Brevet FR2839001A1 — publié le 20031031

L'invention concerne la fabrication d'un matériau composite se présentant sous la forme d'un fil ou d'un ruban de renforcement composé de fibres naturelles et d' une matrice en matière organique. L'utilisation des fibres naturelles associées à des résines thermoplastiques a trouvé des applications industrielles dans le domaine des matériaux composites. L'emploi de ces fibres est avantageux de part leur faible densité, leur faible coût et leur caractéristique écologique. De nouvelles perspectives d'utilisation de ce matériau recyclable se sont donc imposées car les fibres naturelles sont biodégradables et peuvent donc conduire à des applications composites spécifiques lors de leur association avec des polymères thermoplastiques recyclables. D'une manière très générale, la conception d'une structure en matériaux composites composée d'un renfort et d'une matrice se fait avec les objectifs suivants : la recherche de bonnes propriétés mécaniques et des coûts de fabrication et de maintenance les plus intéressants possibles. Le cycle de vie du matériau est un aspect qui peut également être pris en compte. Il doit respecter les réglementations environnementales en vigueur selon les pays. La plupart des matériaux composites sont développés avec des résines thermodurcissables difficilement recyclables. Par contre l'utilisation des thermoplastiques offrent pour leur part de nombreux avantages : coût de procédé et des matières premières (très répandues), facilité de mise en forme et aspect recyclabilité / biodégradabilité. La fibre de verre est le renfort le plus utilisé dans toute l'industrie du composite. Elle a un rapport performance/ prix excellent, c'est pourquoi on la retrouve dans les premières applications avec thermoplastique. Toutefois pour certaines applications, cette fibre souffre d'une faible résistance à l'abrasion et elle irrite la peau lors de la manipulation, en outre elle est difficilement recyclable. C'est alors que les fibres naturelles ont joué leurs atouts. En effet, elles sont naturelles, donc renouvelables. Elles ne sont pas abrasives, facilement recyclables et ne présentent pas de danger pour la santé. Sur le marché, il existe plusieurs fibres cellulosiques telles que les fibres de jute, de sisal, de lin et de chanvre. Si nous prenons le cas des fibres de lin, elles présentent de très bonnes caractéristiques mécaniques et une faible densité. En effet, leur densité est d'environ 1. 2, soit deux fois plus faible que celle des fibres de verre. Du fait que les fibres de lin soient fibres naturelles, elles sont biodégradables, faciles à recycler et ne produisent pas de fumées toxiques lors de leur combustion. Le lin associé à une résine thermoplastique est déjà utilisé sur le marché des composites pour ses qualités thermiques et acoustiques dans les domaines par exemple de l'automobile et du bâtiment. En général, les industriels utilisent les fibres courtes (rebus) qui ne sont pas employées dans l'industrie textile du lin et le renfort élaboré est non tissé (mat). Ce produit est constitué de filaments, de fibres discontinues et maintenues ensemble sous forme de nappe. On connaît d'après la demande de brevet W00006650 un procédé de fabrication de matériaux composites en soumettant une matière végétale contenant des fibres, ou un mélange de telles matières végétales, à au moins une étape de traitement thermoplastique, telle qu' une extrusion, un moulage par compression, un moulage par injection, un moulage sous vide ou un soufflage de feuille mince. Egalement, on connaît d'après la demande de brevet FR2781492 un nouveau matériau thermoplastique composite contenant des fibres d'origine végétale et son procédé de fabrication. Dans ce nouveau matériau thermoplastique composite, la matière thermoplastique est dépourvue d'atomes de chlore et de radicaux phtalyle et les fibres d'origine végétales utilisées sont des fibres de lin et/ou de chanvre. Un des matériaux les plus utilisés est le mat de lin associée à une matrice polypropylène. Cette résine est la plus utilisée dans l'automobile, avec des températures de transformation compatibles avec les fibres végétales. Le procédé actuellement le plus employé est la thermo-compression, avec une limitation dans les formes et une limitation dans l'intégration des fonctions (insert). De nouvelles applications s'orientent vers le procédé d'injection avec l'utilisation de granulés polypropylène - fibre végétale. Les études comparatives sont essentiellement menées avec les composites à base de fibres de verre, mais uniquement sous forme non tissée, ce qui limite leur champ d'application. La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d'un matériau composite à base de fibres de renforcement naturelles et de matière organique thermoplastique. Plus particulièrement, l'invention permet