Brevet FR2836859A1 — publié le 20030912

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un produit à partir d'un matériau comportant un mélange à base d'élastomère incorporant des fibres longues. On connaît des matériaux dits composites contenant une matrice élastomère et des fibres de renforcement : les fibres améliorent les propriétés mécaniques du matériau comme la résistance à l'usure, la résistance à la traction, la résistance au déchirement, tandis que la matrice de base conserve au moins en partie ses performances liées notamment à son module de flexion, son coefficient d'amortissement, sa résistance au choc. Les améliorations des propriétés mécaniques dues aux fibres sont d'autant plus sensibles que les fibres sont longues, qu'elles sont complètement enrobées par la matrice et que la cohésion entre chaque fibre et la matrice est complète. La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d'un produit à partir d'un matériau composite qui permette de satisfaire aux critères ci-dessus et donc de consolider les améliorations dues aux fibres. Selon l'invention, un procédé de fabrication d'un produit à partir d'un matériau comportant un mélange à base d'élastomère chargé incorporant des fibres est caractérisé par le fait que le matériau incorporant des fibres est obtenu en imprégnant les fibres à l'aide d'un polymère de viscosité très faible en phase fondue puis en introduisant les fibres imprégnées dans le mélange à base d'élastomère, lequel est vulcanisable et de viscosité élevée en phase fondue. Certes, on a déjà proposé de pré-imprégner des fibres longues ; mais, comme décrit par exemple dans les documents EP-A-0 150 932 ou EP-A- 0 156 888, il s'agit d'une mise en forme intermédiaire ; de plus, l'imprégnation des fibres par des polymères de viscosité élevée est réalisée grâce à des additifs plastifiants qui dégradent les performances finales de la matrice au sein du composite. Le polymère est un thermodurcissable et contribue à la tenue mécanique du produit. Avantageusement, le matériau ainsi obtenu par le procédé de l'invention ci-dessus est introduit directement dans un moule d'injection ou extrusion. De préférence, le polymère est une résine phénolique ; c'est une novolaque. Avantageusement, le mélange est un terpolymère d'éthylène, de propylène et d'un dièdre ou EPDM. En variante, le mélange est un copolymère de styrène et de butadiène ou SBR, ou un copolymère de butadiène et d'acrylonitril ou NBR. De préférence, le mélange contient également un polymère de viscosité très faible en phase fondue, par exemple le même que celui qui est utilisé pour imprégner les fibres. Avantageusement, l'imprégnation des fibres est réalisée dans une vis d'injection, les fibres étant introduites en continu dans ladite vis qui les découpe à longueur. De préférence, le mélange à base d'élastomère est réalisé directement dans une vis d'injection dite secondaire. Avantageusement, le mélange à base d'élastomère est introduit dans la vis d'injection secondaire sous forme de poudre, pellets ou bandelettes. Avantageusement, la vis secondaire alimente directement la vis primaire qui réalise le mélange proprement dit. Les paramètres de contrôle du fonctionnement des deux vis, par exemple vitesse et température, sont réglés indépendamment d'une vis à l'autre pour mieux maîtriser les degrés d'avancement de la plastification et de la polymérisation. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus comportant un moule caractérisé par le fait que son point d'injection est raccordé à la sortie de deux vis d'injection indépendantes dont l'une imprègne les fibres de polymère et l'autre alimente la première en mélange à base d'élastomère. Avantageusement, les deux vis d'injection s'étendent parallèlement l'une à l'autre. L'invention a également pour objet un produit fabriqué à partir d'un matériau comportant un mélange à base d'élastomère incorporant des fibres caractérisé par le fait qu'il est obtenu à l'aide du procédé ou du dispositif décrits ci-dessus ; le produit est une garniture de friction ; la garniture de friction est une garniture d'embrayage. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemple, purement illustratif et non limitatif, des modes de réalisation représentés sur les dessins annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique en coupe partielle d'un moule selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle de la figure 1 et montre les deux parties du moule définissant l'empreinte dans leur position d'alimentation ; - la figure 3 est analogue à la figure 2, les deux parties du moule étant en position de fermeture ; - les figures 4 et 5 sont analogues aux figures 2 et 3, respectivement, et montrent une variante ; - les figures 6 et 7 sont analogues aux figures 2 et 3, respectivement, et montrent une autre variante ; - les figures 8 et 9 sont analogues aux figures 2 et 