériaux à haute résistance mécanique et à haut module de déformabilité, et d'une âme de faible densité, jouant le rôle d'espaceur des semelles. Les deux semelles sont réalisées à partir de tôles métalliques (Al, Ti, Acier etc), ou de stratifiés constitués de couple résine + fibres (résines époxydiques, polyester, phénoliques, vinylester, thermoplastique, associées à des fibres de verre, de carbone, de kevlar), ou de feuilles extrudées et/ou calandrées (thermoplastiques ou autres), ou de plaques le bois (contreplaqués, etc), ou d'associations de plusieurs des matériaux précités (tale aluminium + contreplaqué par exemple). Les ames se divisent en trois grandes familles de matériauK : - les produits expansés ou allégés, type mousses plastiques, bétons, etc, - les produits alvéolaires, type nid d'abeilles, espaceurs tubulaires, ou plaques nervurées autoraidies, etc, - le bois (le balsa étant l'exemple type). Le mode de fabrication des panneaux sandwiches se caracténse par le type de liaison entre les semelles et l' me. Principalement, on distingue trois modes d'obtention du matériau sandwich - liaison par collage, par soudage, ou par accrochage mécanique, entre chaque semelle et l'ame, - élaboration de la semelle directement au contact de l'ame, par moulage ou par stratification au contact (ex. béton, résine etc), - expansion de 1'âme, coulée in situ entre les deux semelles (ex. : plâtre expansé, mousses, etc). Compte-tenu de la diversité des produits de base cités précédemment, il est possible de faire évoluer telle ou telle propriété du panneau en combinant préférentiellement les matériaux selon leurs propriétés les plus avantageuses. Jusqu'à ce jour, les diverses constructions et structures constituées de panneaux élémentaires étaient réalisées en matériaux divers, seuls ou associés présentant de notables inconvénients. En effet - les tôles mécaniques minces accusent une déformation au moindre choc reçu perpendiculairement ou non à leur surface; de plus, elles ne sont pas aisément réparables, et n'apportent aucune isolation thermique, - les stratifiés supportent mal le flambement; ils ne constituent pas un pare-feu, et n'apportent qu'assez peu d'isolation thermique, - les plaques thermoplastiques ne résistent pas à l'élévation de température, ni aux flammes et ce pour des masses et coûts surfaciques acceptables, - les nids d'abeilles et autres avéolaires ne sont pas isolants thermiques, - les mousses synthétiques perdent leurs caractéristiques mécaniques lorsque la température à laquelle elles sont soumises s'élève au-delà de 80 à 100 OC. A titre indicatif, on pourra se reporter aux brevets EP-A-155 335 et 111 520. La présente invention vise à combler ces lacunes à l'aide d'un panneau sandwich de faible masse surfacique, et de faible coût, apte à fournir une protection passive. L'invention a donc pour objet un panneau sandwich destiné à la réalisation de cloisons par exemple pour le bâtiment, du type comportant une âme interposée entre deux semelles externe et interne, caractérisé en ce que la semelle externe est constituée d'un ensemble d'au moins trois couches solidaires entre elles par soudage ou collage - une première couche réalisée en matériau composite, - une seconde couche constituée par une matière synthétique alvéolaire à faible coefficient de conductibilité thermique, - une troisième couche obtenue par stratification d'un matériau composite. La seconde couche est constituée par un nid d'abeilles. Le matériau composite des première et troisième couches est constitué par des résines armées de fibres de verre. La résine incorporée dans la première couche est choisie parmi le groupe constitué par les résines époxy, polyester, phénoliques, ou vinylester et la résine incorporée dans la troisième couche (6) est une résine époxy. La seconde couche est constituée par du polypropylé- ne, un film en polyester non tissé étant disposé entre les première et seconde couches. Une couche constituée par un film d'aluminium est interposée entre les seconde et troisième couches. Le film d'aluminium est recouvert d'un film thermoplastique filmogène interposé entre les deuxième et troisième couches. Le film d'aluminium est disposé entre une couche de polyéthylène appliquée contre la seconde couche et une couche de tissu coton appliquée contre la troisième couche. Les alvéoles de la seconde couche sont remplis d'un gaz inerte, tels l'argon ou l'azote, ou mis partiellement sous vide. L'épaisseur respective des première, seconde et