Brevet FR2713626A1 — publié le 19950616

PROCEDE DE FABRICATION DE FILS DE VERRE ENSIMES ET FILS DE VERRE EN RESULTANT La présente invention concerne la fabrication de fils de verre obtenus par étirage mécanique et destinés notamment à renforcer des matières organiques thermoplastiques ou thermodurcissables ou des mélanges à base de ciment. Les fils de verre continus sont obtenus en étirant mécaniquement une multiplicité de filets de verre fondu et s'écoulant des orifices disposés à la base d'une filière, sous la forme de filaments continus. Ces filaments, répartis en une ou plusieurs nappes séparées, sont revêtus en cours d'étirage d'un ensimage par un dispositif approprié avant d'être rassemblés pour donner naissance à un ou plusieurs fils. Cet ensimage qui va conférer différentes caractéristiques au fil de verre doit tout d'abord posséder des propriétés imposées par le procédé de fabrication desdits fils de verre. Il doit en particulier être stable et conserver une composition constante, malgré les forces de cisaillement provoquées en permanence au sein dudit ensimage par les filaments qui le traversent à des vitesses de l'ordre de plusieurs dizaines de mètres par seconde. Cet ensimage doit ensuite protéger les filaments de l'abrasion provoquée par le frottement inévitable du fil sur différentes surfaces. Généralement il doit aussi assurer l'intégrité du fil, c'est-à- dire, la liaison des filaments qui le constituent entre eux. Cette caractéristique est importante car elle permet non seulement d'extraire facilement un fil d'un enroulement (présentation très courante des fils de verre) mais elle limite aussi le nombre de filaments qui frottent directement sur tous les dispositifs de guidage du fil. Lorsque le fil est destiné à renforcer une matière organique, l'ensimage doit également faciliter le mouillage des filaments qui le constituent par ladite matière. Enfin, lorsque le fil de verre est destiné à renforcer des matières organiques, l'ensimage déposé sur les filaments doit être compatible chimiquement avec lesdites matières. La quasi totalité des ensimages connus sont des ensimages en phase aqueuse qui se présentent sous la forme de solutions ou, beaucoup plus souvent, sous la forme de suspension ou d'émulsions 1 0 dans l'eau. Préalablement à leur association avec une matière organique, les fils de verre ainsi ensimés doivent être séchés pour éliminer l'eau qui devient inutile voire gênante. Pour ce faire, les enroulements sont soumis à des cycles de températures généralement comprises entre 110 et 150 C pendant des durées qui peuvent atteindre et dépasser 16 heures. En effet, la quantité d'eau à évaporer est importante car elle représente, en moyenne, au moins 10 à 15 % en poids de l'enroulement. Cette opération nécessite des installations particulières et une consommation d'énergie dont le coût grève les frais de production. Par ailleurs, le séchage des enroulements peut parfois nuire à la qualité du fil lorsqu'il provoque une migration irrégulière des composants de l'ensimage à travers les spires desdits enroulement. Afin de pallier ces inconvénients, il est connu de sécher directement le fil (US-A-3 853 605) ou les filaments (WO- 92/05122) avant la formation de l'enroulement. Le séchage des fils pendant l'opération de fibrage nécessite l'implantation de dispositifs tels que des fours au-dessous de chaque filière. Par ailleurs, l'efficacité de ce mode de séchage est étroitement liée aux conditions de fabrication telles que la quantit6 d'eau sur le fil, la composition de l'ensimage, la vitesse d'étirage, le nombre et le diamètre des filaments, etc... Pour les rares cas d'ensimages composés uniquement de constituants organiques, les fils de verre revêtus de tels ensimages sont souvent soumis à un traitement particulier avant leur bobinage sur un support en rotation. Le but de ce traitement est de provoquer sur le fil, avant son bobinage, une modification de l'ensimage telle que ce dernier ne soit pas à l'origine d'un collage trop important des spires de l'enroulement entre elles, collage 3 - susceptible de rendre le dévidage du fil difficile sinon impossible. Ce traitement consiste, par exemple, à chauffer la nappe de filaments revêtus d'ensimage de manière à éliminer le solvant dudit ensimage avant la formation du fil par rassemblement desdits filaments (US- A-3 425 862), ou à polymériser l'ensimage en soumettant le fil, sur au moins une partie de son trajet, à l'action de radiations ultraviolettes (US-A-5 049 407). Là encore, ce genre de traitement nécessite l'implantation de dispositifs au-dessous de chaque filière et n'évite pas la recherche du meilleur compromis possible entre l'intégrité du fil et son aptitude à être mouillé par une matière organique. Un fil intègre, revêtu d'un ensimage purement organique, peut être obtenu sans pour cela avoir été soumis à un traitement thermique ou autre; c'est l'ensimage par lui-même qui assure la liaison des filaments entre eux. Le brevet US-A-4 530 860 décrit de tels ensimages, qui comprennent un pourcentage important d'agent filmogène dont le rôle essentiel est de conférer l'intégrité nécessaire à la manipulation du fil. