Brevet FR2882958A1 — publié le 20060915

BATONNETS DE RENFC)RTS CONCENTRES ET LEUR FABRICATION La présente invention concerne un procédé de fabrication de bâtonnets de renforts concentrés utilisés notamment pour fabriquer des produits composites par moulage (en particulier par injection, extrusion compression, comoulage, etc.) et concerne également les produits obtenus. Dans les procédés de moulage précités (notamment par injection ou extrusion-compression), on utilise généralement des mélanges de matière organique, de renforts fibreux (tels que des fils de verre) et d'additif(s) (par exemple pour colorer ou apporter des fonctions particulières). Le mélange peut se faire directement en extrudeuse ou en presse à injecter à partir de fils de renfort, qui peuvent être ou non déjà revêtus de matière organique, et qui sont généralement déjà coupés pour faciliter le dosage et le mélange, les autres composants éventuels étant le cas échéant ajoutés dans l'extrudeuse ou dans la presse. Les inventeurs ont cherché à mettre au point un produit à base de renforts pouvant être utilisé avec avantages dans ces procédés de moulage, les avantages recherchés pouvant être l'un et/ou l'autre des avantages suivants: gain de coût, meilleure préservation des renforts (par exemple de la longueur des fils de renforts) pour de meilleures propriétés mécaniques, meilleure dispersion lors du moulage, facilité d'adaptation en fonction des produits désirés, mise en oeuvre facilitée, etc. Dans cette recherche, les inventeurs ont mis en avant l'intérêt de mettre au point des produits sous forme de bâtonnets (ou granulés ou "pellets") concentrés en renforts, ces produits pouvant apporter divers avantages tels qu'explicités notamment par la suite, et ont ainsi cherché un procédé permettant de fabriquer facilement ces produits, l'obtention de tels produits concentrés de façon simple et performante à partir de renforts traditionnels n'étant jusqu'à présent pas possible, l'augmentation du taux de renfort pouvant notamment engendrer des problèmes de manque d'intégrité des produits réalisés ou de mauvaise dispersion de ces produits dans les matrices de moulage. La présente invention concerne donc en premier lieu un procédé de fabrication de bâtonnets concentrés dans lequel au moins un faisceau de fils présentant plus de 70% en poids de matière(s) de renfort et au moins 0,1% en poids d'humidité, est chauffé et conformé avant d'être découpé en bâtonnets. Les bâtonnets obtenus comprennent une matière de renfort essentiellement sous forme de fils ou filaments (coupés à la longueur du bâtonnet) avantageusement liés entre eux par au moins une matière organique comme explicité ultérieurement. La présente invention concerne également les bâtonnets de renforts (ou les fils de renfort sous forme de bâtonnets) concentrés mis au point et obtenus en particulier par le procédé précédent. Ces bâtonnets présentent un taux de matière(s) de renfort supérieur à 65% et de préférence supérieur à 70% (voire d'au moins 80%) en poids. Ces renforts sont liés entre eux ou noyés dans au moins une première matière organique, et le cas échéant, sont gainés par au moins une seconde matière, généralement au moins une matière organique, comme explicité ultérieurement, les deux matières organiques pouvant être identiques ou différentes. Le faisceau de fils mentionné selon l'invention comprend au moins une matière de renfort (verre, carbone, aramide, etc, cette matière étant de préférence du verre) sous forme d'au moins une partie desdits fils ou sous forme de filaments (généralement obtenus de façon connue par étirage de cette matière sous filière, ces filaments étant ensuite rassemblés,en fils) formant au moins une partie desdits fils, le taux de matière(s) de renfort au sein du faisceau étant de plus de 70% en poids conformément à l'invention, et allant de préférence de 75 à 99% en poids, voire de 80 à 95 % en poids. De préférence, au moins une partie des fils utilisés comprennent également au moins une matière organique thermoplastique, cette matière étant par exemple choisie parmi les polyoléfines, notamment le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), les polyesters, notamment le polytéréphtalate d'éthylène (PET), le polytéréphtalate de butylène (F'BT), les élastomères, notamment un polymère éthylène propylène (EPDM), ou le chlorure de polyvinyle (PVC), ou les polyamides, etc. Avantageusement, cette rnatière se présente également dans le faisceau sous forme de fils ou filaments. En particulier et de préférence, au moins une partie des fils utilisés dans le procédé selon l'invention sont des fils composites (ou co-mêlés), formés de filaments de renfort (de préférence de verre) et de filaments d'au moins une matière organique thermoplastique, ces filaments étant avantageusement intimement mélangés, la structure intime de ces fils facilitant l'imprégnation des fibres de verre par la matière thermoplastique et, dans le procédé selon l'invention, permettant de former, malgré le haut taux de renforts, une structure consolidée (c'està-dire présentant une cohésion et une intégrité qui permettent de la manipuler sans endommagement) bien imprégnée et homogène. Des fils composites avantageux (tels que ceux commercialisés sous la dénomination commerciale TWINTEX par la société SAINT-GOBAIN VETROTEX FRANCE) peuvent être obtenus selon un procédé direct tel que celui décrit dans les brevets EP 0 367 661, WO 98/ 01751 ou EP 0 599 695 ces fils présentant un excellent indice de co-mêlage induisant une excellente répartition des fils de verre dans la matière thermoplastique comme explicité dans la demande de brevet W000/24566. De façon particulièrement préférée, le procédé selon l'invention n'utilise comme fils formant le faisceau que des fils composites. Cependant, il n'est pas exclu notamment de combiner des fils composites et des fils de renfort afin d'augmenter encore la concentration en renfort des bâtonnets. En combinaison avec le taux de renforts élevé, favorisé notamment par l'utilisation préférentielle de fils composites comme mentionné précédemment, les inventeurs ont aussi mis en évidence, comme il apparaît dans la définition de l'invention, l'intérêt d'utiliser un faisceau présentant une humidité (teneur en eau mesurée par exemple par évaporation en étuve) d'au moins 0,1%, de préférence d'au moins 0,5% et de façon particulièrement préférée d'au moins 3% en poids; la présence d'une certaine humidité, loin de nuire à la mise en oeuvre et aux propriétés des produits obtenus, permet en effet une bonne manipulation des fils dans le procédé de fabrication des bâtonnets selon l'invention, tout en permettant l'obtention de produits présentant des propriétés mécaniques au moins aussi bonnes voire meilleures que celles de produits obtenus à partir des fils préalablement séchés, et tout en procurant un avantage économique (il est notamment possible d'utiliser directement des fils obtenus ou collectés sous filière sans étape intermédiaire coûteuse de séchage). De préférence, l'humidité est aussi choisie inférieure à 8%, avantageusement inférieure à 5% en poids, afin de permettre notamment une bonne consolidation des fils et du faisceau dans le procédé selon l'invention. Les fils peuvent être formés préalablement ou extraits individuellement ou par groupes, d'au moins un enroulement. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, ils sont extrait d'au moins un enroulement, tel qu'un stratifil ou roving, et entraînés à une vitesse d'au moins 10 m/min, de préférence de plusieurs dizaines de m/min, notamment de l'ordre de 40 à 100 m/min, en particulier de l'ordre de 50 m/min, à l'aide par exemple d'un dispositif de traction (pouvant être notamment un banc de traction). Avantageusement, une étape de régulation de la tension des fils peut être prévue (par exemple lors de leur rassemblement en faisceau(x) ou avant leur rassemblement) et/ou les fils peuvent être débarrassés de toute électricité statique, par exemple avant le passage du faisceau dans la zone de chauffage. Les fils sont rassemblés sous forme d'au moins un faisceau tel que mentionné dans le procédé selon l'invention. Il va de soi que l'on peut aussi former plusieurs faisceaux disjoints subissant en parallèle le même traitement ou des traitement différents, dont au moins un subissant les étapes indiquées dans le procédé selon l'invention pour obtenir les bâtonnets concentrés. Conformément à l'invention, au moins un faisceau est chauffé (généralement par passage dans au moins un dispositif