Brevet FR2839320A1 — publié le 20031107

montage sur un nez de broche (17) de forms conique Axe [extremes de Carbre (21 MECHE A BASE DE FIBRES DE VERRE L'invention concerne une meche constituee d'une pluralite de filaments a base de fibres de verre. La meche se presente sous forme d'une bobine appelee roving ou stratifil. Les rovings ont diverges destinations. Concernant les materiaux composites, les rovings constituent le renfort des matieres plastiques. Les procedes de mise en ceuvre des rovings en fibre de verre vent tres varies. Parmi ces procedes, on peut citer: A - Le tissage et autres procedes utilisant des machines textiles, conduisant a des renforts plans tisses ou non. Les tissue et autres renforts lourds a base de rovings (environ ou plus de 1000g/m2) vent surtout utilises pour la fabrication de pieces en materiau composite pouvant etre tres sollicitees mecaniquement. Ils trouvent une application dans des pieces utilisees de maniere statique, telles que des panneaux de caissons isothermes pou r cam ions frigorifiques, ou bien da n s des pieces util isees de man iere dynamique telles que des pales d'eoliennes qui subissent de fortes oscillations vibratoires. B - La pultrusion consistent a impregner de resine un renfort de fils continus puis a le former par traction au travers d'un moule (filiere) chauffe qui polymerise la structure profilee ainsi realisee. Ce procede permet de fabriquer des produits de renfort oblongs, tels que des joncs ou des elements pour realiser des caillebotis. C - L'extrusion thermoplastique qui consiste a fabriquer des granules de matiere thermoplastique renfermant des fibres cites longues, les fibres continues etant introduites dans une extrudeuse et enrobees par la matiere plastique en sortie d'extrudeuse pour etre decoupees en granules. Ce procede permet d'obtenir des pieces renforcees pour la construction automobile. D - L'enroulement filamentaire consistent a enrouler sous tension constante un renfort de fibres continues impregne de resine sur un mandrin tournant de forme appropriee pour obtenir apres polymerisation un corps de revolution creux tel qu'un tuyau. L'invention concerne plus particulierement les meches en vue d'une fabrication de renforts a partir de rovings dont actuellement le titre de la meche atteint 1200 tex ou plus avec un diametre filamentaire de 12 1lm ou plus. Nous rappelons que le titre d'un fil ou d'une meche correspond a sa masse lineique (1 tex = 1 g/km). Le titre de la meche varie proportionnellement au carre du diametre des filaments et proportionnellement au nombre de filaments la constituent. Le titre d'une meche constitue un facteur de sa resistance mecanique, tandis que le diametre des filaments influe sur ['aptitude a la courbure du fil ou de la meche et par consequent sur la souplesse du tissu qui peut etre obtenu. Plus le titre est eleve, plus le fil est resistant, et plus le diametre des filaments est eleve, plus son aptitude a la courbure sera difficile. Les rovings vent obtenus soit directement a partir de filaments issus d'une filiere et rassembles sous elle en une seule meche bobinee (on les appelle rovings directs), soit indirectement a partir de fils qui vent issus de bobines primaires denommees gateaux et qui vent assembles pour constituer une meche finale de titre voulu (on les appelle rovings assembles). Le nombre maximum de filaments constituent une meche de roving direct est limite par le nombre de trous de la filiere d'ou s'ecoulent les filets de verre formant apres etirage mecanique lesdits filaments. Le nombre de filaments est strictement egal au nombre de trous de la filiere. Ce nombre de trous ne depasse pas aujourd'hui environ 4000, voire 4500, ce qui permet d'obtenir des rovings directs, par exemple de 1200 tex 112'um, 2400 tex / 17,um, ou 4800 tex /24,um, ou encore 9600 tex /33 um. 11 est conventionnel d'exprimer le diametre des filaments et le nombre de filaments selon des nombres entiers. En effet, par simplification de langage, on enonce les nombre de trous de filiere ainsi