3, respectivement, et montrent une autre variante ; - les figures 10 et 11 sont analogues aux figures 2 et 3, respectivement, et montrent encore une autre variante. En se reportant aux figures 1 à 3, on voit un moule qui comprend deux parties de moule 11,12 globalement de révolution autour d'un axe A et mobiles axialement l'une par rapport à l'autre ; ici, la partie de moule 12 est fixe et la partie de moule 11 est déplaçable par rapport à la partie de moule 12. Les deux parties de moule 11,12 présentent une empreinte 13 qui, lorsqu'elles sont accolées l'une à l'autre, figure 3, a la forme d'une couronne destinée à être alimentée en matériau M. Les deux parties de moule 11,12 ont des faces en regard 15,16 complémentaires déplaçables l'une par rapport à l'autre entre deux positions, une position dite d'alimentation, figures 1 et 2, dans laquelle elles sont à distance l'une de l'autre, et une position dite de fermeture, figure 3, dans laquelle elles sont au contact l'une de l'autre. Dans la forme représentée sur ces figures, les faces en regard 15,16 sont parallèles et perpendiculaires à l'axe A, qui est l'axe de l'empreinte 13 en forme de couronne. La partie de moule 12 fixe est traversée centralement par un canal 14 évasé dont la section croît au fur et à mesure que l'on s'approche de la partie de moule 11 mobile et dont l'entrée 17 constitue le point d'injection situé ici sur l'axe A. Le point d'injection 17 est relié à la sortie d'un pot d'injection 100 qui comprend classiquement un boisseau de fermeture 101, une chambre d'alimentation 102, un piston d'injection 103, un clapet 104. Le matériau M comporte des fibres, telles que des fibres de verre par exemple, plutôt longues. Ici, le matériau M comporte des fibres introduites dans un mélange élastomère vulcanisable de viscosité élevée en phase fondue ; ce mélange est par exemple un terpolymère d'éthylène, de propylène et d'un diène, ou EPDM ; ce peut être également un copolymère de styrène et de butadiène, ou SBR, ou un copolymère de butadiène et d'acrylonitrile, ou NBR. Avantageusement, en vue de leur introduction dans le mélange élastomère fondu, les fibres sont préalablement imprégnées d'un polymère thermodurcissable de viscosité très faible en phase fondue ; un tel polymère est par exemple une résine phénolique ; ce polymère thermodurcissable contribue à la tenue mécanique du matériau de friction. Ici, on entend par viscosité élevée une viscosité supérieure à 40 Mooney ML (1+4), et par viscosité très faible, une viscosité inférieure à 10 Mooney ML (1+4) ; ces valeurs sont obtenues par des mesures de consistométrie faites à 100 C sur un rhéomètre type Mooney dont le mobile tourne continûment à une vitesse de 2 tours par minute. Une vis d'injection 105, figure 1, assure l'imprégnation des fibres ; une trémie 107 reçoit la matière d'imprégnation, telle qu'une résine phénolique ; les fibres 108 sont introduites en continu et c'est la vis 105 elle-même qui les coupe à longueur, laquelle est en moyenne d'au moins 5 millimètres ; ainsi, cette vis 105 assure la plastification du polymère d'imprégnation et l'imprégnation des fibres ; cette vis 105 reçoit également l'élastomère depuis une vis secondaire 106 qui s'étend parallèlement à la vis 105 ; ainsi, la vis secondaire 106 vient directement alimenter la vis 105 qui réalise le mélange proprement dit ; l'élastomère, ou plus précisément le mélange à base d'élastomère, est introduit sous forme de poudre, pellets ou bandelettes ; dans l'exemple représenté figure 1, il s'agit d'une bandelette 109. Le mélange à base d'élastomère contient classiquement des charges, catalyseurs, accélérateurs, inhibiteurs ; il pourrait également contenir du polymère imprégnant les fibres, en une quantité pouvant aller jusqu'à 50 pour cent en poids du polymère contenu dans le matériau de friction. Grâce à cette disposition, le mélange à base d'élastomère présente une viscosité plus faible une fois qu'il est plastifié et le mélange final est plus homogène. Comme on le voit, le mélange plastifié est réalisé et introduit directement au point d'injection. Un mélange ayant donné satisfaction a la composition suivante, en poids : 10 à 15 % de polymère 20 à 30 % d'élastomère EPDM 15 à 20 % de charge (noir de carbone et charge minérale) 30 à 50 % de fibres de verre. Bien entendu, des dispositions sont prises pour limiter la détérioration des fibres : canaux à grande section, courbure limitée, profils des vis, longueurs des vis ; de plus, les paramètres de fonctionnement sont choisis en sorte que le mélange final est homogène et régulier quant à son comportement rhéologique et rhéométrique : absence de démixtion ou séparation de phases. Les paramètres de contrôle du fonctionnement des deux vis 105 et 106, par exemple vitesse et température, sont réglés indépendamment d'une vis à l'autre pour mieux maîtrise les degrés d'avancement de la