Brevet FR2683483A1 — publié le 19930514

PROCEDE DE FABRICATION D'UN PRODUIT COMPOSITE PAR MOULAGE La présente invention concerne un procédé de fabrica- tion par moulage d'un produit composite formé pour l'essen- tiel d'une matière organique thermoplastique et de fils de renfort Il s'agit plus précisément d'un procédé de moulage par extrusion ou par injection, mis en oeuvre par un dispo- sitif alimenté en matière organique thermoplastique et en fils de renfort, notamment par des fils de verre. Par souci d'abréviation, les termes matière organique dans le texte qui suit sont synonymes de matière organique thermoplastique. La fabrication de profilés obtenus par extrusion à travers une filière de matière organique et de fils de renfort, tels que des fils de verre, et la fabrication d'objets obtenus par injection de ces mêmes constituants dans un moule doivent résoudre les mêmes difficultés lors du mélange desdits constituants: d'une part il est nécessaire d'obtenir le mélange le plus homogène possible entre la matière organique et le renfort avant l'opération de mou- lage; d'autre part il est désirable que les fils de renfort confèrent les meilleures propriétés mécaniques au produit composite fabriqué et pour cela il est souhaitable, notam- ment, d'éviter une trop grande fragmentation desdits fils. Il est connu de réaliser cette opération de mélange grâce à une extrudeuse qui est formée d'un cylindre chauffé dans lequel tourne une vis d'Archimède sous l'action d'un 2 - moteur Ce cylindre comporte, à la partie supérieure de l'une de ses extrémités, une trémie dont la base s'ouvre directement sur la vis d'Archimède L'extrudeuse est ali- mentée en matière organique et en fils de verre par l'in- termédiaire de cette trémie. La matière organique et les fils de renfort, par exemple des fils de verre peuvent être introduits simulta- nément dans la trémie des deux manières suivantes: * la matière organique est stockée, sous forme de granulés, dans une trémie disposée au-dessus d'une bande transporteuse dont la vitesse d'avancement est réglable Les fils de verre sont stockés sous forme de fils coupés dans une autre trémie, disposée au-dessus d'une autre bande transporteuse et dont la vitesse d'avancement est également réglable Ces bandes viennent se déverser dans la trémie d'alimentation de l'extrudeuse Cette méthode nécessite l'emploi de disposi- tifs de dosage pondéraux ou volumétriques pour maintenir constantes les proportions respectives de matière organique et de fils coupés. * la seconde manière consiste à mélanger au préalable la matière organique et les fils coupés Ce mélange, versé dans une trémie, est amené jusqu'à la trémie d'alimentation de l'extrudeuse par une bande transporteuse Cette méthode nécessite également un équipement supplémentaire pour réaliser le mélange des deux constituants. Il est également connu d'introduire la matière organi- que et les fils de verre dans l'extrudeuse en deux endroits différents La matière organique est introduite sous forme de granulés, en amont d'une double vis d'Archimède, de la même manière que dans le premier procédé décrit précédem- ment Les fils de verre sont introduits dans l'extrudeuse en aval de la zone de malaxage et de fusion de la matière organique Ils sont introduits sous forme de fils continus, extraits d'un ou plusieurs enroulements disposés sur un cantre Un procédé de ce type est décrit, par exemple, dans le brevet US-A-3 304 282. Ces différents procédés ont comme point commun d'être mis en oeuvre par des extrudeuses d'une grande longueur, équipées de vis de profils parfois complexes. -3 - En effet, la vis d'Archimède (simple ou double) en amont de l'extrudeuse a pour fonction de malaxer et de fondre les granulés de matière organique Pour remplir cette fonction la vis peut avoir des profils différents selon la granulométrie de la matière organique employée L'angle d'hélice du filet de la vis, la profondeur du filet, la forme du noyau de la vis (cylindrique ou conique), le pas de la vis, etc, sont autant de facteurs qui déterminent le degré de compression et de cisaillement de la matière organique. Outre la longueur et la complexité de la vis utilisée, il faut souligner également que la quantité d'énergie nécessaire pour obtenir une matière fondue homogène est importante. Lorsque les fils de renfort sont introduits dans l'extrudeuse mélangés aux granulés de matière organique, lesdits fils sont également soumis aux forces de cisaille- ment provoquant la fusion de la matière, ce qui entraîne leur fragmentation. Cet inconvénient pourrait être en partie évité, en introduisant les fils de renfort dans l'extrudeuse sous forme de fil continu, en aval de la zone de fusion de la matière organique thermoplastique