Brevet FR2949238A1 — publié le 20110225

78FDEP.doc 2949238 1 La présente invention concerne les armatures textiles utilisées comme produit de renforcement d'articles composites, c'est-à-dire d'articles à base de résine (polyester ou autres) armée de fibres de renforcement. On connaît déjà de nombreuses structures d'armature textile de renforcement constituées d'une ou plusieurs couches de fibres liées entre elles. L'armature textile se présente généralement sous forme d'une nappe conditionnée en bobine, que l'on peut ainsi transporter sur le lieu d'utilisation pour la réalisation d'un article composite. Pour la réalisation d'un article composite, on procède généralement de la façon suivante : on découpe une pièce de surface appropriée d'armature textile, on la place dans un moule, et l'on fait pénétrer une résine qui vient noyer l'armature dans le moule. Après polymérisation, la résine et l'armature forment une structure mécaniquement résistante. Les propriétés de résistance mécanique sont obtenues à condition que la résine pénètre parfaitement entre les fibres formant l'armature, sans laisser de zones dépourvues de résine, et en adhérant parfaitement aux fibres. Il faut en outre que les fibres occupent un volume suffisant, et occupent de façon régulière le volume de l'article composite à réaliser, notamment en suivant les formes de l'article lorsque celui-ci n'est pas plan. Il faut enfin que les fibres présentent en elle-même une résistance mécanique satisfaisante pour réaliser une armature efficace. Diverses structures d'armatures textiles de renforcement ont déjà été proposées. Ainsi, le document EP 0 395 548 décrit l'utilisation de deux couches de renfort textile, par exemple en fibres de verre, disposées de part et d'autre d'une couche centrale constituée par une nappe à base de fibres synthétiques à ondulation permanente, par exemple des fibres de polyester de 40 à 70 mm de long qui ont reçu un traitement de texturation. Les couches de renfort textile sont liées à la couche centrale par couture/tricotage. Le document EP 0 694 643 décrit l'utilisation de deux couches de renfort textile disposées de part et d'autre d'une couche centrale donnant l'épaisseur dudit matériau, les couches étant liées entre elles par couture/tricotage, et on prévoit contre l'une des faces externes un voile de fibres synthétiques collé ou cousu. Les techniques de couture/tricotage sont relativement lentes, et les armatures textiles ainsi réalisées présentent des capacités de déformation non uniformes, et des défauts d'aspect en surface. 5478FDEP.doc 2949238 2 Pour augmenter les cadences de production et réduire des défauts résultant du tricotage, on a récemment proposé, dans le document WO 2008/139423 Al, de réaliser une armature textile à base de fibres, comprenant une couche intérieure épaisse et aérée à base de fibres synthétiques ayant reçu un 5 traitement leur communiquant une frisure permanente, et des couches externes disposées de part et d'autre de la couche intérieure et comprenant des tronçons de fibres à surface thermofusible, certains au moins des tronçons de fibre à surface thermofusible pénétrant selon une partie de leur longueur dans la couche intérieure et adhérant partiellement entre eux et aux fibres synthétiques de la couche 10 intérieure. L'intérêt de cette structure est de conférer aux renforts textiles une grande souplesse et une grande capacité de déformation pour suivre les formes de moules complexes, les fibres synthétiques frisées assurant le maintien d'un volume suffisant de la couche intérieure pour une bonne pénétration de la résine lors du 15 moulage ultérieur. Il est possible d'introduire des fibres de verre coupées dans les couches externes. Pour certaines applications, il reste toutefois souhaitable d'augmenter encore les caractéristiques mécaniques de l'article composite, notamment sa résistance à la rupture ou à la flexion. 20 Selon une autre technique connue, décrite dans le document WO 98/42495 Al, on réalise un produit de renforcement de moulage à l'aide de fils de verre continus liés par un liant polymérisé. De tels produits de renforcement à fils de verre continus peuvent être utilisés pour réaliser des produits composites par moulage par injection. 