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un fil de verre revêtu d'un ensimage tel qu'il permet d'éviter l'opération de séchage et les inconvénients qui en résultent. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un fil de verre revêtu d'un ensimage qui soit stable dans le temps et qui protège efficacement ledit fil de l'abrasion. La présente invention a également pour objet un fil de verre facile à mettre en oeuvre aussi bien dans les opérations faisant appel à des techniques textiles que lors de la réalisation de produits composites. Ces différents buts sont atteints par un procédé de fabrication d'un fil de verre selon lequel on étire mécaniquement une multiplicité de filaments continus à partir de filets de verre fondu qui s'écoulent d'une multiplicité d'orifices perforés à la base d'une filière, puis on rassemble lesdits filaments préalablement ensimés en un ou plusieurs fils que l'on collecte sur un support, et qui 3 5 consiste à déposer sur lesdits filaments un ensimage constitué d'une solution dont la teneur en solvant est inférieur à 5 % en poids, ladite solution comprenant un mélange de composés polymérisables et/ou réticulables, lesdits composés étant pour au moins 60 % en poids d'entre eux des monomères, moins de 10 % en poids d'agents - 4 - filmogènes et de 0 à 25 % en poids d'agents de pontage, d'agents lubrifiants, d'agents stabilisants, d'amorceurs et/ou de catalyseurs de polymérisation, lesdits agents et amorceurs étant éventuellement polymérisables et/ou réticulables, puis à bobiner le ou les fils formés par rassemblement desdits filaments sur un support en rotation pour former un enroulement constitué de spires de fil revêtu d'un ensimage non polymérisé. Dans la plupart des cas l'ensimage déposé sur les filaments est dénué de solvant. Lorsqu'il en contient, ces solvants peuvent être des solvants organiques, parfois nécessaires à la mise en solution de certains composés polymérisables et/ou réticulables, ou de l'eau introduite la plupart du temps par le biais de constituants hydratés ou hydrolysés. La présence de ces solvants en quantité limitée ne requiert pas de traitements particuliers pour les éliminer. 1 5 L'ensimage déposé sur les filaments doit présenter une teneur minimale en composés polymérisables et/ou réticulables; cette teneur est de préférence au moins égale à 70 % en poids. l'ensimage déposé sur les filaments dans le cadre du procédé selon l'invention comprend, généralement de 75 à 100 % en poids de composés polymérisables et/ou réticulables. L'ensimage déposé sur les filaments se caractérise également par la présence éventuelle, en faible quantité, d'agents filmogènes. La teneur de ces derniers, inférieure à 10 % en poids, est insuffisante pour leur faire jouer le rôle traditionnel d'agents de collage et conférer au fil une quelconque intégrité. Cette teneur est le plus souvent inférieure à 5 % en poids. Par contre, en faible quantité, ils peuvent faciliter le fibrage pour certaines vitesses d'étirage et pour certains diamètres des filaments étirés. Ainsi, lorsque les filaments sont très fins et les vitesses d'étirage élevées, la présence d'agents filmogènes atténue le frottement des filaments sur le dispositif assurant le dépôt de l'ensimage. Les agents filmogènes utilisés dans le cadre de l'invention sont, de préférence, des dérivés des silicones et/ou des siloxanes. L'ensimage déposé sur les filaments peut également comprendre des agents de pontage tels que des organo-silanes; dans ce cas la teneur en silane dans l'ensimage peut atteindre 15 % en poids dudit ensimage. Ces agents de pontage ne sont pas indispensables dans le cadre de l'invention. L'ensimage déposé sur les filaments peut aussi comprendre des agents lubrifiants; ces agents sont introduits dans l'ensimage, notamment lorsque le fil ainsi ensimé est destiné à certaines applications textiles. Ces agents sont, de préférence, des esters gras ou des esters de glycol. Leur teneur pondérale n'excède pas 8 %; au- delà de 8 % environ, lorsque le fil ensimé est en contact avec une matière organique, ces agents lubrifiants peuvent migrer dans ladite