En fait, les fils de renfort doivent subir à leur tour un malaxage intense dans la matière fondue afin d'obtenir une répartition homogène des fils de renfort au sein de ladite matière Cette opéra- tion provoque également une importante fragmentation de ces fils. La présente invention se propose d'atténuer, voire de supprimer certains inconvénients présentés par les procédés connus. La présente invention a notamment pour objet un procédé de fabrication d'un produit composite obtenu par moulage par extrusion ou par injection d'un mélange de matière organique et de fils de renfort, qui permet de fondre rapidement la matière organique et d'y incorporer de manière homogène les fils de renfort en diminuant leur taux de fragmentation. Le but de l'invention est atteint grâce à un procédé de fabrication, selon lequel un produit composite, formé par 4 - l'association d'une matière organique, de fils de renfort tels que des fils de verre et éventuellement de matières minérales et d'adjuvants organiques, est obtenu par moulage par extrusion ou par injection à partir d'une extrudeuse alimentée par ladite matière et ledit renfort, qui consiste à ce qu'au moins une partie de la matière organique est introduite dans ladite extrudeuse sous la forme de fils ou de filaments continus. Par extrudeuse, il faut comprendre dispositif d'extrusion pris dans le sens le plus large du terme. La matière organique peut se présenter sous forme de filaments séparés ou réunis de manière à former un ou plusieurs fils, ces filaments ou ces fils étant éventuelle- ment associés à des fils de renfort sous la forme d'un ou plusieurs fils composites continus. Toutes ces présentations ou associations ont comme point commun le fait que la matière organique est sous la forme de filaments continus, chaque filament possédant un diamètre généralement compris entre environ 10 et 50 mi- crons Autrement dit, dans le procédé selon l'invention, la matière organique se présente sous forme d'éléments de diamètres beaucoup plus faibles que celles des granulés traditionnellement employés dans les procédés connus, qui sont de l'ordre de plusieurs millimètres La matière ainsi divisée présente une grande surface d'échange, qui permet d'accélérer les transferts thermiques Cette grande surface favorise les frottements qui provoquent un échauffement rapide de la matière. A cela s'ajoute l'action conjointe de la vis d'Archimède et de la paroi chauffée du cylindre dans lequel elle tourne, qui provoque un échauffement rapide de la matière dans toute sa masse Il s'ensuit une fusion rapide et homogène de la matière organique. Par contre, lorsque la matière organique est introduite dans l'extrudeuse uniquement sous forme de granulés, l'échauffement de la matière est plus long et sa fusion n'est pas homogène Certains spécialistes ont émis l'hypo- thèse que les granulés soumis aux forces de cisaillement et proches de la paroi chauffée du cylindre fondent rapidement - alors que les granulés emprisonnés dans les filets de la vis restent à l'état solide Quelles que soit les hypothèses formulées pour expliquer le comportement de la matière au sein de l'extrudeuse, il a été constaté que le procédé selon l'invention permet de fondre la matière de façon homogène beaucoup plus rapidement qu'en utilisant les procédés connus. Grâce à l'invention, il est ainsi possible d'utiliser des extrudeuses dont la ou les vis d'Archimède est plus courte et dont le profil est plus simple que celles uti- lisées à ce jour Le coût d'une installation de moulage par extrusion ou injection peut donc être fortement réduit. Le fait d'introduire la matière organique sous forme de fils ou filaments continus permet d'alimenter l'extrudeuse de manière absolument constante, ce qui assure la régularité du débit de matière à sa sortie et donc la constance du taux de matière organique dans le composite ultérieurement formé. Cette régularité de l'alimentation est obtenue par le simple entraînement des fils de matière organique par la ou les vis d'Archimède qui tourne à vitesse constante. Ce mode d'alimentation est parfaitement adapté à la fabrication de produits composites, quelle que soit la proportion de matière organique nécessaire pour leur fabri- cation Pour changer la proportion de matière organique il suffit de modifier le nombre de fils ou filaments de matière et/ou de choisir des fils de titre différent, voire de modifier la vitesse de rotation de la vis d'Archimède. Ce mode d'alimentation présente donc l'avantage d'éviter l'implantation d'au moins certains dispositifs de dosage pondéraux ou volumétriques nécessités par les procé- dés connus La suppression de tels dispositifs dans une installation de moulage utilisant le procédé selon l'inven- tion