Brevet FR2949125A1 — publié le 20110218

Renfort composite à base de fibres naturelles L'invention concerne un renfort composite. Plus particulièrement, l'invention concerne un renfort composite à base de fibres naturelles. Actuellement, on utilise entre autre en guise de renfort de matériaux polymères des fibres de verre permettant une résistance optimum en fonction de leur utilisation. Elles permettent notamment de réduire considérablement le poids d'une structure par rapport à l'acier. Afin de palier aux problèmes écologiques, on remplace aujourd'hui ces fibres de verre issues de la filière chimique par des fibres naturelles tel que le lin, le chanvre, le sisal, etc. L'utilisation de ces fibres permet encore un gain de poids par rapport à l'utilisation de la fibre de verre. Le problème actuel est que l'utilisation de ces fibres ne permet pas une reproductibilité des caractéristiques lors de leur utilisation, notamment dues à leurs longueurs non uniformes et au caractère naturel de la fibre dont les caractéristiques mécaniques sont liées aux conditions de culture. De plus, ces fibres nécessitent des traitements compliqués, principalement chimiques, pour favoriser leurs adhésions avec les matériaux polymères utilisés ultérieurement. L'invention a pour objectif de fournir un renfort composite écologique possédant des caractéristiques mécaniques facilement reproductibles. L'invention a également pour objet de fournir un traitement mécanique d'adhésion avec les matériaux polymères utilisés ultérieurement. Selon un premier aspect de l'invention, il s'agit d'un procédé de fabrication d'un renfort composite comprenant au moins les étapes suivantes : L'enduction d'un fil de matière naturelle avec un matériau polymère de façon à former un renfort composite ; La coupe du renfort à une longueur déterminée. Le procédé de fabrication peut également comprendre une étape de chauffe d'un fil de matière naturelle. Le matériau polymère peut notamment être un matériau thermoplastique ou un matériau thermodurcissable. Le fait de partir d'un fil facilite d'une part l'enduction, délicate sur une fibre seule, et permet d'autre part d'obtenir facilement une bonne reproductibilité des caractéristiques mécaniques non seulement parce que le diamètre du fil, notamment par l'intermédiaire de son titre, est connu mais également parce que l'on maîtrise la longueur du renfort. Le fil de matière naturelle utilisé dans le procédé selon l'invention correspond à tous produits issus des industries d e la filature, constituant un assemblage de fibres ayant subi une torsion apte à assurer la cohésion entre les fibres. On pourra ainsi utiliser pour l'invention un fil à proprement parler, une mèche, un ruban, un retord, un double retord, un câble, etc. La chauffe du fil permet d'amener ce dernier à une température proche de la température des matériaux d'enduction en sortie d'extrudeuse, favorisant ainsi la cohésion du matériau d'enduction avec le fil. La chauffe du fil permet notamment de réduire le taux d'hygrométrie dans ce dernier et ainsi éviter un dégagement de vapeur au contact de la matière chaude. Cela permet également d'éviter le refroidissement de la matière au contact du fil. L'enduction est définie comme étant le fait d'enduire un textile avec un produit qui le protège, modifie son apparence, etc. On obtient alors un gainage du fil par le matériau polymère. En l'occurrence, la longueur de la coupe est déterminée en fonction du diamètre du fil et de son utilisation finale. On définit le facteur de forme comme étant le rapport de la longueur sur le diamètre du fil. Le facteur de forme assure un transfert des charges entre la matière et le fil. Ce rapport est fonction de l'utilisation finale du produit. Dans le cas de l'utilisation du renfort composite en guise de renfort, il est recommandé d'avoir un rapport au moins égal à 200. A titre d'exemple, la fibre de verre utilisée en tant que fibre de renfort présente un facteur de forme inférieur à 100 en injection de fibres courtes et un facteur de forme allant de 100 à 1000 en injection de fibres longues. Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication comprend en outre une étape de laminage du renfort composite. Le traitement mécanique de laminage appliqué au fil enduit permet notamment d'augmenter l'imprégnation du matériau polymère au moins en surface et au mieux au coeur du fil, par remplissage des porosités inter-fibres. On crée alors une liaison mécanique entre chaque fibre composant le fil, renforçant notamment les caractéristiques mécaniques de ce dernier. On passe ainsi d'une structure gainée en surface avec mobilité des fibres en interne à une structure imprégnée. Cette dernière permet d'obtenir une consolidation des fibres en torsion par la matière d'imprégnation et un renforcement de la liaison fil/matière par le biais io des porosités. Une fois le fil coupé à la longueur souhaitée, il ne s'agit plus d'un fil gainé, mais d'une fibre composite ou d'un renfort composite de type fibre. Le procédé de fabrication peut comprendre une étape de refroidissement 15 qui peut être naturelle ou forcée. De préférence, la matière naturelle est du lin mais on pourrait tout aussi bien envisager d'utiliser d'autres fibres naturelles telles que le chanvre, le coton, le bambou, le sisal, etc. Selon un mode de réalisation particulier, le renfort composite comporte 20 au moins un fil de matière naturelle comprenant au moins 50 %, en poids, d'au moins un élément parmi le chanvre, le coton, le bambou, le sisal, etc. Dans un autre mode de réalisation, le renfort composite pourra également comprendre d'autres fils ou filaments issus des filières 25 chimiques. Dans une application préférée, le renfort composite obtenu par le procédé selon un aspect de l'invention est utilisé en remplacement de la fibre de verre pour renforcer des matériaux composites. L'invention concerne également un non tissé comprenant notamment 30 une pluralité de renforts composites tels qu'obtenus par le procédé décrit précédemment et notamment une imprégnation thermoplastique. Avantageusement, le non tissé comprend au moins un substrat thermoplastique, compatible avec le thermoplastique d'imprégnation dans lequel se trouve noyé ou aggloméré une pluralité de renforts composites. L'invention concerne également le procédé de fabrication d'un non tissé à base de renforts composites, comprenant au moins les étapes suivantes : La répartition aléatoire de renforts composites en une nappe sensiblement homogène; Le chauffage de la nappe ; Le pressage de la nappe ; Le refroidissement de la nappe. La répartition en une nappe aléatoire d'un produit est bien connue de l'homme du métier qui souhaite réaliser un non tissé. Les renforts composites sont placés dans une trémie, par exemple vibrante, qui permet d'apporter en un flux continu la matière sur une bande transporteuse. Les renforts composites peuvent également être coupés au dessus de la bande transporteuse. Le débit de la trémie, ou de la coupe, et la vitesse de la bande transporteuse sont fonctions du grammage souhaité du produit final. Par sensiblement homogène on comprendra que la répartition de la masse de renforts au m2 ne varie pas de plus de 30%. Selon un mode de réalisation préféré, le procédé de fabrication d'un non tissé à base de renforts composites comprend au moins les étapes suivantes : La répartition d'un substrat; La répartition aléatoire de renforts composites en une nappe sensiblement homogène sur le substrat; L'adhésion du substrat et du renfort par un moyen de cohésion. Si le substrat est un substrat thermoplastique, on pourra envisager un chauffage de ce dernier et/ou un chauffage des renforts composites afin d'obtenir une bonne cohésion de l'ensemble lors de l'étape d'adhésion, par exemple par pressage. On peut également envisager un autre substrat et/ou d'autre moyen de cohésion de l'ensemble, par exemple par collage. L'adhésion du substrat au renfort est par exemple réalisée par pressage, soit après une opération de chauffage, soit après une opération de collage, en fonction du substrat utilisé. En fonction du mode opératoire sélectionné, on peut prévoir une découpe de la nappe soit avant le pressage, soit après le refroidissement. Le pressage de la nappe s'effectue soit par l'intermédiaire d'une