que les nombres de filaments de la meche selon un chiffre rond de centaines (par exemple une meche de 4024 filaments sera cite de 4000 filaments). Le chiffre rond peut differer de quelques dizaines du nombre exact. Quant au diametre de filaments, c'est une valeur nominale, exprimee conventionnellement par un nombre entier de micrometres. Wile differe en general de moins de 0,5 um de la valeur moyenne du diametre de tous les filaments constituent la meche. Aussi dans la suite du texte, il convient de considerer les nombres entiers comme des valeurs arrondies. Pour certaines applications, on pense par exemple aux pales d'eoliennes qui subissent dans le temps un phenomene de fatigue dG aux sollicitations quasi-continues engendrees par le vent, il serait souhaitable que le titre de la meche actuellement de 2400 tex soit encore plus eleve de fac, on a d'une part simplifier le procede de fabrication des pales, d'autre part permettre de fabriquer des pales de tres grandes dimensions (40 metres et plus) qui aujourdthui necessitent cependant un grand nombre de couches de renfort. On peut augmenter le titre d'une meche de roving en augmentant le diametre des filaments eVou leur nombre. L'augmentation du diametre est la plus evidente a realiser mais n'est pas toujours souhaitable pour des raisons de plus mauvaise aptitude a la courbure de la meche qui engendre un tissage plus dimcile et conduit a des produits de moindre qualite. Le tissage est frequemment interrompu par des filaments qui se brisent, le tissu est souvent defectueux compte tenu des exigences de planeite et regularite des applications dynamiques notamment. En outre, la surface de verre offerte au contact de la resine d'impregnation est moindre, I'adhesion verre- resine est done moins bonne et les performances mecaniques du composite vent moins elevees. Pour ces raisons, certaines professions ont etabli des normes qui limitent le diametre de filaments admissible a 17 um. Dans le cas de la pultrusion, les meches ont aujourd'hui des titres allant jusqu'a 4800 tex; pour des raisons de productivite et de dimensions de pieces, on souhaite aussi augmenter le titre, mais ['augmentation du diametre des filaments provoque une gene dans l'emploi de telles meches, les filaments se brisant et formant des sortes d'epines qui d'une part piquent et blessent les operateurs et d'autre part salissent la resine qui impregne le renfort. Pour cette raison, les transformateurs exigent dans ce cas que le diametre de filaments ne depasse par 24,um, certains exigeant meme que ce diametre ne depasse pas 19 m. On prefere done augmenter le titre en augmentant le nombre des filaments. L'augmentation du nombre de filaments est realisee soit par ['association de plusieurs meches issues d'une pluralite de gateaux, ce qui ne simplifie pas la fabrication et participe plutot a une augmentation des couts, soit par ['association de plusieurs meches de filaments provenant de plusieurs filieres et regroupees sur un meme bobinoir, ce qui n'est pas sans engendrer un souci de rendement en raison de I'elevation statistique du nombre de casses de la meche globale par la dependence d'une pluralite de filieres. En outre, les inventeurs ont mis en evidence que ['association d'une pluralite de meches presentait des inconvenients qui pouvaient etre redhibitoires quant a la qualite de la bobine vendue et du produit manufacture a partir de la bobine. Ainsi, pour I'association de plusieurs meches de gateaux, la bobine obtenue presente des boucles sur sa tranche ce qui n'est pas convenable en terme de qualite de presentation pour la vente, et ces boucles risquent de provoquer un emmelement de la meche au devidage lors du tissage par exemple. Avec ['association de filaments issus d'une pluralite de filieres, meme si la bobine obtenue ne presente pas de defauts apparents, au devidage les meches de filaments ont tendance a se separer, I'une alors sera tiree plus que l'autre (ou les autres) lors du tissage par exemple. Cette inegalite de tension nuira a la planeite du