permet de diminuer encore le coût d'une telle instal- lation. Les fils de renfort, par exemple des fils de verre, sont également introduits dans l'extrudeuse, de préférence, sous forme de fils continus. Ils peuvent être introduits dans l'extrudeuse, en aval de la zone de fusion de la matière organique Dans ce mode 6 - de réalisation, les avantages conférés par la présente invention se limitent à ceux décrits précédemment La fragmentation des fils de verre, qui résulte des forces de compression et de cisaillement subies par lesdits fils de verre lors de leur mélange avec la matière organique, est sensiblement la même que celle obtenue en utilisant un procédé du type de celui décrit par le brevet US-A- 3.304 282. Les fils ou filaments de matière organique et les fils de renfort sont, de préférence, introduits dans l'extrudeuse par la même entrée Les avantages conférés par l'invention sont alors pleinement obtenus. En effet, il a été indiqué précédemment que la matière organique fond rapidement et de façon homogène, et que ceci permet d'utiliser une vis d'Archimède plus courte et de profil moins complexe que celles de l'art antérieur La facilité avec laquelle la matière fond permet, notamment, d'adopter une vis dont l'effet de cisaillement est faible. Les fils de renfort, introduits en même temps que les fils ou filaments de matière, sont alors rapidement mélangés à la matière malaxée par la vis en subissant un cisaillement relativement faible. Il est ainsi possible d'obtenir un mélange homogène dans lequel les fils de renforts présentent des longueurs pouvant dépasser plusieurs millimètres. Les fils continus de matière organique peuvent être ex- traits d'enroulements obtenus par les moyens traditionnels alimentation d'une tête d'extrusion par la matière à l'état fondu, puis étirage mécanique de la matière extrudée à travers les orifices ménagés à la base de ladite tête Les fils de renfort, tels que des fils de verre, peuvent être introduits dans l'extrudeuse sous forme de fils coupés par la même entrée que les fils continus de matière organique. Ces fils coupés peuvent être de longueur constante ou variable selon qu'ils résultent de la coupe de fils continus par une machine de coupe ou de hachage d'enroulements destinés au rebut, par exemple d'enroulements incomplets Le faible cisaillement imposé à la matière pour la fondre limite ainsi la fragmentation des fils coupés lors de l'opération de mélange La longueur des fils de verre dans le produit composite final est ainsi en partie conservée. Ce mode de réalisation de l'invention nécessite la coupe préalable des fils de verre, leur stockage dans une trémie et l'emploi d'un dispositif réglant leur vitesse d'introduction dans l'extrudeuse Les fils de verre peuvent être également coupés in situ par une machine de coupe alimentée par des fils de verre continus extraits d'enrou- lements La vitesse de la machine de coupe peut être un paramètre de réglage de l'alimentation de l'extrudeuse en fils coupés. L'invention est, de préférence, mise en oeuvre à partir de fils ou de filaments continus de matière organique et de renfort. Ainsi les fils continus de matière organique et les fils continus de renfort peuvent être extraits d'enroule- ments séparés, fabriqués préalablement Les fils de matière organique et, par exemple, les fils de verre sont réunis en une mêche pour être introduits dans l'extrudeuse Selon le taux de verre désiré dans le produit composite, le nombre de fils et/ou leur titre sont mélangés en conséquence pour chaque constituant. Les fils ou filaments de matière organique et les fils de renfort sont avantageusement introduits dans l'extrudeuse sous la forme d'un seul fil continu, comprenant un nombre bien défini de fils ou filaments de matière organique et de renfort Ce fil sera appelé ci-après fil composite. Un tel fil, composé par exemple de fils ou filaments de matière et de verre, peut être obtenu directement par le procédé décrit dans la demande de brevet EP-A-0 367 661. Le fil composite utilisé, de préférence, dans le cadre de l'invention comprend une majorité de filaments de verre dans son axe et une majorité de filaments de matière orga- nique à sa périphérie. Ce type de fil est obtenu, par exemple, en étirant simultanément des filaments de verre et des filaments de matière organique, les premiers se trouvant au milieu de la zone délimitée par la ou les nappes formées par les seconds. Cette présentation à l'avantage de réduire les risques de 8 - rupture des filaments de verre consécutive à leur frottement sur des surfaces solides Cette présentation contribue à l'obtention de pièces composites aux propriétés mécaniques élevées. La matière organique qui constitue le fil composite peut être uniquement