Brevet FR2898140A1 — publié le 20070907

Procédé et dispositif de fabrication d'un ruban, d'une mèche, d'une ficelle, d'un fil ou d'un tissu composite constitué avec des fibres naturelles, notamment du lin, chanvre, sisal, produits obtenus. L'invention concerne un procédé et un dispositif de fabrication d'un ruban composite constitué avec des fibres naturelles, notamment des fibres longues de lin. Formé par l'association d'une multiplicité de filaments de fibres longues de lin et de fils continus ou discontinus de matière naturelle, organique, ce semi- produit permet de mettre en oeuvre des pièces composites de hautes performances où la fibre longue d'origine naturelle est sollicitée de façon optimale longitudinalement. On connaît d'après la demande de brevet EP 0 599 695, qu'il existe un procédé permettant de fabriquer un fil composite de verre et de matière organique. Ce procédé comprend une étape de mélange de fibres de verre issues d'une filière avec des filaments de matière organique. Un inconvénient de ce procédé est qu'il est nécessaire d'avoir un dispositif complexe et lourd qui est dépendant de la fabrication des fibres de verre et du thermoplastique, c'est-à- dire une filière. Cette équipement est donc en partie réservée au fabriquant de fibre de verre. Dans une autre demande de brevet FR 2 850 606, le procédé est uniquement approprié à l'incorporation de fibres naturelles coupées dans une matière plastique. On utilise la fibre naturelle en tant que charge. Par exemple, pour le lin, on utilisera des étoupes de lin qui sont des sous-produits issus de la transformation de la fibre longue. Ce procédé reste destiné à la fabrication de pièces composites de faibles résistances mécaniques dans des applications de pièces peu structurelles puisque les fibres employées sont courtes. De même, d'après une autre demande de brevet FR 2 861 081, les fibres de la composition sont sous la forme d'un non tissé qui nécessite par conséquent l'emploi de fibres courtes, de diamètre variable et répartis de manière aléatoire sans une orientation préférentielle. La qualité de ces pièces reste très variable. D'après la demande du brevet FR 2 784 931, le procédé et le dispositif de fabrication du ruban composite s'applique avantageusement à la fibre de verre puisque les fibres de renforcement sont continues et sont sous forme de fils. De plus, un moyen de chauffage est obligatoire pour mélanger les fibres de renforcement et la matière organique thermoplastique. Un inconvénient de ce brevet est qu'il n'est pas applicable pour des fibres naturelles car ce sont des fibres discontinues liées entre elles par des fibrilles transversales. Dans ce cas, il ne serait pas possible de rassembler de manière parallèle des fils à base de matière thermoplastique et des fibres naturelles de renforcement puisque le mélange obtenu n'est pas homogène et bien dispersé. La présente invention a donc pour but de fabriquer un ruban, une mèche, une ficelle, un fil ou un tissu composite spécialement constitué de fibres naturelles à partir des connaissances et du savoir-faire des transformations pour extraire puis mettre en continu un faisceau de fibres longues de lin, par exemple. L'utilisation des fibres naturelles est dans l'invention utilisée comme renfort et non pas comme charge. Par conséquent, les pièces composites réalisées à partir de ce semi-produit sont des pièces structurelles puisque la résistance de la fibre longue est sollicitée au maximum. Cette répartition longitudinale du renfort permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques équivalentes à des composites renforcés par des fibres de verre, d'aramide ou de carbone sur certaines applications. Actuellement, il existe deux étapes successives permettant de décortiquer les plantes de lin : le teillage et le peignage. La première opération sépare les anas et les graines en teillant les fibres qui en ressortent sous forme de faisceaux discontinus ou poignées de filasse, d'environ 1,20m de long. La seconde opération consiste à affiner le degré de finesse des fibres longues par un dispositif de peignage puis à constituer un ruban continu à partir de poignées de lin peigné. La vitesse d'étirage du ruban conditionne le titrage du produit selon le critère retenu. Des rouleaux en bois répartissent la régularité transverse des fibres puis un système de condenseur rassemble la nappe de fibres uniquement pour la conditionner en vrac dans un bac. Cependant, du