tissu qui sera gondole, le tissu ne pourra entre autre pas etre impregne convenablement de resine et il en resultera des proprietes mecaniques affaiblies pour le materiau composite. L'invention a done pour but de fournir une meche a base de fibres de verre qui presente un titre plus eleve ou identique que ceux existants sur le marche sans etre accompagne d'une augmentation du diametre des filaments, tout en gardant une qualite au moins equivalente (en particulier lors de sa mise en ceuvre), et en conservant une simplicite dans sa fabrication. Selon ['invention, la meche est caracterisee par le rapport T2 qui est superieur a 9, OU T est le titre de la meche en tex et,u est le diametre des filaments en,um. Selon une autre caracteristique, la composition du verre est de preference celle du verre E. Par exemple, la meche comporte 8000 filaments de chacun 17,um de diametre et presente un titre de 4800 text Ce type de meche convient particulierement pour la fabrication de renforts unidirectionnels ou multiaxiaux, utilises notamment pour les pales d'eoliennes. En effet, le diametre des filaments reste identique a celui existent sur le marche de 17 m pour les pales d'eoliennes; le tissage n'est ainsi pas rendu plus difficile. Et le titre est avantageusement plus eleve que celui existent, de 2400 tex pour un diametre de 17,um, conduisant a un renfort plus lourd. Selon un autre exemple, la meche comporte 8000 filaments de chacun 24,um de diametre et presente un titre de 9600 text Une telle meche est appreciee pour la fabrication de pieces profilees de grande longueur et de section reduite par le procede de pultrusion. Comme autre exemple, la meche comporte 8000 filaments de chacun 12 m de diametre et presente un titre de 2400 tex pour la fabrication de joncs par le procede de pultrusion fine. Ainsi la meche de ['invention peut etre utilisee dans la fabrication de materieux composites via des procedes de tissage, ou pultrusion ou extrusion ou enroulement filamentaire. De telles meches vent done obtenues en augmentant le nombre de filaments etires depuis la filiere, ce qui oblige a disposer de filieres de nombre de trous plus eleve que dans l'art anterieur. Jusqu'a present, des bobines avec un si grand nombre de filaments pouvant par exemple atteindre le nombre de 8000 comme ici dans ['invention et issus d'une seule filiere n'existaient pas sur le marche car les installations de fibrage du verre actuelles vent conc,ues pour accueillir des fonds de filieres de dimensions etablies et pourvus d'environ au plus 4500 orifices. Pour augmenter encore le nombre d'orifices, il serait necessaire pour une meme surface de fond de filiere de positionner les orifices de maniere encore plus serree les uns par rapport aux autres, ce qui rapprocherait entre eux les filaments s'en ecoulant. Le risque serait alors certain de voir se reunir et se coller entre eux les filaments, empechant done le procede de fibrage. Or, on ne s'etait jusqu'a present pas penche sur lteventualite de fabriquer de nouvelles filieres dont le fond serait pourvu d'un plus grand nombre d'orifices, jusqu'a doubler ceux existants, en augmentant la surface du fond de filiere perce desdits orifices tout en pouvant s'integrer dans une installation de fibrage existante. Aussi, selon ['invention le dispositif de fabrication de la meche de ['invention comporte une filiere dont le fond consiste en une plaque pourvue de plus de 4500 orifices, en particulier 8000, et de surface superieure a celle d'une plaque existante actuellement pourvue au plus de 4500 orifices. D'autres avantages et caracteristiques de ['invention appara^'tront a la lecture de la description qui suit en regard des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 illustre schematiquement le dispositif de fabrication d'une meche selon ['invention; - la figure 2 illustre des courbes representatives, selon le titre d'une meche, du nombre de filaments de la meche en fonction du diametre des filaments. La meche en fibres de verre 1 de ['invention est constituee de plus