troisième couches sont 0,5 à 3 mm, 5 à 20 mm et 0,5 à 3 mm. L'âme est constituée par une plaque de mousse de polystyrène extrudé, la semelle interne étant identique à la semelle externe ou constituée d'une plaque métallique, par exemple d'aluminium ou d'une résine thermoplastique. Selon le procédé de fabrication du panneau sandwich de l'invention, les première et troisième couches sont réalisées séparément ou s-imultanément par stratification au contact de la deuxième couche, l'ensemble obtenu étant comprimé avant polymérisation de la résine du stratifié. Un résultat de la présente invention réside dans le fait que le panneau sandwich est rigide, léger, autoextinguible, bon isolant thermique pour des expositions prolongées au soleil, et présente une bonne résistance à la flamme, ainsi qu'aux chocs. Ces caractéristiques sont contrôlées par des différents essais - essai de cisaillement, pour vérifier l'adhérence des semelles sur l'âme, - essai de flexion, pour contrôler la rigidité en flexion et la tenue au poinçonnement, - essai de tenue au feu, pour simuler le contact du matériau sandwich avec la flamme d'un chalumeau, et contrôler l'autoextinguibilité du système, - essai de choc, pour vérifier la résistance à l'impact de la semelle du sandwich, - essai d'isolation thermique. D'autres avantages de l'invention seront mieux com- pris à la lecture du complément de description qui va suivre d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple en relation avec un dessin sur lequel - la figure 1 illustre une coupe schématique du panneau selon l'invention, - la figure 2 illustre la structure d'un exemple de réalisation du panneau selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté en coupe un panneau comprenant une semelle 1, une âme 2 et une semelle 3. - La semelle 1 est externe, c'est-à-dire qu'elle est placée du côté exposé aux diverses agressions susceptibles d'intervenir. Ben entendu, la semelle interne 3 peut être identique à la semelle 1. Elle peut être classique, comme schématisée sur cette figure, c'est-à-dire constituée par une peau simple métallique du type aluminium, acier ou titane, ou bien en matériau synthétique du type thermoplastique tel le polychlorure de vinyl ou en composite tel un stratifié résine polyester/fibres de verre. L'âme 2 est réalisée à l'aide d'une plaque de polystyrène extrudé. La semelle 1 est de façon avantageuse un système multicouche de faible épaisseur, par exemple 5 à 20 mm. Elle comprend une première couche 4 ou peau externe, une deuxième couche 5 et une troisième couche 6 ou peau interne. La couche 4, de quelques millimètres d'épaisseur, est réalisée par stratification d'une résine thermodurcissable et de renforts (fibres de verre, de carbone, de kevlar, ou d'autres fibres). Une tôle métallique mince peut même être envisagée, si les problèmes de tenue au choc ou de possibilité de réparation ne se posent pas. Si d'autre part, la tenue au feu n'est pas primordiale, une peau en résine thermoplastique donne satisfaction. On choisira avantageusement une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm et plus particulièrement entre 1 et 2 mm. La résine thermodurcissable est choisie parmi les résines époxy, polyester ou phénolique, éventuellement teintée en couleur foncée, par exemple noire, pour limiter le rayonnement thermique interne de cette couche. La seconde couche 5, de quelques millimètres a quelques centimètres d'épaisseur, par exemple 5 à 40 mm est réalisée en un matériau à forte résistance en compression. Selon l'application pratique réelle du matériau, il sera demandé à cette couche 5 d'être autoextinguible, de ne dégager aucun gaz ou fumée toxique lors de sa combustion, et d'avoir un faible coefficient de conductibilité thermique La couche 5 sera donc, dans ce cas, un produit alvéolaire, type nid d'abeilles en matière thermoplastique du type polypropylène ou un polymère acrylonitril/butadiène/styrène. Les alvéoles peuvent avantageusement contenir un gaz interte (azote, argon, etc...) ou mis sous vide partiel. La définition de la couche 6 est la même que celle de la couche 4. La face de la couche 6 opposée à la couche 4 rayonne de l'énergie vers cette dernière. I1 est donc intéressant d'augmenter le coefficient d'émission thermique de cette face, en disposant, par exemple, un film d'aluminium à l'interface entre la couche 5 et la couche 6. L'absorption du rayonnement thermique de la couche 6 est ainsi largement amoindrie, et celle-ci reste donc plus longtemps