fait de l'unique superposition des poignées les unes sur les autres avec un décalage d'un tiers de la longueur des fibres, la résistance de ce ruban en sortie de peignage est très hétérogène. Selon si l'on exerce une traction sur une distance de poignée ou au niveau de la superposition des poignées, la différence de résistance est importante. Par conséquent, ce ruban est inadapté à l'utilisation dans la mise en oeuvre des matériaux composites puisqu'il ne résiste pas à la tension appliquée sur celui-ci dans les procédés composites tels que la pultrusion, par exemple. La présente invention a pour avantage de proposer un autre procédé successif au peignage pour comêler deux types de matière entre eux : les fibres naturelles et les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus continus ou discontinus de matière naturelle, minérale ou organique, en apportant une tenue à la traction régulière et forte du semi-produit composite, caractérisé en ce que : On introduit en entrée d'une série de peignes verticaux un ou plusieurs rubans de fibres naturelles qui sont pincés en amont par deux rouleaux 4 métalliques, par exemple, qui positionnent la matière avant l'entrée dans la série de peignes. Le ou les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus continus ou discontinus que l'on vient comêler, viennent se positionner en dessous et/ou au dessus de la ou des rubans de fibres naturelles et sont pincés également par les deux rouleaux métalliques, par exemple, avant d'entrée dans la série de peignes verticaux. Une autre possibilité peut être de venir introduire les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus continus ou discontinus juste après ces deux rouleaux pour éviter dans ce cas une compression de ceux-ci. La jonction de ces deux matières étant effectuée, la série de plusieurs barrettes de peignes verticaux se déplacent successivement sur un tapis continu pour entraîner les deux matières vers l'aval du procédé. Cette étape où successivement les matières sont prises dans les barrettes des peignes va conditionner le comêlage intime des deux matières sèches entre elles afin de créer une liaison mécanique forte et régulière. A la sortie des peignes verticaux, les deux matières comêlées passent entre deux rouleaux, appelés rouleaux d'étirage dont un est en bois et l'autre métallique, par exemple, pour fixer une largeur de la nappe régulière et augmenter l'accroche des fibres entre elles par écrasement des faisceaux de fibres. C'est également cette partie du procédé qui permet de réguler la densité du semi-produit en appliquant une vitesse de rotation et donc d'étirage plus importante que les rouleaux en amont du procédé. - Avant le conditionnement du semi-produit après les deux rouleaux d'étirage, la matière ainsi liée qui forme le semi-produit composite est de nouveau compressé entre deux rouleaux métalliques, par exemple, qui peuvent avoir différentes fonctions suivants l'utilisation finale du semi-produit, notamment : o Rouleaux chauffants par air chaud, ou tout liquide calorifique pour effectuer un première imprégnation du semi-produit 5 composite o Rouleaux imprégnateurs pour réaliser une imprégnation par voie humide o Rouleaux guides pour transférer continuellement le semi-produit vers son conditionnement en bobinoirs o Une suite de ces types de rouleaux adéquats en fonction des finalités. L'invention propose également un dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Selon l'invention, pour permettre la fabrication d'un ruban, d'une mèche, d'une ficelle, d'un fil ou d'un tissu composite formé par l'association de fibres longues naturelles et de rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus continus de matière naturelle, minérale ou organique, ce dispositif comprend une installation complète constituée De système de calandrage 3 pour positionner les matières premières en amont du système De système de régulation 4 de la tension des nappes de fibres naturelles et du ou des rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus de matière naturelle, minérale ou organique D'au moins une série d'une paire de rouleaux métalliques 5 en entrée du procédé qui servent à entraîner le dévidage des matières premières. La vitesse de ces rouleaux est variable grâce à un variateur de fréquence, par exemple. D'un tapis de barrettes de peignes verticaux 6 qui assurent le comêlage des deux types de matières premières. Un dispositif pneumatique de piquetage