matière et risquent éventuellement de jouer alors un rôle de catalyseur d'oxydation ou d'hydrolyse. Ce phénomène se traduit par un vieillissement accéléré du matériau composite réalisé ou être à l'origine d'un défaut d'adhérence. Selon la destination du fil obtenu selon l'invention, l'ensimage pourra éventuellement comprendre des amorceurs et/ou des catalyseurs de polymérisation dans des proportions relativement 1 5 importantes. Une forte teneur en amorceurs et/ou catalyseurs de polymérisation peut nuire à la stabilité de l'ensimage; c'est la raison pour laquelle, en l'absence d'agents stabilisants qui jouent le rôle de retardateurs de polymérisation, cette teneur n'excède généralement pas 4 % en poids. Comme indiqué précédemment, l'ensimage peut comprendre des agents stabilisants qui jouent le rôle de retardateurs de polymérisation. Ces agents sont introduits dans l'ensimage notamment lorsqu'il est nécessaire d'éviter que certains constituants réagissent spontanément entre eux pendant l'opération de fibrage. En général, leur teneur dans l'ensimage déposé sur les filaments n'excède pas 3 % en poids. L'ensimage déposé sur les filaments se répartit très rapidement sur toute leur surface et forme un véritable film de protection pour chacun d'entre eux. Au stade de l'enroulement qui 3 0 vient d'être fabriqué, le fil qui le forme est constitué de filaments qui peuvent éventuellement glisser les uns sur les autres, s'écarter les uns des autres. Le fil obtenu selon l'invention ne présente pas une intégrité au sens ordinaire du terme, c'est-à-dire qu'il n'est pas constitué de filaments fixés entre eux grâce à une liaison par collage provoqué par un ou plusieurs constituants filmogènes de l'ensimage. Malgré cette présentation, le fil selon l'invention est facilement extrait de son enroulement sans avoir recours à un traitement préalable susceptible d'assurer la polymérisation de l'ensimage, comme c'est le cas d'un fil revêtu d'un ensimage dont la teneur en -6 - agents filmogènes est relativement élevée. Cette absence d'intégrité du fil, au sens classique du terme, est importante dans la mesure o elle favorisera son imprégnation par la matière organique à laquelle il sera ultérieurement associé. Toutefois, lorsque le fil doit être soumis à de fortes contraintes mécaniques au cours de sa mise en oeuvre, par exemple lors des opérations de tissage, il est préférable, au préalable, de faire polymériser l'ensimage qui le revêt. Ceci peut être obtenu en soumettant l'enroulement à un traitement thermique. Le fil présente alors une intégrité suffisante, au sens ordinaire du terme, pour supporter de telles contraintes. Dans ce cas, l'ensimage utilisé comprend de préférence un amorceur et/ou catalyseur de polymérisation. Dans ce cas également, la quantité d'ensimage déposée sur les filaments doit 1 5 être telle, que le poids d'ensimage doit demeurer inférieur à environ % du poids total de l'enroulement. En effet, au-delà de cette limite supérieure le collage des fils entre eux sur l'enroulement devient tel qu'il rend ce dernier inutilisable. De plus, lorsque l'enroulement doit subir ultérieurement un traitement thermique, les spires de fil qui le constituent doivent présenter un angle de croisure au moins égal à 1,5 . Par angle de croisure il faut entendre l'angle qui existe entre les spires de fil appartenant à deux couches consécutives et dont la bissectrice est contenue dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'enroulement. En effet, lors de la phase initiale de ce traitement, l'élévation de température provoque une diminution temporaire de la viscosité de l'ensimage avant que les réactions de polymérisation n'interviennent. Si la croisure de l'enroulement est nulle ou faible, les spires de fil sont accolées ou tout au moins en contact sur une 3 0 grande partie de leur longueur et l'ensimage à tendance à relier les spires adjacentes. A l'issue du traitement thermique les zones de collage entre les spires voisines sont importantes et l'enroulement est inutilisable. Lorsque l'angle de croisure du fil est d'au moins 1,5 les zones de collage sont considérablement réduites et n'empêchent 3 5 pas l'extraction du fil. Les fils de verre formant les enroulements réalisés selon la présente invention sont constitués de filaments continus dont le diamètre moyen peut varier entre 5 et 24 micromètres. Lorsque -7 - l'enroulement a subi un traitement thermique, le fil extrait dudit enroulement présente une perte au feu inférieure à 5 % en poids. Afin de réduire la tension à laquelle sont soumis les filaments en cours d'étirage, il est préférable de déposer sur eux un ensimage qui