de chauffe, tel qu'un four à rayonnement infra-rouge) à une température permettant sa mise en forme et/ou sa consolidation, et permettant le cas échéant l'imprégnation des fils ou filaments de renfort par la matière organique, en particulier à une température atteignant au moins celle de fusion de la matière thermoplastique présente au sein du faisceau de fils et de préférence supérieure d'au moins 20 C à ladite température de fusion de la matière thermoplastique, cette température restant cependant inférieure à la température de décomposition de ladite matière et à la température de fusion de la matière de renfort. Généralement, le faisceau de fils chauffé est maintenu approximativement en température jusqu'à sa conformation (ou calibrage), la conformation s'opérant avantageusement par passage dans une et de préférence plusieurs filières de calibrage jusqu'à l'obtention de la section désirée. Au sein du procédé selon l'invention et afin de permettre un rendement satisfaisant de la ligne de production, en combinaison notamment avec les vitesses d'entraînement précédemment mentionnées, les filières choisies sont avantageusement de profil(s) simple(s) suivant la direction de la ligne de production et de section(s) décroissante(s). En cours et/ou en sortie de chauffe, et préalablement et/ou conjointement à la conformation précitée, le faisceau peut aussi le cas échéant subir une étape favorisant l'imprégnation des fils ou filaments de renforts par la matière organique présente, par passage dans un dispositif tel qu'un ou plusieurs barreaux. Plusieurs de ces dispositifs peuvent être utilisés, un premier étant placé par exemple entre deux dispositifs de chauffage dans l'étape de chauffage selon l'invention et l'autre étant placé juste avant la ou les filières de conformation. La ou les étapes précitées de conformation et d'imprégnation favorisent l'obtention d'un faisceau consolidé (ou imprégné ou intègre, c'est-à-dire dans lequel les fils sont liés entre eux, ce faisceau consolidé étant également désigné par le terme jonc ou mèche selon la présente invention, voire toron, câble ou corde) . Selon un mode particulièrement préféré de réalisation de l'invention, suite ou au cours de la conformation, le faisceau de fils subit en outre une étape de gainage par passage dans une filière également alimentée par au moins une matière organique à l'état fondu, cette matière pouvant être identique ou différente de la matière organique formant les fils. La matière de gainage peut également être composite, formée de plusieurs matières, en particulier d'au moins une matière organique et d'additif(s) (par exemple un additif améliorant la résistance aux rayonnements ultraviolet, un agent de couplage pour augmenter les performances mécaniques, un stabilisant thermique ou chimique, un colorant ou pigment, un retardateur de flamme, etc.) et/ou de charge(s) (talc, fibres de verre, courtes ou longues, etc.). La matière de gainage peut ainsi avantageusement permettre de conférer des propriétés supplémentaires aux bâtonnets obtenus et aux composites moulés à partir de ces bâtonnets (propriétés anti-UV, amélioration des performances mécaniques, etc). Le fait d'avoir des produits déjà fonctionnalisés permet également lors du moulage de n'utiliser que des matières de dilution standards peu coûteuses, ce qui simplifie et réduit le coût du moulage. Le gainage empêche également la formation de fibrilles ou fines (fibres se détachant du bâtonnet) lors de la découpe en bâtonnets, ces fibrilles pouvant poser des problèmes de convoyage ou d'encombrement des organes d'injection lors du moulage (et endommager les systèmes de convoyage ou lesdits organes d'injection), et pouvant nuire aux propriétés mécaniques des produits obtenus. Les bâtonnets gainés sont également parfaitement manipulables, dosables et transportables dans les tuyaux d'alimentation car lissés par la gaine, la gaine agissant en outre comme une protection, et ne perdent pas leur intégrité jusqu'à leur utilisation pour former des composites par moulage. Le gainage permet enfin d'ajuster à la commande le taux de renforts en faisant varier en ligne (pendant la fabrication) la quantité de matière de gainage délivrée et permet ainsi d'obtenir des bâtonnets avec diverses