Brevet FR2836490A1 — publié le 20030829

MAT DE FIBRES NATURELLES ET DE VERRE L'invention concerne un mat comprenant des fibres naturelles discontinues et des fibres de verre discontinues, et les structures fibreuses pouvant être réalisées à l'aide dudit mat. La réalisation d'un matériau composite renforcé par des fibres passe par la mise en forme dans un moule d'une structure fibreuse telle qu'un mat puis par l'injection d'une résine à base de polymère pour imprégner ladite structure. La résine est ensuite solidifiée par réticulation (cas des résines thermodurcissables) ou refroidissement (cas des résines thermoplastiques). La structure fibreuse doit de ce fait présenter un ensemble de propriétés. Notamment, avant imprégnation, elle doit présenter une bonne drapabilité, c'est-à-dire se laisser mettre en forme facilement et donc être aisément déformable à la main, sans tendance à la formation de plis. On souhaite également que la structure présente de la mémoire de forme, c'est-à-dire qu'elle garde la forme qu'on lui donne, par exemple par les mains, en se déformant le moins possible sous l'effet de son propre poids. Pour une masse surfacique donnée, elle doit de plus être le plus perméable possible vis-à-vis de la résine d'imprégnation, et renforcer le matériau final le plus possible. Notamment, pour certaines applications comme par exemple une tablette arrière de véhicule automobile, on cherche à ce que le matériau composite final présente un fort module de flexion et de traction. De préférence, le matériau final est le plus léger possible et présente donc une faible densité. L'utilisation de fibres de polypropylène présentant une frisure a été proposée par les EP0745716, EP0659922, EP0395548 pour la constitution de structures fibreuses de renforcement. Cependant, pour nombre d'applications, la fibre de polypropylène, relativement onéreuse, ne présente pas de propriétés de renforcement suffisantes et par ailleurs ne se laisse pas facilement mouiller et imprégner par les résines comme les polyesters. L'utilisation d'autres fibres présentant des propriétés mécaniques supérieures et/ou se laissant mieux imprégner est donc souhaitée. Par ailleurs, on souhaite également pouvoir utiliser des fibres sans frisure, compte tenu de ce que la réalisation d'une frisure représente une étape supplémentaire et compte tenu également de ce qu'il n'est pas toujours possible de réaliser une frisure sur une fibre, notamment une fibre de verre. Comme autres documents de l'état de la technique, on peut également citer W09627039, W09613627 et EP0694643. Dans le cadre de la présente invention on appelle mat un non-tissé lié. Un tel mat a suffisamment de cohésion pour pouvoir être manipulé à la main sans perdre sa structure. Il possède cette cohésion du fait qu'il est lié, généralement par voie chimique (utilisation d'un liant chimique) ou par voie mécanique comme l'aiguilletage ou la couture. Selon l'invention, on combine dans le même mat des fibres naturelles discontinues et des fibres de verre discontinues. Le mat selon l'invention (pouvant être appelé mat hybride ) peut par exemple être tel que les fibres dont il est constitué comprennent de 10 à 90 %, et plus particulièrement 30 à 70 % en poids de fibres naturelles. Le mat selon l'invention peut par exemple être tel que les fibres dont il est constitué comprennent de 10 à 90 %, et plus particulièrement 30 à 70 % en poids de fibres de verre. Le mat selon l'invention peut être tel que les fibres dont il est constitué sont exclusivement un mélange de fibres naturelles et de fibres de verre. Les fibres naturelles peuvent par exemple être des fibres de lin ou de chanvre ou de sisal ou de jute. Elles sont naturellement discontinues et ont généralement des longueurs allant de 10 à 150 cm avant transformation par le procédé selon l'invention. Le procédé selon l'invention, lorsque les fibres sont liées par voie mécanique, tend plutôt à raccourcir les fibres. C'est pourquoi, dans le mat selon l'invention, les fibres naturelles ont généralement une longueur inférieure à 150 cm. Les fibres naturelles peuvent avoir été prétraitées puis traitées de façon à améliorer leur adhésion vis-à-vis de la matrice du matériau composite final. Ces traitements, classiques en eux-mêmes, sont analogues aux traitements d'ensimage dans le cas des fibres de verre, mais avec des procédés et des formulations spécifiques aux fibres naturelles. Les fibres naturelles peuvent également ne pas avoir été traitées (ni prétraitées bien entendu). Les fibres de verre peuvent avoir un diamètre allant de 5 à 25 um et une longueur allant de 10 mm à 200 mm, par exemple environ 25 mm ou 50 mm ou 100 mm. Les fibres de verre discontinues sont généralement coupées à partir de fibres continues assemblées en fils. Les fibres de