plastification et de la polymérisation. Bien entendu, des moyens de chauffage non représentés sont associés aux vis 105 et 106. Le mélange ainsi réalisé est injecté centralement en 17 ; l'alimentation de l'empreinte est réalisée par un canal, défini entre les deux parties de moule 11, 12, ayant une forme de révolution. Dès lors, le matériau injecté se propage entre la partie fixe de moule 12 et sa partie mobile 11, depuis le point d'injection 17 vers l'empreinte 13 en formant une nappe circulaire de matériau dont le diamètre croît pendant l'injection ; le matériau subit des déformations au cours de la croissance du diamètre de la nappe, ces déformations s'étendant circonférentiellement, c'est-à-dire tangentiellement à l'enveloppe circulaire de la nappe ; ainsi, lors de l'injection, les fibres, entraînées par la matière en mouvement, s'orientent tangentiellement à la forme générale circulaire de la garniture en couronne, ce qui est favorable à sa tenue en centrifugation. On constate que l'inclinaison des fibres par rapport aux tangentes à la forme générale circulaire de la garniture est en moyenne plus importante au voisinage du diamètre intérieur qu'au voisinage du diamètre extérieur de la garniture en forme de couronne ; la tenue en centrifugation n'en est bien entendu pas affectée. Dans leur position d'alimentation, les deux parties de moule 11 et 12 sont à courte distance l'une de l'autre, par exemple au plus à 5 millimètres l'une de l'autre ; la quantité de matière injectée est telle que, alors que l'injection débute lorsque le moule est ouvert, elle se termine avant que le moule soit fermé ; à titre d'exemple, pendant l'injection pour au moins la moitié du matériau nécessaire pour le remplissage. Les figures 4 et 5 montrent une variante de moule dans laquelle la partie de moule mobile 21 comporte un piston 27 dont le diamètre est tel que, lorsque le moule est fermé, il constitue la paroi cylindrique intérieure de l'empreinte 13, au droit bien entendu du diamètre intérieur de la couronne. Ainsi, la face de la partie mobile 21 du moule qui est en regard de la face 16 de la partie fixe 12 du moule comprend notamment le fond 23 de l'empreinte et la face avant 25 du piston 27. Selon la variante des figures 6 et 7, dans la position d'alimentation des parties de moule 31 et 12, le passage pour l'alimentation en matériau de friction de l'empreinte 13 depuis le point d'injection 17 a une épaisseur, mesurée parallèlement à l'axe A, qui croît depuis l'axe A vers l'empreinte 13 : les deux faces en regard, des deux parties de moule 31 et 12, sont, dans leur position d'alimentation, axialement à une distance l'une de l'autre qui augmente depuis leurs parties proches de l'axe A jusqu'à leurs parties en regard proches de l'empreinte 13 en forme de couronne ; cette disposition permet de faciliter, à la fermeture du moule, le transfert du matériau vers l'empreinte 13. On préfère qu'en dehors de l'empreinte 13 les faces en regard des deux parties de moule 31 et 12 soient en contact à la fermeture du moule ; pour ce faire, la face de la partie mobile 31 est au moins en partie constituée par la face externe d'un élément élastique 32 de forme générale conique retenu, dans cette position précontrainte, par une entretoise 33 ; grâce à cette disposition, par contact avec la face 16 de la partie de moule 16, l'élément élastique 32 trouve à la fermeture du moule une configuration plate, figure 7, en étant en appui sur un pion central 35. Derrière l'élément élastique 32 est définie une cavité 34 autorisant sa déformation ; on peut mettre à profit cette cavité 34 pour y faire circuler un fluide sous pression et contrôler la déformation de l'élément 32. Dans l'exemple représenté, la face en regard 16 de la partie de moule 12 fixe est plane et perpendiculaire à l'axe ; en variante, elle est également conique. Comme on peut le remarquer, les faces en regard des deux parties de moule sont en contact lorsque le moule est fermé ; ainsi, au droit de celles-ci, il n'y a pas de perte de matière entre injections successives. Lorsque le moule est fermé, la zone externe où est l'empreinte en couronne est chauffée un certain temps en vue de polymériser la garniture ; toutefois, il est souhaitable que la matière restante au droit du point d'injection 17 ne polymérise pas et reste fluide pour l'injection suivante. Selon la variante des figures 8 et 9, les deux parties de moule 41 et 42 sont en deux pièces globalement annulaires, une pièce dite externe, respectivement 43 et 44, et une pièce dite interne, respectivement 47 et 48, reliées périphériquement par un matériau isolant thermiquement, de forme annulaire, respectivement 61 et 62 ; ces matériaux isolants empêchent la chaleur apportée aux pièces externes 43 et 44 d'être conduite vers les pièces internes 47 et 48. Il est également possible de prévoir, comme représenté sur les figures, des