sous forme de filaments continus ou en partie, sous une forme d'une fine couche enrobant, au moins en partie les filaments de verre et/ou de matière organique. Cette couche est obtenue, par exemple, par injection de la matière à l'état fondu au sein des nappes de filaments en cours d'étirage, comme décrit dans la demande de brevet EP-A-0 367 661 Selon le taux de verre choisi pour renforcer la pièce composite finale, il est possible d'utiliser un ou plusieurs fils composites dont la teneur en verre correspond à celle de la pièce désirée, ou plusieurs fils composites dont la teneur en verre est différente mais dont l'associa- tion permet le renforcement désiré. Bien que les modes de réalisation décrits ci-après soient moins avantageux que ceux exposés précédemment, ces modes font également partie de l'invention. Ainsi il est possible d'introduire la matière organique dans le dispositif d'extrusion, en partie sous forme de granulés, en partie sous forme de fils ou filaments conti- nus Dans ce cas, les granulés et les fils sont introduits par deux entrées différentes, les granulés étant fondus en amont des fils. Ces granulés peuvent être constitués uniquement de matière organique ou comprendre des fibres de verre Dans ce dernier cas, il peut s'agir de granulés obtenus par extrusion d'une manière connue en soi Il peut s'agir aussi de granulés provenant du broyage d'objets composites mis au rebut, tels que des pièces défectueuses ou extraites de dispositifs hors d'usage Ce dernier type de granulés permet de recycler un matériau qui, n'étant pas biodégradable, viendrait s'ajouter aux nombreux déchets domestiques et industriels qui dénaturent l'environnement. D'une manière plus générale, quel que soit le mode de réalisation choisi, il est possible d'introduire dans le dispositif d'extrusion au moins une partie de la matière 9 - organique sous forme de matière colorée par un adjuvant. La description qui suit donnera une idée plus précise des avantages conférés par la présente invention Elle est illustrée, par une figure qui représente schématiquement un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention. Cette figure représente en coupe verticale longitudi- nale une partie du corps d'une extrudeuse 10 Elle est équipée de deux vis semblables tournant dans le même sens, la figure ne montrant que l'une d'entre elles Cette vis d'Archimède possède un noyau 11 cylindrique comprenant, en amont, une zone 12 à pas de vis dégressif et, en aval, une zone 13 à pas de vis constant. Au début de la zone 12, le corps de l'extrudeuse 10 est muni à sa partie supérieure d'une ouverture 14 servant à l'alimentation de l'extrudeuse A proximité de cette ouver- ture, des enroulements 15 de fils composites sont disposés sur un cantre non représentés Les fils composites 16 sont extraits de ces enroulements à la dévidée et guidés par des moyens non représentés jusqu'à un dispositif d'assemblage 17 Ce dispositif 17 rassemble les fils 16 en une mêche qui est introduite dans l'extrudeuse. Entre les zones 12 et 13, le corps de l'extrudeuse comprend à sa partie supérieure un orifice 18 par lequel l'air occlus lors du mélange peut être éventuellement évacué Cet orifice peut être relié, par exemple, à une pompe à vide pour accélérer l'élimination de cet air. La zone 12 a pour fonction essentielle la fusion de la matière orga 4 ique et l'incorporation des fils de verre dans la matière fondue; la zone 13 a pour fonction d'homo- généiser le mélange avant sa distribution par l'extrémité 19 Cette extrémité peut être munie d'équipements différents selon le produit composite à réaliser. Ainsi cette extrémité peut être équipée d'une filière d'extrusion connue en soi permettant la fabrication d'un profilé en continu. C'est ainsi que le procédé selon l'invention peut s'appliquer à la fabrication d'un profilé en forme de baguette cylindrique généralement appelée jonc Ce profilé est refroidi à l'eau et tronçonné en fragments de petites - longueurs appelés granulés Ces granulés sont des produits intermédiaires généralement utilisés comme matière première pour alimenter des dispositifs de moulage par extrusion ou par injection. Le procédé selon l'invention s'applique avantageusement à la fabrication directe d'un objet profilé par extrusion, qu'il s'agisse de profilé ouvert ou de profilé creux. Le procédé selon l'invention s'applique aussi avanta- geusement à la fabrication d'objet obtenu par injection dans un moule L'extrudeuse est alors munie à son extrémité d'une buse à obturateur connue en soi, qui assure la liaison avec le moule La vis de l'extrudeuse est mobile et maintenue du côté opposé à la buse par un vérin hydraulique La vis fait successivement fonction de vis de plastification et de