grâce à ce procédé de fabriquer un produit se présentant sous la forme d'un fil ou d'un ruban solide et souple, de forme calibrée, et constitué de fils discontinus de renforcement agencés de manière parallèle et alternée les uns contre les autres, selon un taux de matière fibreuse et une cadence contrôlés, et solidarisés entre eux par de la matière thermoplastique d'origine synthétique ou naturelle pour réaliser une continuité transversale sans présence d'air. Selon l'invention, le procédé de fabrication du fil ou du ruban est caractérisé en ce que : - on entraîne et on rassemble de manière parallèle et alternée les tiges alignées, après leur avoir retirée leur capsule ; - on fait pénétrer le faisceau de tiges alignées dans une zone où il subit une phase de séparation de la matière fibreuse et du bois que constituent chaque tige; on fait passer le faisceau dans un dispositif d' imprégnation, tout en maintenant la température de malléabilité de la matière thermoplastique, pour répartir de manière homogène la matière thermoplastique fondue et garantir la totale imprégnation des fibres de renforcement par celle-ci; - on introduit le faisceau dans un dispositif de conformation, tout en maintenant sa température à une température de malléabilité de la matière thermoplastique, de manière à obtenir un fil ou un ruban constitué par le rapprochement en contigu des filaments formant une continuité transversale; - on refroidit le fil ou le ruban pour solidariser les filaments entre eux en figeant la matière thermoplastique et on fixe ses caractéristiques dimensionnelles pour délivrer ledit fil ou ruban composite de l'invention. Selon une caractéristique, le nouveau matériau est constitué d'un ensemble de matières fibreuses agencées en un faisceau ordonné, après alignement et alternance des filaments, et imprégné d'une matière thermoplastique. Selon une autre caractéristique, le procédé consiste à dévider une grosse boule de pailles constituée de tiges alignées de fibres végétales, et à conditionner le nouveau matériau sous forme de bobines. Quant au dispositif de mise en oeuvre du procédé, il est caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens pour entraîner et des moyens pour rassembler sous forme de faisceau les filaments discontinus constitués de tiges de renforcement naturel; - des moyens pour séparer le faisceau en matière f ibreuse et en particules de bois ; - des moyens pour imprégner de matière thermoplastique le faisceau constitué uniquement de la matière fibreuse et chauffer de façon à répartir de manière homogène la matière thermoplastique fondue et à garantir la totale imprégnation des filaments de renforcement par celle-ci; - un dispositif de conformation du faisceau de manière à le transformer en un fil ou un ruban ; - une calandre de refroidissement du fil ou du ruban permettant de figer la matière thermoplastique et de solidariser les filaments entre eux et former le fil ou le ruban définitif. Selon une caractéristique, le dispositif comprend des moyens supplémentaires de chauffage de manière à garder malléable la matière thermoplastique du faisceau après le passage de celui-ci dans le dispositif d'imprégnation. Selon une autre caractéristique, les moyens de rassemblement et d'alignement du dispositif consistent en un système permettant un alignement parallèle et alterné des tiges selon des espaces réguliers, et des moyens de régulations de tension des filaments sont prévus en amont des moyens de rassemblement. Selon une caractéristique, le dispositif de séparation comprend une cellule de vapocraquage permettant le fractionnement à haute pression des constituants du faisceau. Selon une autre caractéristique, le dispositif de séparation comprend une cellule de cryogénie. Nous reprenons pour cela les travaux développés d'après le brevet EP 90403704.1 . Selon une autre caractéristique, le dispositif de séparation se décompose en une suite d'actions mécaniques (teillage). Selon une caractéristique, le dispositif d'imprégnation comporte une cellule de pulvérisation se décomposant en une atomisation de la résine en fines gouttelettes sur la surface du faisceau. Selon une autre caractéristique, le dispositif d'imprégnation consiste à alimenter en filaments ou granulés de matière organique le faisceau et à chauffer de façon à répartir de manière homogène la matière thermoplastique fondue. Selon une autre caractéristique, nous pouvons choisir des résines synthétiques telles que le polypropylène (PP) ou le polyester-amide (PEA). Selon une autre caractéristique, nous pouvons également choisir des résines naturelles à base d'amidon, telles que l'huile de lin associée à un agent chimique. Nous reprenons pour cela les travaux développés d'après les brevets EP 1038594 ou W09961526. Selon une autre caractéristique, le dispositif de conformation comporte un système de calibrage, le faisceau étant concentré autour de l'axe central de défilement pour délivrer un fil ou un ruban présentant une association contiguë des filaments les uns contres les autres. D'autres avantages et caractéristiques vont à présent être décrits en regard des dessins sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique globale du procédé de fabrication du fil ou du ruban selon l'invention; - la figure 2 reprend une vue schématique détaillée de l'ensemble du procédé; - la figure 3. 