froide. En variante, le film d'aluminium peut être revêtu d'un matériau thermoplastique filmogène qui est soudé par compression à chaud sur la couche 5. Une autre variante consiste à prévoir un film tricouche polyéthylène/aluminium/coton, la couche polyéthylène étant rendue adhérente à la couche 5. L'ensemble des couches 4, 5, 6 et du film aluminium, est assemblé par collage ou soudage, le tout formant la semelle 1. La semelle interne 3 peut être une semelle multicouche, réalisée comme la semelle 1, ou une peau simple classique, métallique ou non comme indiqué précédemment. Les deux semelles 1 et 3 sont fixées de part et d'autre de l'amie 2, du type alvéolaire, de 5 centimètres d'épaisseur environ. La liaison est également réalisée par collage ou par soudage. EXEMPLE DE REALISATION Sur la figure 2, on a représenté un panneau sandwich dont les diverses couches sont assemblées en réalisant d'abord la semelle l, de l'extérieur vers l'intérieur. Cet ordre n'est pas impératif et pourra être modifié de façon évidente par l'homme de métier. Cette semelle extérieure 1 se présente sous la forme d'une structure multicouche formée par les couches 4, 5 et 6. La couche 4 est en matériau composite, constituée de résine époxy et de fibres de verre d'une épaisseur de l'ordre de 1,5 mm. La couche 5 est un nid d'abeilles en polypropylène de 10 mm d'épaisseur, dont la face, côté couche 4, est revêtue d'un film 7 en polyester non tissé. La stratification de la couche 4 se fait directement en contact avec la couche 5 en nid d'abeilles, du côté de la couche 7 en polyester non tissé. La liaison de la couche 4 avec la couche 5 est ainsi immédiate. Sur l'autre face de la couche 5 en nid d'abeilles, on dépose par soudage un film 8 tricouche polyéthylène/aluminium/coton ainsi ordonné. Par soudage, on crée une liaison entre le polypropylène du nid d'abeilles et le polyéthylène du film 8. On réalise ensuite par stratification la couche 6 en composite résine époxy/fibres de verre. La stratification se fait directement sur la toile de coton du film tricouche 8. - âme 2 L'âme 2, de 30 mm d'épaisseur, est constituée d'une plaque en polystyrène extrudé. Elle est déposée sur la stratification de la couche 6 avant polymérisation de la résine époxy. Par compression et après polymérisation, l'amie 2 devient solidaire de la couche 6. - semelle intérieure 3 On colle enfin,. sur l'autre face de l'amie 2, une tôle de 1 mm d'épaisseur en alliage d'aluminium, constituant ainsi la face intérieure. Un tel panneau a une masse surfacique inférieure à 10 kg/m2 et possède des caractéristiques de - rigidité, - tenue à la température, - réduction de l'échange calorifique entre le milieu extérieur et l'âme, - tenue au choc de la semelle, - tenue au flamblement de la semelle, - tenue au poinçonnement de la semelle, - limitation de la combustion au contact de flammes, - réduction du temps nécessaire à l'arrêt de l'ignition, lors d'une combustion, nettement améliorées. Sur un panneau conforme à la figure 2, on a procédé à des essais de flexion, de cisaillement, de comportement au feu, de choc, d'isolation thermique, d'ensoleillement et d'inflammabilité montrant l'intérêt de ce type de structure. ESSAI DE FLEXION On soumet un panneau de 750 mm de longueur et de 400 mm de large reposant sur deux cylindres de 50 mm de rayon à une compression en son milieu. La charge minimale à la rupture obtenue est de 11 000 N environ, ce qui est supérieur à la norme classique de 8 000 N. ESSAI DE CISAILLEMENT On immobilise le panneau au niveau de l'âme et on exerce une traction à l'aide d'un mors sur une des semelles avec une vitesse de 4,2.10 4 m/s. La contrainte à la rupture par cisaillement obtenue est de 3.105 Pa, ce qui est supérieur à la norme classique de 105 Pa. COMPORTEMENT AU FEU Une flamme à 1 000 OC est appliquée perpendiculairement à un panneau de 600x600 mm, pendant 72 secondes. Après retrait de la flamme, on mesure le temps d'extinction qui est inférieur à 10 secondes. ESSAI DE CHOC On laisse tomber une bille de 3 Kg d'une hauteur de 2 m sur un panneau reposant sur un cadre en bois. Après de nombreux essais, on ne constate aucune déformation ou délaminage à l'endroit des impacts. ESSAI D'ISOLATION THERMIQUE On réalise un caisson isolant à l'aide d'un panneau que l'on expose au soleil durant une journée. On constate que la température à l'intérieur du panneau reste inférieure à la température d'utilisation du matériau. D'autre part, la tempé rature à l'intérieur du caisson n'évolue