presse lorsque la nappe est découpée au fur et à mesure de sa fabrication, soit par l'intermédiaire d'une calandreuse et/ou d'une presse lorsque la nappe est fabriquée en continu. Dans une application préférée, le non tissé est utilisé en tant que plaque TRE (Thermoplastique Renforcé Estampable). Nous allons maintenant décrire plusieurs modes de réalisation pour la fabrication du renfort composite et du non tissé correspondant. La fabrication du renfort composite part d'un fil déjà formé issu de la filière textile. Ce fil est de préférence composé à 100 % de lin mais d'autres mélanges pourraient être envisagés, avec d'autres fibres naturelles ou avec des fibres synthétiques, en fonction des caractéristiques souhaitées du produit final. Le fil se présente sous la forme d'une bobine que l'on chauffe, au moyen par exemple d'un chauffage infra rouge, afin de préparer le fil à recevoir le matériau d'imprégnation. Il est également possible de chauffer directement le fil, par exemple en passant dans un tunnel de chauffage par infrarouge, la longueur du tunnel dépendant notamment de la vitesse de défilement. Dans le cas d'une imprégnation par un matériau thermoplastique, on amène le fil à une température proche de celle du thermoplastique en sortie d'extrudeuse. Le fil ainsi chauffé, on procède à l'enduction de ce dernier. Dans notre exemple, nous utilisons une extrudeuse en tête d'équerre, permettant de maitriser l'épaisseur de l'enduction. On obtient ainsi un gainage uniforme de notre fil, formant un renfort composite. Le fil gainé, on procède à son laminage afin d'imprégner le fil vers le coeur. Cette opération permet également de réduire l'épaisseur du renfort composite. Le laminage est réalisé par l'intermédiaire de deux rouleaux dont on détermine la pression en fonction du produit fini désiré. On pourra envisager d'autres opérations de laminage tout au long de la ligne de production. Il est recommandé de conserver une certaine viscosité entre l'étape d'enduction et l'étape de laminage pour obtenir une déformation plastique et non pas une déformation élastique. Afin de conserver cette viscosité, il est possible de continuer à chauffer le renfort composite, notamment en chauffant les rouleaux destinés à transporter le renfort ou les rouleaux de laminage. L'étape d'enduction, et éventuellement l'étape de laminage, étant effectuée, il peut être nécessaire de forcer le refroidissement du renfort. Cette opération peut par exemple être réalisée en passant dans des bacs d'eau, par air frais pulsé, etc. Une fois refroidi, il est alors possible de bobiner le renfort composite pour le stocker avant sa coupe ou le transporter jusqu'à son lieu de coupe. Le renfort composite est coupé à une longueur souhaitée en fonction de son utilisation finale. Il est possible de traiter plusieurs fils simultanément, l'important étant d'éviter que ces derniers ne se touchent et n'adhérent entre eux. Une fois le renfort composite obtenu dans sa version finale, il est possible de l'utiliser dans la fabrication de non tissé. Le procédé de fabrication du non tissé commence avec le renfort composite une fois coupé. Ce dernier est réparti sur une bande transporteuse, formant une nappe dont on détermine préalablement le grammage au m2 en fonction de l'utilisation finale du produit. Cette nappe est préalablement chauffée avant son passage dans une calandreuse. On pourra prévoir divers modes de chauffage de la nappe comme par exemple par infrarouge. Le chauffage a pour but de favoriser la déformation plastique du produit d'enduction et ainsi permettre l'adhésion par thermo-liage des renforts composites entre eux lorsque la nappe passe entre les rouleaux de la calandreuse. Les rouleaux de la calandreuse étant également chauffés, il n'est pas toujours nécessaire d'effectuer un préchauffage de la nappe, notamment lorsque cette dernière est relativement fine et/ou présente une faible épaisseur d'enduction. Une fois le pressage de la nappe effectué, il peut être réalisé une opération de refroidissement, par exemple par calandrage à froid, permettant également de consolider l'épaisseur du produit. Une fois le non tissé refroidit, il