concentrations de renforts à partir d'un produit de départ qui lui peut avantageusement ne pas varier. De préférence, la matière de gainage comprend au moins une matière organique thermoplastique, par exemple une polyoléfine (notamment du polyéthylène ou du polypropylène) ou du polychlorure de vinyle, ou un élastomère, par exemple un polypropylène modifié SEBS (styrène éthylène butadiène styrène), etc. Le cas échéant, cette matière est avantageusement choisie identique ou similaire ou compatible chimiquement avec la matière organique des fils (de façon à ce qu'il y ait une bonne adhésion, voire une continuité, entre les deux matières), cette matière pouvant éventuellement être chargée en additifs comme mentionné précédemment. La matière de gainage introduite dans la filière peut provenir par exemple d'un dispositif d'extrusion. Le faisceau peut également être revêtu de plusieurs matières identiques ou différentes alimentant la filière (ou le cas échéant plusieurs filières en série ou en parallèle), ce mode permettant encore d'élargir la gamme des produits obtenus. Lorsque plusieurs faisceaux sont traités en parallèle, la matière de gainage peut varier le cas échéant d'un faisceau à l'autre. L'épaisseur de la gaine peut être variable; à titre d'exemple pour un bâtonnet de l'ordre de 3 mm d'épaisseur, la gaine peut être de l'ordre de 0.1 mm ou d'un dixième de l'épaisseur du bâtonnet, voire plus. Après conformation et gainage éventuel, le faisceau obtenu est généralement refroidi (par passage par exemple dans un bac d'eau ou une filière froide), le cas échéant séché (par soufflage ou aspiration), puis découpé ou tronçonné (par exemple à l'aide d'une fraise ou d'un granulateur à lames rotatives) en bâtonnets, de longueur généralement comprise entre 1 et 40 mm, de préférence entre 5 et 30 mm, par exemple de l'ordre de 12 mm. Comme explicité précédemment, le procédé et les produits selon l'invention présentent l'avantage d'être adaptables sans changement des produits de départ. En outre, le procédé selon l'invention est de mise en oeuvre aisée et rapide, et est économique. Les bâtonnets selon l'invention présentent un haut taux de renfort comme précédemment défini, tout en étant intègres et le cas échéant bien imprégnés, et peuvent présenter une gaine comme précédemment mentionné. Avantageusement ces bâtonnets (en particulier gainés) présentent un taux de fibrilles inférieur à 60, de préférence 30, et de façon particulièrement préférée 20 mg par kg de bâtonnets (ce taux étant mesuré en faisant vibrer des bâtonnets sur un tapis et en aspirant les fibrilles à l'aide d'un aspirateur muni d'un filtre). Ils sont faciles à manipuler et à doser et se dispersent bien dans une matrice organique lors du moulage malgré le haut taux de renforts. Les bâtonnets selon l'invention présentent généralement une longueur de fils de renforts comprise entre 1 et 40 mm, de préférence entre 5 et 30 mm, par exemple de l'ordre de 12 mm. La présente invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre d'un mode avantageux de réalisation du procédé précité. Ce dispositif comprend un ou des moyens pour fournir au moins un faisceau de fils, au moins un moyen de chauffage dudit faisceau, au moins un dispositif de conformation, au moins une filière de gainage, alimentée par au moins une matière fondue et devant recevoir simultanément le faisceau de fils et la matière fondue au contact dudit faisceau, et au moins un dispositif de coupe, pour couper le faisceau gainé en bâtonnets. Le dispositif peut également comprendre (en combinaison ou en complément des moyens précédents) un ou plusieurs des moyens suivants, notamment: au moins un galet assurant le guidage des fils; - un ou des moyens pour entraîner les fils; - un ou des moyens pour assembler les fils sous la forme d'au moins un faisceau de fils parallèles (par exemple de type plaque(s) à oeillets et/ou galet(s) rainurés et/ou embarrage(s)); -un ou des moyens de régulation de tension des fils, par exemple en amont 10 des moyens de rassemblement précités; - un ou des moyens pour maintenir le faisceau ou la mèche en température le cas échéant au moins jusqu'à la filière. - un ou des dispositifs d'imprégnation supplémentaire, notamment avant le dispositif de conformation; - un