25 On appelle fil un ensemble de filaments unitaires de verre, qui ont généralement un diamètre de 5 pm à 24 pm. Un fil comprend généralement de l'ordre de 40 filaments. On appelle mèche un ensemble de fils. Une mèche comprend généralement 50 fils environ. Pour permettre l'injection, il est souhaitable d'utiliser un produit de 30 renforcement suffisamment aéré, et en particulier présentant ou conservant suffisamment de gonflant pour un poids de fil donné. Le document WO 98/42495 Al enseigne un produit de renforcement formé de couches de fils continus issus d'une bobine ou � roving �. Le roving est un enroulement d'une mèche formée de fils de base plus ou moins recollés autour 35 de l'axe de la bobine. Selon ce document, les fils issus du roving sont éclatés par des jets d'air ou des rouleaux de pincement, puis déposés de façon aléatoire sous 5478FDEP.doc 2949238 3 forme d'une nappe sur un support, simultanément à une projection de liant liquide polymérisable. L'inconvénient de cette technique reste la présence nécessaire d'un liant pour assurer la cohésion du produit de renforcement lors de ses manipulations 5 avant moulage par injection. Il en résulte que la quantité de fibres de verre reste relativement faible, et le liant est susceptible de réduire la capacité de pénétration de la résine lors du moulage par injection. En outre, cette technique connue est conçue pour la réalisation d'une plaque de dimensions finies, et n'est pas adaptée par exemple à une production en 10 continu d'éléments que l'on peut aisément découper selon des contours choisis. Le problème proposé par la présente invention est d'augmenter sensiblement la résistance mécanique des articles composites réalisés à partir de renforts de moulage à base de fibres, tout en conservant les propriétés de souplesse et de déformabilité des renforts de moulage avant moulage, et en 15 conservant un volume satisfaisant des renforts de moulage et de bonnes propriétés de pénétration et d'impression de la résine lors du moulage. En complément, l'invention propose d'améliorer si nécessaire la régularité de la surface des articles composites réalisés par moulage des renforts de moulage . 20 De préférence, l'invention vise également à permettre la réalisation de produits de renforcement en bande continue, pouvant être conditionnée en bobine, et pouvant être découpée ou tronçonnée sans risque d'effilochage ou de dégradation des bords. Pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention propose un renfort 25 de moulage en nappe à base de fibres, comprenant : - une couche intérieure épaisse et aérée à base de fibres, - des couches externes disposées de part et d'autre de la couche intérieure, - les couches externes comprenant des tronçons de fibres à surface thermofusible, - certains au moins des tronçons de fibres à surface thermofusible pénétrant selon 30 une partie de leur longueur dans la couche intérieure et adhérant partiellement entre eux et aux fibres de la couche intérieure, - et dans laquelle la couche intérieure comprend des fibres de type fils de verre continus se développant en orientations aléatoires et en plusieurs épaisseurs. Le caractère continu des fils de verre, disposés en orientation aléatoire 35 et en plusieurs épaisseurs, met à profit leur élasticité pour conférer à la couche intérieure un caractère suffisamment épais et aéré pour favoriser la pénétration de la résine lors du moulage. Les fils de verre continus de la couche intérieure 5478FDEP.doc 2949238 4 permettent d'augmenter sensiblement les propriétés mécaniques des articles composites réalisés par moulage d'un tel renfort. Les couches externes, dont certains tronçons de fibres pénètrent et adhèrent aux fibres de la couche intérieure, assurent un maintien provisoire suffisant des fils de verre continus de la couche 5 intérieure après fabrication et avant utilisation du renfort de moulage. Simultanément, les couches externes à fibres pénétrantes et adhérentes permettent d'assurer le maintien des fils de verre continus avec seulement une faible quantité de matière autre que le verre, c'est-à-dire en maximisant la quantité relative de verre dans le renfort de moulage. 10 Les couches externes peuvent être particulièrement minces, sous forme de voile de fibres. Selon un mode de réalisation préféré, les fils de verre continus sont répartis en au moins une mèche éclatée de fils de verre continus. Cette disposition en mèches éclatées facilite et accélère 15 considérablement la fabrication du renfort de moulage, et favorise l'effet élastique pour conférer à la couche intérieure une épaisseur satisfaisante et un caractère aéré pour la pénétration de la résine. La mèche de fils de verre continus peut avantageusement avoir un titre compris entre 2 400 et 4 800 tex environ. 20 Dans une telle mèche les fils de verre continus peuvent avantageusement être formés d'un assemblage de filaments ayant un diamètre unitaire compris entre environ 14 pm et environ 17 pm. En alternative ou en complément, les fils de verre continus peuvent avoir un titre unitaire de 40 à 80 tex environ. 