peut être découpé aux dimensions souhaitées en fonction de son utilisation finale, ou bobiné pour un découpage ultérieur. Selon un procédé de réalisation additionnel, il est possible de réaliser une structure � sandwich � dans lequel on ajoute au non tissé obtenu préalablement un ou plusieurs autres éléments. Ces éléments peuvent être incorporés sur la partie chaude ou froide de la ligne, sous forme solide ou liquide. On peut notamment les retrouver sous forme de film, de feuille, etc. On pourra par exemple réaliser une structure � sandwich � sur la base d'un film thermoplastique sur lequel on vient positionner le non tissé. L'ensemble est pressé à chaud afin d'assurer une bonne liaison de l'ensemble. On pourra également par exemple réaliser une structure � sandwich � sur la base d'une couche de feutre sur laquelle on vient positionner des points ou une couche de colle avant de positionner le non tissé. L'ensemble est ensuite pressé afin d'assurer une bonne liaison de l'ensemble. Dans un premier exemple, on pourra obtenir un non tissé de 70g/m2 de fibre, sans le matériau d'imprégnation, d'un fil de 40 Nm composé de 100% lin, dont la longueur de coupe du renfort composite est de l'ordre de 35 mm. Selon un autre exemple, on pourra obtenir un non tissé de 160 g/m2 à partir d'un fil de 5 Nm composé de 55% de Lin et de 45% de coton, dont la longueur de coupe est de l'ordre de 120 mm. Ces non tissés peuvent servir dans de multiples applications, dans des domaines aussi variés que les structures de renforcement ou la confection, aussi bien à l'état brut qu'assemblé à d'autres matières, que ce soit sous forme de produit plat ou mis en forme. On peut par exemple les retrouver sous forme de panneaux pour l'agencement intérieur et/ou extérieur ou encore de panneaux utilisés en thermoformage ou thermo-compression. Les avantages du renfort composite résultent notamment de son faible poids comparable aux fibres naturelles mais possédant de meilleures caractéristiques mécaniques que ces dernières. La construction de non tissé avec ces renforts composite permet d'obtenir des structures d'épaisseur réduite, inférieure ou égale au mm qu'il serait impossible d'obtenir autrement avec des fibres naturelles à caractéristiques mécaniques équivalentes. 20 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un renfort composite comprenant au moins les étapes suivantes : L'enduction d'un fil de matière naturelle avec un matériau polymère de façon à former un renfort composite ; La coupe du renfort à une longueur déterminée. 2. Procédé de fabrication d'un renfort composite selon la revendication 10 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de laminage du renfort composite. 3. Procédé de fabrication d'un renfort composite selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière naturelle est du 15 lin. 4. Utilisation d'un renfort composite obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 en remplacement de la fibre de verre pour renforcer des matériaux composites. 5. Non tissé comprenant notamment une pluralité de renforts composites obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 25 6. Non tissé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend notamment au moins un substrat thermoplastique dans lequel se trouve noyé ou aggloméré ladite pluralité de renforts composites. 7. Procédé de fabrication d'un non tissé selon la revendication 5, 30 comprenant au moins les étapes suivantes : La répartition aléatoire de renforts composites en une nappe sensiblement homogène; Le chauffage de la nappe ; Le pressage de la nappe ; 35 Le refroidissement de la nappe. 2949125 io 8. Procédé de fabrication d'un non tissé selon la revendication 6, comprenant au moins les étapes suivantes : - La répartition d'un substrat; La répartition aléatoire de renforts composites en une 5 nappe sensiblement homogène sur le substrat; L'adhésion du substrat et du renfort par un moyen de cohésion. 9. Utilisation d'un non tissé selon l'une quelconque des revendications 5 10 ou 6, ou obtenu par le procédé selon l'une des revendications 7 ou 8 en tant que plaque TRE (Thermoplastique Renforcé Estampable).