soit à une viscosité inférieure ou égale à environ 400 centipoises. Une telle viscosité peut être atteinte notamment en sélectionnant les monomères entrant dans la composition de l'ensimage et/ou en dosant leur proportion par rapport à l'ensemble des composés polymérisables et/ou réticulables. L'invention sera mieux comprise et ses avantages mieux appréciés grâce aux exemples suivants. Les fils de verre décrits ci- après sont formés par étirage mécanique de filets de verre fondu s'écoulant des orifices d'une filière selon une méthode bien connue de l'homme de l'art. Le verre utilisé est un alumino-boro-silicate 1 5 pratiquement dénué d'oxydes alcalins connu sous le nom de verre E. Les filaments obtenus, de 14 micromètres de diamètre, sont revêtus d'un ensimage conforme à l'invention par l'intermédiaire d'un rouleau ensimeur de 40 millimètres de diamètre tournant à tours par minute, la température de l'ensimage étant la température ambiante. EXEMPLE 1 Dans cet exemple, l'ensimage déposé sur les filaments présente la composition pondérale suivante Monomères: * 2(2-éthoxy éthoxy) éthylacrylate commercialisé sous la référence "SR-256" par la Société CRAY VALLEY 21 % * triéthylène glycol divinyl éther commercialisé sous la référence "DVE 3" par la Société INTERNATIONAL SPECIALITY PRODUCTS 23 % * triméthylolpropanetriacrylate éthoxylé commercialisé sous la référence "SR 454" par la Société CRAY VALLEY 20 % 3 5 Polymère: * Résine acrylate sur base époxy aromatique produit commercialisé sous la référence "PHOTOMER 3016" par la Société AKCROS 20% Amorceur; * peroxybenzoate de terbutyle produit commercialisé sous la référence "TRIGONOX C" par la Société AKZO 2% Agent de pontage: *aminopropyltriéthoxysilane produit commercialisé sous la référence 'A 1100" par la Société UNION CARBIDE 10 % Agent lubrifiant: * palmitate d'isopropyle 4 % Cet ensimage présente une viscosité de 40 cP à 37 C. EXEMPLE 2 Les composés polymérisables et/ou réticulables entrant dans la composition de l'ensimage peuvent être uniquement des monomères comme l'illustre cet exemple. La composition pondérale de l'ensimage déposé sur les filaments est la suivante Monomères * "SR-256" 25 % * "DVE3" 29 % * ester triacrylate commercialisé sous la référence PHOTOMER 4171 par la Société AKCROS 29 % Amorceur: * 'RICGONOXC" 3 % Agent de pontage * "A 1100" 10% Agent lubrifiant * palmitate d'isopropyle 4 % 3 0 Cet ensimage présente une viscosité de 24 cP à la température de 25 C. Dans le cadre des exemples précédents des enroulements presque identiques ont été obtenus à l'issue d'un temps de bobinage de 20 minutes. Ces enroulements, qui présentent un angle de 3 5 croisure moyen de 16 , ont ensuite été traités thermiquement, traitement au cours duquel ils ont été soumis à une température de C pendant environ 180 minutes. -9- Des fils extraits d'un enroulement réalisé dans le cadre de l'exemple 1, présentent un titre moyen de 330 tex, leur perte au feu s'élevant à 0,75 %. Des fils extraits d'un enroulement réalisé dans le cadre de l'exemple 2, présentent un titre moyen de 342 tex, leur perte au feu s'élevant à 0,70 %. La résistance à l'abrasion des fils extraits de ces enroulements a été évaluée en pesant la quantité de bourre formée après passage desdits fils sur une série de tiges. Exprimée en milligrammes de 1 0 bourre par kilogramme de fil testé, la quantité de bourre pesée à l'issue du test a varié pour ces deux types de fils entre 8 et 50 mg/kg. A titre de comparaison, des fils présentant des caractéristiques similaires, mais revêtus d'un ensimage aqueux comprenant une émulsion de résine époxy, des silanes et des tensio- actifs cationiques et séchés dans des conditions ordinaires, peuvent former 200 voire 500 mg de bourre par kg de fil A partir de ces mêmes fils, des plaques à fils parallèles ont été réalisées conformément à la norme NF 57152. La résine utilisée est la résine époxy CY205 commercialisée sous cette référence par la Société Ciba Geigy. Les propriétés mécaniques présentées par ces plaques, en flexion et en cisaillement, ont été mesurées respectivement selon les normes ISO 178 et ISO 4585. Ces propriétés ont été mesurées avant vieillissement et après immersion de ces plaques dans l'eau à 98 C pendant 72 heures. Ces propriétés, sont comparées ci-après à celles présentées par des plaques à fils parallèles réalisées à partir du même fil de référence que celui retenu pour le test de résistance à l'abrasion. Les résultats obtenus, sur 8 à 10 éprouvettes pour chaque type de fil, rapportés à des plaques présentant des taux de verre en poids identiques, sont les suivants: - 10 -2713626 -10- EXEMPLE 1 EXEMPLE 2 