mélange avec le renfort puis de piston d'injection. Toutes les matières organiques thermoplastiques sus- ceptibles d'être transformées en fils continus peuvent être utilisées dans le cadre de l'invention Ce sont, par exem- ple, les polypropylènes, les polyamides, les polyesters On peut ainsi utiliser, par exemple, un polypropylène commercialisé par la Société EASTMANN KODAK sous la marque Epolène E 43. Outre les matières minérales servant par exemple de charges, il est possible d'introduire dans l'extrudeuse des adjuvants organiques afin d'améliorer le mouillage du renfort et de favoriser son adhésion à la matière organique. Il peut s'agir en l'occurrence de polymères sur lesquels sont greffées chimiquement des molécules possédant des groupements carbonyles Ainsi, lorsque le renfort est formé de fil de verre, ces groupements sont susceptibles de créer, avec un silane déposé préalablement sur le verre, des liaisons de type van der Waals ou covalentes Ces adjuvants peuvent également permettre de mélanger différents poly- méres, par exemple un polyamide recyclé du type connu sous la marque Nylon et des fils composites comprenant des fils ou filaments en polypropylène. il - REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un produit composite, formé par l'association d'une matière organique thermoplastique, de fils de renfort, tels que des fils de verre, et éventuel- lement de matières minérales et d'adjuvants organiques, obtenu par moulage par extrusion ou par injection à partir d'une extrudeuse alimentée par ladite matière et ledit renfort, qui consiste à introduire dans cette extrudeuse au moins une partie de la matière organique sous forme de fils ou de filaments continus. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fils continus de matière organique et les fils de renfort sont introduits dans l'extrudeuse par la même entrée. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fils de renfort sont introduits dans l'extrudeuse sous forme de fils coupés. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on alimente l'extrudeuse à partir de fils continus de matière organique extraits d'un ou plusieurs enroulements, et de fils continus de renfort extraits d'un ou plusieurs autres enroulements. Procédé selon la revendications 1, caractérisé en ce que les fils continus de matière organique et les fils de renfort, également sous forme de fils continus, sont intro- duits dans l'extrudeuse par deux entrées différentes, les seconds étants introduits en aval de l'entrée des premiers. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on alimente l'extrudeuse par au moins un fil composite formé par la réunion de filaments continus de verre et de filaments continus de matière organique. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on alimente l'extrudeuse à partir d'au moins un fil composite dont une fraction de la matière organique est sous forme d'une couche enrobant, au moins en partie, les fila- ments de verre et/ou les filaments de matière organique. 8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on alimente l'extrudeuse à partir d'au moins un fil composite dont la totalité de la matière organique est sous 12 - forme de filaments continus. 9 Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'on alimente l'extrudeuse exclusivement à partir de fil composite dont les proportions respectives de matière organique et de verre correspondent à celles de l'objet composite à réaliser. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière organique est introduite dans l'extrudeuse sous forme de granulés et sous forme de fils continus, les fils étant introduits en aval des granulés. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les granulés de matière organique introduits dans l'extrudeuse sont, au moins pour une partie d'entre eux, des granulés comprenant des fibres de verre. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les granulés comprenant des fibres de verre sont, au moins pour une partie d'entre eux, des granulés qui résul- tent du broyage d'objets composites de rebut. 13 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit dans l'extrudeuse au moins une partie de la matière organique sous forme de matière colorée par un adjuvant. 14 Application du procédé défini par l'une des reven- dications précédentes, à la fabrication d'un jonc suscepti- ble d'être tronçonné sous la forme de granulés renforcés de fibres de verre. Application du procédé défini par l'une des reven- dications 1 à 13, à la fabrication par extrusion d'un profilé renforcé de fibres de verre. 16 Application du procédé défini par l'une des reven- dications 1 à 13, à la fabrication par moulage par injection d'une pièce renforcée de fibres de verre. ":l W