verre peuvent ne pas être ensimées, ou peuvent être ensimées, ou peuvent avoir été désensimées. On a constaté que la présence de fibres naturelles dans le mat conférait au mat la propriété d'être facile à manipuler, notamment en supprimant la fâcheuse tendance des mats exclusivement en fibre de verre à se plier de façon incontrôlée selon des lignes dans le plan du mat le traversant entièrement, comme cela se produit lorsque l'on plie un carton. On a également pu constater, pour une masse surfacique de mat donnée, que les propriétés mécaniques du matériau composite final étaient remarquables, en particulier sur le plan du module de traction et de flexion. Le mat selon l'invention présente généralement une masse surfacique allant de 100 à 900 g/m2, par exemple environ 300 g/m2 ou environ 450 g/m2 ou environ 600 g/m2. Pour réaliser le mat selon l'invention, les fibres sont déposées par un procédé voie sèche du type de ceux bien connus de l'homme du métier. Le mat final présente la propriété d'avoir du gonflant, c'est-à-dire qu'il se laisse comprimer facilement entre les doigts avec effet ressort (un voile n'a pas du tout cette propriété). Le mat selon l'invention peut être lié par voie chimique ou par voie mécanique comme l'aiguilletage. Le mat selon l'invention fait appel aux techniques classiques de fabrication des mats. Lorsque le mat est lié par voie mécanique, son procédé de fabrication peut faire appel aux techniques classiques de fabrication des feutres. Notamment, on peut procéder selon la succession d'étapes suivantes : - réalisation d'un prémélange de fibres de verre et de fibres naturelles avec une ouvreuse, puis - réalisation d'un mélange homogène de fibres de verre et de fibres naturelles avec une ouvreuse, puis - réalisation d'une nappe par cardage nappage, puis - consolidation de la nappe par aiguilletage mécanique de chaque côté de celle-ci. L'ouvreuse peut notamment être du type First de LAROCHE. Les réglages pour l'aiguilletage mécanique peuvent être par exemple : - pénétration des aiguilles : 5 à 30 mm par exemple 8 mm, 2 - densité aiguilles : 10 à 100 coups par cm2, par exemple 50 à 70 coups par cm2. Le procédé de réalisation du mat utilise de préférence un outillage menant à une individualisation des fibres au sein du composite final, et ce même si l'on utilise au départ des fils assemblant une pluralité de fibres. On entend par fil un ensemble de fibres contiguës et comprenant plus particulièrement de 10 à 300 fibres. Notamment une ouvreuse a pour fonction de désolidariser les fibres d'un fil. L'invention concerne notamment un mat dont les fibres sont désolidarisées, ledit mat étant passé par une étape de cardage nappage, puis par un aiguilletage. Le mat selon l'invention peut constituer à lui seul l'intégralité de la structure fibreuse à imprégner. Cependant, le mat selon l'invention peut également être utilisé pour faire partie d'une structure fibreuse dont il constitue au moins l'une des couches. Ainsi l'invention concerne également une structure fibreuse comprenant plusieurs couches textiles dont l'une au moins est le mat selon l'invention. Au moins une autre couche de la structure fibreuse peut être un mat à fils continus, par exemple du type de celui commercialisé sous la marque Unifiloo, ou un mat à fils coupés. Les différentes couches de la structure selon l'invention peuvent être reliées entre elles par au moins un moyen mécanique et/ou chimique. Par moyen mécanique on entend couture ou aiguilletage. Généralement, le moyen mécanique traverse l'ensemble des couches superposées, de sorte que l'ensemble des couches sont reliées entre elles en une seule étape, par exemple une étape de couture ou une étape d'aiguilletage. Par moyens chimiques, on entend un liant. Le liant peut lier les différentes couches textiles deux-à-deux, c'est-à-dire tous les couples de deux couches juxtaposées dans la structure. Le liant peut être mis en oeuvre sous la forme d'une poudre ou sous forme liquide ou sous la forme d'un film interposé entre les différentes couches de la structure. Le mat selon l'invention ou la structure fibreuse comprenant le mat selon l'invention peut être imprégné par une résine dans le cadre de la fabrication d'un matérieu composite. L'invention concerne également un matériau composite comprenant un mat ou une structure fibreuse, et une matrice comprenant un polymère, notamment un polyester. Dans les exemples qui suivent on a caractérisé les propriétés mécaniques des matériaux composites grâce aux normes suivantes : Flexion 3 points : ISO 14125 1 Traction : ISO 527-2 EXEMPLES : On réalise trois mats présentant tous une masse surfacique de 300 g/m2, l'un composé de 100% en poids de fibres de lin, un autre composé de 100% en poids de fibres de verre et le dernier composé de 50% en