canaux 45 et 46, dans les pièces internes 47 et 48, respectivement, traversés par un fluide de refroidissement. Sur les figures 10 et 11, les deux pièces externes sont en deux parties globalement annulaires montées coulissantes axialement l'une par rapport à l'autre ; ce sont les parties disposées radialement le plus à l'extérieur, 53 et 54, qui sont adaptées à définir l'empreinte en forme de couronne ; déplaçables axialement par rapport aux parties 55 et 56 les plus proches de l'axe, ces dernières peuvent être espacées d'une distance suffisamment grande, figure 11, pour que les parties 53 et 54, le plus à l'extérieur, puissent être portées par un carrousel équipé de plusieurs pièces semblables : dès lors, le temps de cycle est très court et la carotte centrale n'a pas le temps de polymériser. Sur ces figures, on remarque également que la partie externe 53 de la partie 51 mobile du moule porte un embrèvement annulaire 59 qui prolonge légèrement radialement une partie de l'empreinte en forme de couronne, embrèvement qui reçoit la partie externe 54, de l'autre partie 52 du moule, à la manière d'un piston ; dès lors, une pression importante peut être appliquée au matériau présent dans l'empreinte sans que cette pression soit appliquée sur tout le diamètre intérieur de l'empreinte en forme de couronne. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un produit à partir d'un matériau comportant un mélange à base d'élastomère chargé incorporant des fibres, caractérisé par le fait que le matériau incorporant des fibres est obtenu en imprégnant les fibres (108) à l'aide d'un polymère (107) de viscosité très faible en phase fondue puis en introduisant les fibres imprégnées dans le mélange à base d'élastomère (109), lequel est vulcanisable et de viscosité élevée en phase fondue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le matériau ainsi obtenu est introduit directement dans un moule d'injection ou extrusion. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le polymère est un thermodurcissable et contribue à la tenue mécanique du produit 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le polymère (107) est une résine phénolique. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le polymère est une novolaque. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le mélange (109) est un terpolymère d'éthylène, de propylène et d'un dièdre ou EPDM. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le mélange (109) est un copolymère de styrène et de butadiène ou SBR. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le mélange est un copolymère de butadiène et d'acrylonitril ou NBR. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le mélange (109) contient également un polymère (107) de viscosité très faible en phase fondue. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le polymère est le même que celui qui est utilisé pour imprégner les fibres. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que l'imprégnation des fibres est réalisée dans une vis d'injection (105), les fibres (108) étant introduites en continu dans ladite vis (105) qui les découpe à longueur. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que le mélange à base d'élastomère (109) est réalisé directement dans une vis d'injection (106) dite secondaire. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le mélange à base d'élastomère (109) est introduit dans la vis d'injection secondaire (106) sous forme de poudre, pellets ou bandelettes. 14. Procédé selon les revendications 11 et 12 prises conjointement, caractérisé par le fait que la vis secondaire (106) alimente directement la vis primaire (105) qui réalise le mélange proprement dit. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé par le fait que les paramètres de contrôle du fonctionnement des deux vis (105,106) sont réglés indépendamment d'une vis à l'autre pour mieux maîtriser les degrés d'avancement de la plastification et de la polymérisation. 16. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 15, comportant un moule caractérisé par le fait que son point d'injection (17) est raccordé à la sortie de deux vis d'injection (105,106) indépendantes dont l'une (105) imprègne les fibres (108) de polymère (107) et l'autre (106) alimente la première en mélange à base d'élastomère (109). 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé par le fait que les deux vis d'injection (105,106) s'étendent parallèlement l'une à l'autre. 18. Produit fabriqué à partir d'un matériau comportant un mélange à base d'élastomère incorporant des fibres, caractérisé par le fait qu'il est obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 15. 19. Produit selon la revendication 18, caractérisé par le fait qu'il est une garniture de friction. 20. Produit selon la revendication 19, caractérisé par le fait que la garniture de friction est une garniture d'embrayage.