25 Pour améliorer la régularité de la surface des articles composites réalisés par surmoulage d'un renfort de moulage selon l'invention, on peut avantageusement prévoir, entre la couche intérieure et l'une au moins des couches externes, une couche intermédiaire à base de fibres de verre coupées. Selon un mode de réalisation avantageux, le renfort de moulage selon 30 l'invention présente un grammage compris entre 400 et 1 800 g/m2. On réalise ainsi un bon compromis entre l'épaisseur du renfort du moulage et sa capacité de déformation avant moulage. Selon un autre aspect, l'invention propose un procédé de fabrication d'un tel renfort de moulage, comprenant les étapes de : 35 a) prévoir un premier voile de fibres chimiques à surface thermofusible, b) sur le premier voile de fibres chimiques à surface thermofusible, déposer une ou plusieurs mèches éclatées de fils de verre continus, en leur donnant toutes 78FDEP.doc orientations aléatoires et en plusieurs épaisseurs, pour former une couche intérieure de fils de verre continus, c) déposer, sur la couche de fils de verre continus, un second voile de fibres chimiques à surface thermofusible, 5 d) effectuer un aiguilletage léger double face pour faire pénétrer des tronçons de fibres à surface thermofusible de chacun des voiles dans la couche intérieure, e) chauffer l'ensemble à une température suffisante pour ramollir et rendre collantes les fibres à surface thermofusibles, f) calandrer à froid l'ensemble. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un renfort de moulage selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une mèche de fils de verre continus en cours d'éclatement ; - la figure 3 illustre en perspective un fil de verre continu ; - la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale du renfort de moulage de la figure 1, en cours de fabrication ; et - la figure 5 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un renfort de moulage selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans un premier mode de réalisation illustré sur la figure 1, un renfort de moulage 1 selon l'invention comporte trois couches de fibres, à savoir une couche intérieure 2 et deux couches externes 3 et 4 disposées de part et d'autre de la couche intérieure 2. La couche intérieure 2 comprend des fils de verre continus 2a qui se développent en orientation aléatoire et en plusieurs épaisseurs. Cela signifie que le fil de verre continu 2a prend, dans la couche intérieure 2, successivement toutes les orientations possibles dans le plan général de la couche intérieure 2, en formant des boucles. Le fil de verre continu 2a prend également des orientations perpendiculaires au plan général de la couche intérieure 2, par exemple au niveau de boucles perpendiculaires 2b. Et le fil de verre continu 2a se développe en plusieurs épaisseurs : par exemple, sur la figure 1, on peut distinguer les boucles 2c, 2d et 2e superposées, illustrés schématiquement. Les couches externes 3 et 4 comprennent chacune des tronçons de fibres 3a ou 4a à surface thermofusible. 5478FDEP,doc Les tronçons de fibres 3a et 4a à surface thermofusible peuvent être en toute matière ayant une température de fusion suffisamment basse et de bonnes propriétés de collage avec les fils de verre continus 2a de la couche intérieure 2. En alternative, les tronçons 3a et 4a de fibres à surface thermofusible peuvent être des fibres chimiques bi-composant, comportant une âme centrale en polyamide, polyester ou polypropylène, et une gaine externe en copolyester, en polyéthylène ou en toute autre matière ayant une température de fusion inférieure à celle de l'âme centrale. De bons résultats pourront être obtenus en utilisant une âme centrale en polyester et une gaine externe en copolyester, ou une âme centrale en polypropylène et une gaine externe en polyéthylène. D'autres couples de matières peuvent être utilisés sous forme de fibres bi-composant coaxiales : le polypropylène et le copolypropylène, le polypropylène et l'acétate d'éthyle vinyle. Par le fait que l'âme centrale de la fibre bi-composant a une température de fusion plus élevée que la gaine externe, on évite un risque accidentel de fusion complète des tronçons de fibres 3a et 4a à surface thermofusible lors de la fabrication du renfort de moulage 1. On limite aussi efficacement le risque, lors d'une étape d'échauffement pour la fabrication du renfort de moulage 1, que les tronçons de fibres 3a et 4a thermofusibles soient, par un échauffement trop élevé ou mal contrôlé, complètement fondus, formant des couches uniformes ou imperméables à la résine par étalement de leur matière constitutive sur les faces supérieure et