1 est une vue schématique d'une portion d'un faisceau de fibres végétales alignées avant la phase d'imprégnation; - la figure 3. 2 est une vue schématique d'une portion d'un faisceau préimprégné de matière thermoplastique. Le dispositif 1 visible à la figure 1 permet la fabrication d'un fil ou d'un ruban 50 conforme à l'invention qui présente une forme calibrée et est constituée d'une multiplicité de tiges, issues de la grosse boule de pailles 10, parallèles et rassemblées de manière contiguë les unes contre les autres. Chaque fil ou ruban, est constitué par des faisceaux de fibres naturelles et d'une matrice en matière organique thermoplastique de type synthétique ou à base d'amidon. Afin de définir une qualité du faisceau la plus rigoureuse possible, les modalités d'assemblage peuvent être modulées de façon à agir sur le nombre de filaments, dans un fil de base, donc finalement sur la densité linéaire. La densité linéaire, s'exprimant en tex conformément à la norme internationale ISO 1144, le tex étant le poids en grammes de 1000 mètres de fil. Le produit obtenu permet ainsi de disposer d'un calibrage des fils ou des rubans selon un nombre de tex bien identifié. Le dispositif de fabrication 1 comprend, sous forme d'une ligne et d'amont en aval, un dispositif de séparation capsule/ tige 100, un premier bloc I regroupant un dispositif de pré arrangement en faisceau 201 et un dispositif de séparation faisceau/ bois 300, une possibilité d'orienter un premier produit vers deux filières A ou B, un second bloc II regroupant un dispositif d'alignement en faisceau 202, un dispositif de mélange faisceau/ matrice thermoplastique 400 et un dispositif de conformation du faisceau 500, et un banc de tirage. Comme présenté, une possibilité permet d'orienter en cours de procédé selon deux filières A ou B. La filière A reprend la ligne de production suivant l'invention, quant à la filière B, elle représente un apport sous forme de bobines de faisceau séparé du bois. Le dispositif 1 est détaillé sur la figure 2. Nous retrouvons la filière d'approvisionnement avec les tiges dans leur état brut 11. Le dispositif de séparation capsule / tige 100 est couplé à un système d'orientation et de répartition des tiges 101. Nous obtenons ainsi une tige décortiquée de sa capsule 12. Un système de recyclage des capsules 21 permet de recueillir l'ensemble des capsules. Les tiges sont ensuite disposées en chevauchement contrôlé 13 sur un tapis roulant avec son système d'alimentation 102. Le premier bloc I est alors composé d'un dispositif de pré arrangement en faisceau 201. Nous obtenons ainsi le faisceau dans son état brut 14, constitué d'un ensemble de filaments de fibres naturelles. Ensuite, ce faisceau alimente un dispositif de séparation faisceau/ bois 300, comprenant une cellule de fractionnement des constituants du faisceau. Un système de recyclage du bois 22 permet une récupération des particules de bois. Selon l'orientation en filière B, un apport sous forme de bobines de faisceau séparé du bois 40 est proposé. Selon l'orientation en filière A, nous reprenons la ligne définie selon l'invention par le second bloc II. Un dispositif d'alignement en faisceau 202 permet d'obtenir un faisceau séparé du bois 15. Ensuite se présente le dispositif de mélange faisceau/ matrice thermoplastique 400. Celui-ci est constitué d'une première partie de chauffage et d'une seconde partie d'imprégnation. L'apport de la matrice s'effectue selon deux filières, l'une correspondant à un apport externe de la matière thermoplastique (polypropylène, amidon, ...) 31, l'autre correspondant à un complément d'apport interne à base d'amidon 32. Le faisceau ainsi pré imprégné 16 est ensuite refroidi et calibré dans un dispositif de conformation du faisceau 500. Le faisceau calibré 17 est enfin conditionné sous forme de bobines constituées de fil ou de ruban 50. A partir de ce matériau, on pourra utiliser les techniques de mise en forme de matériaux composites basées notamment sur le thermoformage soit sous presse, soit sous vessie, sur l'enroulement filamentaire et sur la pultrusion. Dans le cas du thermoformage sous vessie, le matériau se présente comme un agencement de couches de renforcement ou de tricot pré confectionnés obtenu à partir du matériau (par tissage ou tricotage). Ce procédé s' inspire en grande partie des techniques RTM (Resin