peut aussi convenir à ce niveau ou être installé en complément du tapis à barrettes. De deux rouleaux d'étirage 7 qui assurent l'entraînement continu du ruban, d'une mèche, d'une ficelle, d'un fil ou d'un tissu composite. Le rouleau supérieur est préférablement en bois d'érable, par exemple tandis que le rouleau inférieur est métallique pour ne pas subir de déformation due à la compression du semi-produit entre le rouleau supérieur et le rouleau inférieur. On fixe un diamètre du rouleau supérieur plus important que le rouleau inférieur pour obtenir une surface de compression plus importante et ainsi limiter l'usure par frottement de celui-ci. D'une paire de rouleaux métalliques 8 pour guider les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus composites vers un dispositif de conditionnement 11 sous forme de bobinoirs, de rovings, de ficelles, ou tout autre système de packaging. Comme il a été décrit dans le procédé, les rouleaux 9 peuvent également servir de dispositif pour effectuer une opération supplémentaire telle que de l'imprégnation, du chauffage, du séchage, de l'ensimage, du calandrage... Les dispositifs ainsi décrits permettent la réalisation d'un ruban, d'une mèche, d'une ficelle, d'un fil ou d'un tissu composite à partir de fibres longues de lin et d'un ou plusieurs rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus de matière naturelle, minérale ou organique où ces derniers arrivent, au lieu de rencontre avec les fibres longues de lin avec une vitesse égale à la vitesse d'étirage du ruban composite. D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent ci-après de la description des exemples de dispositifs mettant en oeuvre l'invention décrits en références aux figures qui représentent figure I , une représentation schématique d'une installation selon l'invention. Sur la figure I, il est représenté une vue schématique d'une installation particulière selon l'invention. Une source d'alimentation des matières premières disposées sur des portiques de dévidage alimente en renfort et en matrice le dispositif de comêlage et d'étirage qui rend homogène la jonction des deux matières, le renfort et la matrice. En sortie du dispositif le guidage du semi-produit ainsi formé est amené vers un bobinoir. Cette technique conduit donc à la formation de bobines de rubans, de mèches, de ficelles, de fils ou de tissus composites. D'autre part, les fibres longues de lin restent linéaires et peuvent jouer pleinement leur rôle de renfort unidirectionnel, lorsqu'il est recherché, dans les pièces réalisées à partir de ces semi-produits composites. Dans la représentation de l'installation sur la figure I, les fils thermoplastiques de polypropylène 1 sont mêlés aux fibres longues de lin peigné 2 et rassemblés sous la forme d'une nappe en 4 puis passe à travers un système de calandrage5. Les barrettes de peignes verticaux comêlent la nappe afin d'y apporter un mélange homogène et correctement mêlé grâce au rouleau d'étirage 7. Cet ensemble crée une cohésion entre les deux matières initiales qui peut ensuite être conditionné directement en 11 ou subir une étape supplémentaire d'imprégnation 9 et de séchage 12. Il est également possible d'associer l'invention à la réalisation de fils composites complexes, c'est à dire de fils composites comportant différentes matières organiques thermoplastiques et des renforts de type fibres de verre, de carbone ou d'aramide. Les matières naturelles peuvent être en lin, chanvre, sisal, kénaf, abacca et/ou leurs mélanges. Les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus peuvent être des matières organiques thermoplastiques et thermodurcissables, du polypropylène, 5 du PEEK, du polyamide et/ou des biopolymères. Les ficelles et les fils de matière naturelle peuvent être en lin, chanvre, kanef et abacca. Le procédé de fabrication peut contenir une imprégnation avec une résine thermoplastique ou thermodurcissable des rubans, mèches, ficelles, fils, 10 filaments ou tissus composites pour réaliser un pré imprégné. Le dispositif de rouleau guide en aval peut permettre d'imprégner, de chauffer, de refroidir ou de guider le semi-produit composite. Le dispositif peut contenir un dispositif de bobinage avec un torsadage du semi produit, placé après le rouleau guide par exemple. 15 Le taux de fibres longues naturelles dans la ou les matières plastiques peut aller de 10 à 90 % en poids. Le ruban composite mis en oeuvre peut être réalisé avec des fibres naturelles en lin, chanvre, sisal, kénaf, jute, abacca, alpha et leurs mélanges et les mélanges fibres naturelles et fibres synthétiques, organiques et/ou minérales. 