de 4000 filaments issus d'une unique filiere 10 telle que visible a la figure 1. La meche 1 est bobinee pour constituer un roving direct R. La composition du verre est celle du verre E. La filiere 10 comporte de maniere classique un bloc de prise de verre 11, un bloc intermediaire 12 et le bloc filiere 13. Le bloc filiere 13 est muni en fond d'une plaque 14 qui est pourvue d'une multitude d'orifices 15, tels que des tetons, depuis lesquels s'ecoule le verre fondu pour etre etire en une multiplicite de filaments 16. Le nombre d'orifices est superieur a 4500, en particulier atteint 6000 ou 8000. Les filaments vent rassembles en une seule nappe 17 qui vient en contact avec un dispositif d'enduction 20 destine a revetir chaque filament d'un ensimage de type aqueux ou anhydre. Le dispositif 20 peut etre constitue d'un bac alimente en permanence par un bain d'ensimage et d'un rouleau en rotation dont la partie inferieure est constamment immergee dans le bain. Ce rouleau se recouvre en permanence d'une pellicule d'ensimage qui est prelevee au passage par les filaments 16 glissant a sa surface. La nappe 17 converge ensuite vers un dispositif d'assemblage 21 ou les differents filaments vent reunis pour donner naissance a la meche 1. Le dispositif d'assemblage 21 peut etre constitue par une simple poulie a gorge ou par une plaque munie d'une encoche. La meche 1 en quittant le dispositif d'assemblage 21 penetre dans un guide-fir 22, pour etre bobinee autour d'un support 23 a axe horizontal par rapport a l'arrivee verticale du fil vers le guide-fir. La meche est ainsi bobinee en etant issue directement de la filiere pour constituer le roving direct R. La plaque 14 du fond de filiere est par consequent con, cue avec plus de 4500 orifices, ici 8000, pour former 8000 filaments. L'augmentation du nombre de filaments ainsi fournis par rapport au nombre existent dans l'etat de la technique qui ne depasse pas 4500 presente un reel interet. Pour certaines applications, en vue d'un titre donne constant, il est preferable d'augmenter le nombre de filaments en diminuant ou gardant constant leur diametre plutot que d'avoir moins de filaments avec un diametre plus gros. Ainsi, un tissu devant etre impregne de resine montrera une meilleure tenue en fatigue dans son utilisation dynamique lorsque la surface de contact de la resine avec les filaments de verre est plus importante. Or cette intimite de contact, pour un ensimage identique d'une meche de 4800 tex, est accrue avec une constitution de 8000 filaments de 17,um de diametre au lieu de 4000 filaments de 24,um de diametre. Le facteur multiplicateur d'intimite de contact est d'environ 1,4 entre 8000 et 4000 filaments. Une telle meche de 8000 filaments de 17,um de diametre presentant un titre de 4800 tex trouvera notamment son application dans la fabrication de renforts unidirectionnels et multiaxiaux pour le renforcement de pales d'eoliennes. On rappelle que le nombre de filaments, le titre de la meche et le diametre des filaments vent relies par la formule suivante: f T 490 p2 ou f est le nombre de filaments, le titre, et le diametre en m, 490 etant un facteur multiplicateur integrant la densite du verre. Ainsi la meche de ['invention comprenant plus de 4500 filaments peut egalement etre caracterisee par le rapport T2 qui est superieur en valeur entiere a 9. S'il n'est pas aise de comptabiliser le nombre de filaments d'une meche une fois le produit sur le marche, en revanche il est plus facile de calculer le rapport 2 apres avoir mesure T et u par les methodes normalisees ISO1889 et respectivement ISO1888. La figure 2 illustre une serie de courbes exprimant, selon le titre de la meche, le nombre de filaments en fonction du diametre des filaments. A ete tracee la droite de reference T2 =9 qui constitue la limite inferieure a laquelle repond une meche de I'invention. Les filieres a plus de 4500 trous (exactement 4410) permettent d'obtenir un rapport de 2) 9, tandis que les filieres existantes a 4000 trous ou moins ne remplissent pas cette