Transfer Molding) et VARI (Vaccum Assisted Resin Infusion). Dans le cas de l'enroulement filamentaire, le matériau se présente sous forme de fil ou de ruban issu directement de la fabrication du nouveau matériau. Il est en effet possible de réaliser des tresses par tissage cylindrique ou conique d'un tissu tubulaire. Les fils s'entrecroisent en hélice, dont la variation du pas permet d'ajuster la tresse à la forme qu'elle doit recouvrir. Il est ainsi possible de réaliser une pièce de révolution ayant un diamètre variable le long de son arc. Par ce procédé, divers tissus peuvent être obtenus en forme de "chaussettes" coniques ou autres. Dans le cas de la pultrusion, nous reprenons les applications classiques pour la réalisation de profilés. Le matériau ainsi élaboré, pourra être utilisé dans plusieurs applications industrielles avec un double intérêt en terme de performance : - des caractéristiques élevées en terme de performances mécaniques du fil ou du ruban; - une optimisation de l'orientation du matériau dans la structure en fonction des caractéristiques mécaniques souhaitées. Ce matériau pourra également s'orienter vers des applications multimatériaux (verre / fibres végétales), ainsi que sur des applications impliquant soit une tenue au feu part l'apport d'agent d'ignifugation, soit une tenue à l'impact. Revendications 1. Procédé de fabrication d'un fil ou d'un ruban composite (50) à base de fibres de renforcement naturelles (10) et de matière organique thermoplastique (31 ou 32), consistant à pré imprégner et à solidariser entre eux une multiplicité de fils discontinus (13) caractérisisé en ce que : - on entraîne et on rassemble de manière parallèle et alterné des filaments discontinus (13) de fibres de renforcement naturelles, sous la forme d'un faisceau (14); - on fait pénétrer ledit faisceau (14) dans un dispositif de séparation faisceau bois (300) où il subit une procédure de cryogénie; - on introduit le faisceau séparé du bois (15) dans un dispositif d' imprégnation avec la matrice thermoplastique (400), tout en maintenant sa température à une température de malléabilité de la matière thermoplastique, pour répartir de manière homogène la matière thermoplastique fondue et garantir la totale imprégnation des fibres de renforcement par celle-ci; - on introduit le faisceau pré imprégné (16) dans un dispositif de conformation (500), tout en maintenant sa température à une température de malléabilité de la matière thermoplastique, de manière à obtenir un faisceau calibré (17) constitué par le rapprochement en contigu des filaments (13) formant une continuité transversale; - on refroidit le faisceau (17) pour solidariser les fils entre eux en figeant la matière thermoplastique et on fixe ses caractéristiques dimensionnelles pour délivrer ledit fil ou ruban composite (50). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filaments (13) qu'on rassemble consistent en des filaments discontinus de fibres végétales et imprégnés de matière thermoplastique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l' imprégnation s'effectue à partir d'une matière à base d'amidon (31 ou 32). 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en fin de ligne de fabrication, le faisceau (17) est enroulé sous forme de bobine pour son stockage. 5. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens (102) pour entraîner et des moyens (201) pour rassembler sous forme de faisceau (14) les filaments discontinus (13) constitués de fibres naturelles; - des moyens de séparation du faisceau et du bois (300); - des moyens de mélange et de chauffage (400) pour imprégner les faisceaux de matière thermoplastique et garantir la totale imprégnation des filaments par celle-ci; - un dispositif de conformation et de refroidissement (500) du faisceau (16) afin de le transformer en fil ou ruban (50). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de séparation (300) est un système de cryogénie. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de séparation (300) est un système mécanique de teillage. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens supplémentaires de chauffage (400) de manière à garder malléable la matière thermoplastique du faisceau pré imprégné (16) après le passage de celui-ci dans le dispositif d'imprégnation (400). 9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que des moyens de régulations de tension (102) des filaments (13) sont prévus en amont des moyens de rassemblement (201) et (202). 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en fin de ligne de fabrication et en aval des moyens d'entraînement un bobinoir (50) permettant d'enrouler le faisceau (17) sous forme de bobine. 11. Fil ou ruban obtenu selon le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un produit solide et souple, présentant une conformation établie selon un nombre de tex.