ou des moyens de positionnement du faisceau; etc. La plupart de ces dispositifs ont déjà été évoqués précédemment. En particulier, les fils peuvent être issus d'enroulements, ces enroulements pouvant être placés sur un cantre à partir duquel sont déroulés les fils. Le ou les moyens de chauffage comprennent généralement un ou des fours, par exemple de type à infrarouge, de préférence fonctionnant avec des lampes régulées en puissance en fonction de la température du faisceau, ce genre de four ayant l'avantage d'être à la fois performant sur le plan énergétique et facile à réguler. Comme dispositif d'imprégnation, on peut par exemple utiliser un dispositif comportant trois organes disposés en triangle et entre lesquels défile le faisceau, la hauteur de séparation des organes étant adaptée pour établir une pression appropriée sur la surface du faisceau, ces organes pouvant être des cylindres ou barreaux. Les dispositifs de conformation à proprement parler peuvent par exemple comprendre une filière chauffante, et/ou des galets entre lesquels circule le faisceau de fils, etc.. Comme indiqué précédemment, les filières utilisées présentent avantageusement un profil simple avec une section, par exemple variant progressivement (par exemple décroissant) puis constante selon les endroits, autour d'un axe parallèle à la direction de la ligne de fabrication. La filière de gainage peut aussi comprendre un ou des moyens pour apporter la matière de gainage en y appliquant une surpression. Ladite matière peut arriver au contact du jonc par différents canaux dans la filière. Selon la section de la filière et/ou la présence de différents canaux et/ou l'application de surpression(s) et/ou le positionnement du faisceau dans la filière, la quantité de matière(s) délivrée(s) peut être différente en différents points de la section du faisceau. La matière fondue de gainage provient généralement d'au moins une 10 extrudeuse. Le dispositif de coupe peut être notamment un granulateur ou une fraise, comme mentionné précédemment. Les différents éléments du dispositif selon l'invention peuvent être fixes ou éventuellement mobiles (en translation et/ou en rotation). L'invention concerne également un produit composite obtenu par moulage à partir des bâtonnets selon l'invention. Les bâtonnets selon l'invention permettent d'obtenir, à des cadences élevées, des pièces complexes (comportant le cas échéant des nervures, bossages, etc.) présentant une répartition satisfaisante de la matière de renfort, les composites obtenus à partir de ces bâtonnets présentant en outre de bonnes propriétés mécaniques. Les composites obtenus à partir des bâtonnets selon l'invention peuvent être par exemple des pièces de carrosserie automobile telles que des faces avant, tableaux de bord, modules de porte, écrans sous moteur, doublures de hayons, etc. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de bâtonnets de renforts concentrés dans lequel au moins un faisceau de fils présentant plus de 70% en poids de matière de renfort et au moins 0,1% d'humidité, est chauffé et conformé avant d'être découpé en bâtonnets. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une partie des fils sont des fils composites formés de filaments de renfort, de préférence de verre, et de filaments d'au moins une matière organique thermoplastique. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau de fils subit en outre une étape de gainage par passage dans une filière alimentée par au moins une matière organique, et éventuellement au moins un additif. 4. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un ou des moyens pour fournir au moins un faisceau de fils, au moins un moyen de chauffage dudit faisceau, au moins un dispositif de conformation, au moins une filière de gainage et au moins un dispositif de coupe. 5. Bâtonnet de renfort concentré présentant un taux de renforts supérieur à 65% en poids, ces renforts étant liés ou noyés dans au moins une première matière organique et le cas échéant gainés par au moins une seconde matière. 6. Bâtonnet selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il présente un taux de fibrilles inférieur à 60mg/kg. 7. Composite obtenu par moulage à partir de bâtonnets selon l'une des revendications 5 ou 6.