caracteristique. Ainsi, on parvient en augmentant le nombre de filaments a augmenter le titre de la meche sans pour autant modifier le diametre des filaments. Pour 17pm, le titre n'est que de 2400 tex avec une filiere de 4000 trous alors qu'il est de 4800 tex (le double) pour une filiere 8000 trous. Par ailleurs, ['augmentation du nombre de filaments permet sans augmenter le titre, de diminuer le diametre des filaments. Pour 4800 tex, la meche presente des filaments de diametre 24,um avec 4000 filaments, alors que le diametre n'est que de 17,um pour 8000 filaments. II est egalement possible de realiser des meches avec un titre de 600 ou 900 tex par exemple dont le diametre des filaments ne depassent pas 8 ou respectivement 10.um. Aussi, I'invention qui consiste a fournir une meche pour laquelle 2)9 permet d'obtenir de nouveaux produits par rapport a ceux existants qui presentent: - a titre identique, une diminution du diametre des filaments, ce qui permet aux filaments de garder leur souplesse et d'eviter ainsi qutils ne se brisent, et par consequent cela evite ['accumulation de ces filaments brises sous forme de bourre qui perturbe le fonctionnement des machines et nun' a la regularite d'impregnation; ou bien - a diametre constant, d'augmenter le titre, ce qui permet d'obtenir des renforts plus lourds pour fabriquer ainsi des pieces de plus grandes dimensions necessitant une plus grande quantite de renfort, ceci sans augmenter le nombre de bobines utilisees, done sans compliquer la transformation et sans necessiter de nouvelles installations. Cela ameliore la productivite tent pour le fabriquant de fibres que pour le transformateur. Dans les deux cas, il s'agit done d'ameliorer le rapport qualite / prix. Le tableau ci-apres resume pour divers types d'applications, les caracteristiques des meches existantes en vu e de l eu r transformation et celles pouva nt etre obten u es selon ['invention. Application Transformation Etat de la Meche de Avantages technique I'invention (4000 (8000 filaments) filaments) Pales Tissage ou 17'um,2400 tex 17pm,4800 tex productivite, d'eolienne fabrication de facilite de travail, non-tisses grandes pieces Profiles, Pultrusion 34, um, 9600 24,um, 9600 tex souplesse, t x suppression des caillebotis e epines Joncs, Pultrusion fine 12,um,1200 12pm,2400 tex productivitb, profiles tex facilite de travail Construction Extrusion 17, um, 2400 17pm, 4800 tex productivite, automobile thermoplastique tex facilite de travail, resistance au L'invention est decrite pour une meche en fibres de verre mais il serait egalement possible de realiser une meche composite du type TWINTEX constituee a la base par les filaments de verre delivres par la fillers et dans lesquels viennent se comeler des filaments de matiere thermoplastique. REVENDICATIONS 1. Meche (1) a base de fibres de verre presentant un rapport 2 superieur a 9. 2. Meche selon la revendication 1, caracterisee en ce qu'elle est issue d'une unique filiere (10). 3. Meche selon l'une des revendications precedentes, caracterisee en ce qu'elle comporte 8000 filaments de chacun 12 m de diametre et presente un titre de 2400 text 4. Meche selon l'une des revendications precedentes, caracterisee en ce qu'elle comporte 8000 filaments de chacun 17 um de diametre et presente un titre de 4800 text 5. Meche selon l'une des revendications precedentes, caracterisee en ce qu'elle comporte 8000 filaments de chacun 24 m de diametre et presente un titre de 9600 text 6. Meche selon l'une des revendications precedentes, caracterisee en ce que la composition du verre est celle du verre E. 7. Meche selon l'une des revendications precedentes, caracterisee en ce qu'elle est composite et constituee par des filaments comeles de verre et de matiere thermoplastique. 8. Utilisation de la meche selon l'une des revendications precedentes pour la fabrication de materieux composites. 9. Utilisation de la meche selon l'une des revendications precedentes dans des procedes de tissage, ou pultrusion ou extrusion ou enroulement filamentaire.