poids de fibres de verre et 50 % en poids de fibres de lin. La fibre de verre, ensimée, était coupée à 50 mm à partir de fil référencé P243 commercialisé par Saint-Gobain Vetrotex. La fabrication des mats a suivi les étapes suivantes : - passage des fibres dans une ouvreuse First de LAROCHE, puis - réalisation d'une nappe par cardage nappage, puis - consolidation de la nappe par aiguilletage mécanique de chaque côté de celle-ci. Ces mats ne devaient donc leur consistance qu'à une accroche mécanique des fibres entre elles, conférée par l'aiguilletage (pas de liant chimique ). De façon à procéder au test de mémoire de forme, on découpe ensuite dans chacun des mats obtenus des carrés de 250 mm de côté. On prend deux des côtés parallèles par les mains et l'on cherche à former un tube avec chacun des carrés de mat. Ensuite on relâche le mat et on observe son comportement. On observe que le mat 100% en lin n'a aucune tenue, donc aucune mémoire de forme. On observe que le mat 100% en verre conserve bien la forme qu'on lui donne, mais que des pliures incontrôlées se forment (voir figure 1a). Le mat hybride 50/50 fibres naturelles/fibres de verre a une excellente mémoire de forme et de plus ne présente pas cette tendance à la formation de pliures (figure 1 b). On imprègne ensuite les trois mats par une préparation de résine polyester de façon à réaliser des pièces de forme toutes identiques, pour pouvoir mesurer les propriétés mécaniques. Le procédé d'imprégnation était de type moulage par transfert de résine ou RTM (resin transfert molding). La préparation de résine polyester comprenait : - un polyester de marque Norsodyne 1 2984 V commercialisé par Cray Valley, - 1 % en poids de catalyseur du type peroxyde de méthyléthylcétone de nom commercial butanox M50 commercialisé par Akzo Nobel ; - 0, 15% en poids d'une solution d'octoate de cobalt à 6% commercialisée sous la référence commerciale NL51P par Akzo Nobel, en tant qu'accélérateur. L'imprégnation a été réalisée à 30 C sous 2 bars de pression d'injection, suivie d'une post-cuisson de 1 h à 70 C. Les propriétés mécaniques obtenues sont rassemblées sur la figure 2. Alors que la contrainte en flexion augmente linéairement avec le taux de fibre de verre, ce qui est normal compte tenu de la plus grande résistance intrinsèque des fibres de verre, on constate que les modules de traction et de flexion sont étonnamment élevés dans le cas d'usage de mats hybrides fibres de verre/fibres naturelles. REVENDICATIONS 1. Mat comprenant des fibres de verre discontinues et des fibres naturelles discontinues. 2. Mat selon la revendication précédente caractérisé en ce que les fibres comprennent 10 à 90 % en poids de fibres naturelles. 3. Mat selon la revendication précédente caractérisé en ce que les fibres comprennent 30 à 70 % en poids de fibres naturelles. 4. Mat selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres comprennent 10 à 90 % en poids de fibres de verre. 5. Mat selon la revendication précédente caractérisé en ce que les fibres comprennent 30 à 70 % en poids de fibres de verre. 6. Mat selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres sont exclusivement des fibres de verre et des fibres naturelles. 7. Mat selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres naturelles sont en lin. 8. Mat selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres naturelles ont une longueur inférieure à 150 cm. 9. Mat selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres de verre ont une longueur allant de 10 à 200 mm. 10. Mat selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les fibres sont liées par voie mécanique. 11. Mat selon la revendication précédente caractérisé en ce que les fibres sont liées par aiguilletage. 12. Mat selon la revendication précédente caractérisé en ce que ses fibres sont désolidarisées et ce qu'il est passé par une étape de cardage nappage avant l'aiguilletage. 13. Mat selon l'une des 1 à 9 caractérisé en ce que les fibres sont liées par voie chimique. 14. Mat selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que sa masse surfacique va de 100 à 900 g/m2. 15. Structure fibreuse comprenant plusieurs couches textiles reliées entre elles par au moins un moyen mécanique ou chimique, dont l'une des couches est un mat de l'une des revendications précédentes. 16. Structure selon la revendication précédente caractérisée en ce que l'une des couches est un mat à fils continus. 17. Structure selon la revendication 15 caractérisée en ce que l'une des couches est un mat à fils coupés. 18. Matériau composite comprenant un mat ou une structure fibreuse de l'une des revendications précédentes, et une matrice comprenant un polymère. 19. Matériau composite selon la revendication précédente caractérisée en ce que le polymère est un polyester.