20 Le ruban composite mis en oeuvre peut être réalisé avec des matières plastiques choisies parmi les polyoléfines, le polypropylène, le polyéthylène haute ou basse densité (PEHD ou PEBD), les matières plastiques styrèniques, les ABS, le P5, le PVC, les PA, les polyuréthanes, les polyesters, les élastomères, les copolyamides et leurs mélanges ou alliages 25 Revendications 1. Procédé de fabrication d'un ruban, d'une mèche, d'une ficelle, d'un fil, d'un filament ou d'un tissu composite constitué avec des fibres naturelles caractérisé en ce que les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus de matière naturelle, minérale ou organique sont mêlés et étirés à une ou des nappes de matière naturelle. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la nappe de matière naturelle soit des fibres longues de lin, de chanvre, de sisal, de kenaf, d'abacca et/ou leurs mélanges. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus de matière organique soient des matières organiques thermoplastiques et thermodurcissables, notamment du PolyPropylène, du PEEK, du PolyAmide et/ ou des biopolymères. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les ficelles et les fils de matière naturelle soient en lin, chanvre, sisal, kenaf, abacca. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on imprègne avec une résine thermoplastique ou thermodurcissable les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus composite afin de réaliser un pré imprégné. 25 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on fixe la vitesse des rouleaux d'étirage en fonction de la densité du semi-produit composite désiré.20 10 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comêlage s'effectue avec des barrettes de peignes verticaux. 8. Dispositif de fabrication de rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus composite constitué avec des fibres naturelles caractérisé en ce que les rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus de matière naturelle, minérale ou organique soient mêlés et étirés à des nappes de matière naturelle par un dispositif d'étirage. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen permettant le mélange des fils de matière naturelle, minérale ou organique à des fibres longues de lin soit un dispositif de peignes verticaux. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le rouleau d'étirage supérieur est en bois. 11.Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de rouleau guide en aval permet d'imprégner, de chauffer, de refroidir ou de guider le semi-produit composite. 12. Dispositif selon l'une des revendications 8, caractérisé en ce qu'un dispositif de conditionnement de la matière soit placé après le rouleau guide. 13. Dispositif selon l'une des revendications 8, caractérisé en ce que l'on place après le rouleau guide un dispositif de bobinage avec un torsadage du semi-produit. 14. Ruban composite constitué d'une nappe de fibres longues naturelles cômélée et étirée avec des rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus de matière naturelle, minérale ou organique se présentant sous la forme d'une 5 nappe, d'une mèche, d'une ficelle, d'un fil, d'un filament ou d'un tissu. 15. Ruban composite constitué d'une nappe de fibres longues naturelles cômélée et étirée avec des rubans, mèches, ficelles, fils, filaments ou tissus de matière naturelle, minérale ou organique selon la revendication 14, 10 caractérisé en ce qu'il comprend un taux de fibres longues naturelles très fort dans la ou les matières plastiques, c'est-à-dire de 10 à 90"% en poids, de préférence supérieur à 10-20 % en poids et mieux encore à 60% en poids. 16. Ruban composite selon la revendication 14, caractérisé en ce que 15 les fibres naturelles sont choisies parmi : Les fibres de lin, chanvre, sisal, kénaf, jute, abacca, alpha Et leurs mélanges Les mélanges fibres naturelles/fibre synthétiques, organiques et/ou minérale 20 17. Ruban composite selon la revendication 14 caractérisé en ce que les matières plastiques sont choisies parmi : Les polyoléfines - Le polypropylène, polyéthylène haute ou basse densité (PERD ou 25 PERD) - Les matières plastiques styrèniques Les ABS, le P5512 Les PVC Les PA Les polyuréthanes, les polyesters, les élastomères, les copolyamides Et leurs mélanges ou alliages