pas de façon sensible, ce qui permet d'apprécier le pouvoir isolant du panneau. ESSAI D'ENSOLEILLEMENT Lors d'une exposition au soleil, la couche 4, directement soumise au rayonnement absorbe de l'énergie et donc s'échauffe. D'autre part, elle rayonne de l'énergie de façon proportionnelle à sa température. La partie du rayonnement émise vers l'intérieur du panneau traverse le nid d'abeilles 5, et vient se réfléchir sur l'aluminium du film 8. Ce rayonnement est absorbé de nouveau par la couche 4. De cette façon, la couche 4 rayonne vers l'extérieur, tandis que la couche 6 reste froide. La température de la mousse constituant la couche 5 reste nettement inférieure à sa température d'utilisation (750C). Le seul échange de chaleur vers l'intérieur du panneau se fait par convection. L'utilisation d'un gaz à faible conductivité thermique comme l'azote ou l'argon, améliore donc le système. ESSAI D'INFLAMMABILITE Lors d'une exposition au chalumeau, la résine de la couche 4 se consume, ainsi que le polypropylène en nid d'abeilles de la couche 5. La combustion est arrêtée par le film d'aluminium. La couche 6 n'est donc pas détériorée. La mousse de l'âme 2 en polystyrène se rétracte avec la chaleur. La combustion s'arrête totalement d'elle-même. Le système est alors réparable. Le panneau selon l'invention peut être utilisé dans tout type de construction, - des parois d'hôpital modulaire d'intervention, - des panneaux de cadres, -- de structures rigides légères, - de platelages et panneaux divers pour matériels de franchissement du génie. - REVENDICATIONS 1 - Panneau sandwich destiné à la réalisation de cloisons par exemple pour le bâtiment, du type comportant une- âme (2) interposée entre deux semelles externe (1) et interne (3), caractérisé en ce que la semelle externe (1) est constituée d'un ensemble d'au moins trois couches solidaires entre elles par soudage ou collage - une première couche (4) réalisée en matériau com- posite, - une seconde couche (5) constituée par une matière synthétique alvéolaire à faible coefficient de conductibilité thermique, - une troisième couche (6) obtenue par stratification d'un matériau composite. 2 - Panneau selon la revendication 1, caractérisé em ce que la seconde couche (5) est constituée par un nid d'abeilles. 3 - Panneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau composite des première (4) et troisième (6) couches est constitué par des résines armées de fibres de v-r- re. 4 - Panneau selon la revendication 3, caractérisé en ce que la résine incorporée dans la première couche (4) est choisie parmi le groupe constitué par les résines époxy, polyester, phénoliques, ou vinylester et ce que la résine incorporée dans la troisième couche (6) est une résine époxy. 5 - Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde couche (5) est constituée par du polypropylène, un film (7) en polyester m2m tissé étant disposé entre les première (4) et seconde (5) cas- ches. 6 - Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une couche (8) constituée par un film d'aluminium est interposée entre les seconde ( et troisième (6) couches. 7 - Panneau selon la revendication 6, caractérisF en ce que le film d'aluminium est recouvert d'un film thermoplastique filmogène interposé entre les deuxième (5) et troisième (6) couches. 8 - Panneau selon la revendication 6, caractérisé en ce que le film d'aluminium est disposé entre une couche de polyéthylène appliquée contre la seconde couche (5) et une couche de tissu coton appliquée contre la troisième couche (6). 9 - Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les alvéoles de la seconde couche (5) sont remplis d'un gaz inerte, tels l'argon ou l'azote, ou mis partiellement sous vide. 10 - Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur respective des première (4), seconde (5) et troisième (6) couches sont 0,5 à 3 mm, 5 à 20 mm et 0,5 à 3 mm. 11 - Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme (2) est constituée par une plaque de mousse de polystyrène extrudé, la semelle interne (3) étant identique à la semelle externe (1) ou constituée d'une plaque métallique, par exemple d'aluminium ou d'une résine thermoplastique. 12 - Procédé de fabrication d'un panneau sandwich selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première (4) et troisième (6) couches sont réalisées séparément ou simultanément par stratification au contact de la deuxième couche (5), l'ensemble obtenu étant comprimé avant polymérisation de la résine du stratifié.