REFERENCE Contrainte à rupture en flexion (MPa) Avant vieillissement 2376 2369 2280 ca (MPa) 75 50 40 Après vieillissement 1563 1635 1400 a (MPa) 73 24 20 Contrainte à rupture en cisaillement (MPa) Avant vieillissement 64,0 67,2 69,5 a (MPa) 1,4 0,8 1,0 Après vieillissement 32,2 43,3 40,0 a (MPa) 1,0 1,2 0,4 1 5 Ces résultats montrent que des pièces composites réalisées à partir des fils obtenus selon l'invention présentent des propriétés aussi bonnes et, pour au moins une d'entre elles, meilleures que celles des pièces fabriquées à partir de fils classiques.' Les fils selon l'invention sont particulièrement recommandés pour toutes les applications textiles, mais leur principal emploi reste le renforcement de différentes matières en vue de réaliser des produits composites. Ces matières peuvent être minérales, telles que des mélanges à base de ciment, ou organiques. - il - REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de fils de verre consistant à étirer mécaniquement une multiplicité de filaments continus à partir de filets de verre fondu qui s'écoulent d'une multiplicité d'orifices perforés à la base d'une filière, puis à rassembler lesdits filaments préalablement ensimés en un ou plusieurs fils que l'on collecte sur un support selon lequel on dépose à la surface des filaments en cours d'étirage un ensimage constitué pour l'essentiel d'un mélange de produits organiques selon lequel on dépose sur lesdits filaments un ensimage constitué d'une solution dont la teneur en solvant est inférieure à 5% en poids, ladite solution comprenant un mélange de composés polymérisables et/ou réticulables, lesdits composés étant pour au moins 60% en poids d'entre eux des monomères, moins de % en poids d'agents filmogènes et de 0 à 25 % en poids d'agents 1 5 de pontage, d'agents lubrifiants, d'agents stabilisants et d'amorceurs et/ou catalyseurs de polymérisation, lesdits agents et amorceurs étant éventuellement polymérisables et/ou réticulables, puis on bobine le ou les fils, formés par rassemblement desdits filaments, sur un support en rotation pour former un enroulement constitué de spires de fil revêtu d'un ensimage non polymérisé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dépose sur les filaments un ensimage dénué de solvant. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on dépose sur les filaments un ensimage qui comprend au moins 70 % en poids de composés polymérisables et/ou réticulables. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensimage déposé sur les filaments comprend entre 75 et 100 % en poids de composés polymérisables et/ou réticulables. 3 0 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensimage déposé sur les filaments peut comprendre jusqu'à 5 % en poids d'agents filmogènes choisis parmi les dérivés des silicones et/ou des siloxanes. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensimage déposé sur les filaments peut comprendre jusqu'à 15 % en poids d'agents de pontage sous la forme d'organo-silanes. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensimage déposé sur les /12 l2713626 - 12 - filaments peut comprendre jusqu'à 8 % en poids d'agents lubrifiants tels que des esters gras ou des esters de glycol. 8. Procédé selon l'une quelconque 'des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensimage déposé sur les filaments peut comprendre jusqu'à 4 % en poids d'amorceurs et/ou catalyseurs de polymérisation. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensimage déposé sur les filaments peut comprendre jusqu'à 3 % en poids d'agents 1 0 stabilisants. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enroulement formé comprend moins de 5 % en poids d'ensimage. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce 1 5 que l'enroulement est réalisé en observant un angle de croisure au moins égal à 1,5 . 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on soumet l'enroulement ainsi réalisé à l'action d'un traitement thermique de manière à provoquer la polymérisation de l'ensimage. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la viscosité de l'ensimage déposé sur les filaments est égale ou inférieure à 400 cP. 14. Enroulement réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est formé de spires de fil de verre constitué de filaments dont le diamètre moyen est compris entre 5 et 24 micromètres. 15. Enroulement selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il est formé de spires de fil de verre revêtu d'un ensimage polymérisé. 16. Enroulement selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est formé de spires de fil de verre dont la perte au feu est inférieure à 5 % en poids.