inférieure de la couche intérieure 2. L'âme des fibres bi-composant n'est pas (ou très peu) altérée, et les couches externes 3 et 4 sont ainsi conservées. En outre, l'utilisation de fibres à surface thermofusible bi-composant à 25 gaine externe et âme centrale permet de réduire la teneur en polyoléfine du renfort de moulage 1. Cela s'avère avantageux, la résine étant peu compatible avec les polyoléfines. Parmi les tronçons 3a et 4a de fibres à surface thermofusible des couches externes 3 et 4, certains au moins de ces tronçons, par exemple les 30 tronçons pénétrants 3b et 4b sur la figure 1, pénètrent selon une partie de leur longueur dans la couche intérieure 2 et adhèrent partiellement entre eux et aux fils de verre continus 2a de la couche intérieure 2. Les tronçons pénétrants 3b et 4b de fibres sont répartis régulièrement selon la surface du renfort de moulage 1, et assurent une cohésion de l'ensemble, 35 tout en conservant les propriétés de déformabilité et de souplesse du renfort de moulage 1. 5478FDEPdoc En pratique, dans la couche intérieure 2, les fils de verre continus 2a peuvent avantageusement être répartis en au moins une mèche éclatée de fils de verre continus. A titre d'illustration, la figure 2 représente une telle mèche 5 ou faisceau de fils généralement parallèles les uns aux autres. Initialement, dans la mèche, les fils de verre continus 2a sont au contact les uns des autres. Lors de l'éclatement de la mèche 5, les fils s'écartent les uns des autres, tout en restant dans des directions sensiblement parallèles ou peu divergentes. On choisira avantageusement des fils de verre continus 2a (figure 3), formés d'un assemblage de filaments 20a dont le diamètre unitaire est compris entre environ 14 pm et environ 17 pm. Le titre unitaire des fils de verre continus peut par exemple être compris entre 40 et 80 Tex, par assemblage d'environ 50 filaments. Les fils de verre continus 2a sont en réalité formés d'un nombre suffisant de filaments pour éviter leur rupture lors des manipulations et utilisations selon l'invention, étant observé que les filaments isolés, dans la taille dans laquelle ils sortent habituellement des filières de fabrication, sont trop fragiles pour de telles manipulations et utilisations. Le renfort de moulage 1 selon l'invention peut être réalisé sous forme de bande continue que l'on conditionne en bobine de grande longueur. Par exemple, on réalise un premier voile de fibres à surface thermofusible destiné à constituer la couche externe 3, on dépose en continu sur ce premier voile 3 une ou plusieurs mèches éclatées de fils de verre continus 2a en leur donnant une orientation aléatoire pour réaliser une couche intérieure 2 à plusieurs épaisseurs. L'opération de dépose en continu des mèches de fils de verre continus 2a peut être réalisée comme décrit dans le document WO 98/42495 Al, à la différence que le dépôt des fibres se fait alors sur le premier voile lui-même en déplacement sur un convoyeur continu. On superpose sur cette couche intérieure 2 de fils de verre continus 2a 30 ainsi réalisée un second voile de fibres à surface thermofusible destiné à constituer la seconde couche externe 4. On soumet l'ensemble ainsi obtenu à un aiguilletage léger double face qui fait pénétrer certains au moins (3b, 4b) des tronçons de fibres 3a et 4a à surface thermofusible dans chacun des voiles dans la couche intérieure 2, on 35 chauffe l'ensemble à une température suffisante pour ramollir la partie thermofusible des fibres à surface thermofusible 3b, 4b et pour assurer leur collage aux fils de verre continus 2a de la couche intérieure 2. 5478FDEP.doc 2949238 8 La figure 4 illustre schématiquement l'opération d'aiguilletage léger, dans laquelle on distingue des aiguilles 8 de pré-aiguilletage, qui entraînent des tronçons pénétrants 3b et 4b de fibres pour qu'ils pénètrent dans la couche intérieure 2. 5 L'aiguilletage léger effectué utilise par exemple une densité d'aiguilles au mètre courant comprise entre environ 2 000 et 2 500. Cela doit être comparé aux machines d'aiguilletage qui comportent, de façon classique, une densité des aiguilles au mètre courant comprise entre 1 600 et 32 000. Cela permet un grand débit lors de la fabrication du renfort de moulage selon l'invention. 10 L'aiguilletage léger effectué est suffisant pour assurer la cohésion pendant le transfert de l'ébauche de renfort de moulage jusqu'à un poste de travail suivant, mais il est insuffisant pour assurer la cohésion définitive du renfort de moulage 1 et celui-ci n'est toujours pas transportable en sortie de l'aiguilleteuse pour un usage comme produit de renfort. 15 L'échauffement qui est réalisé après l'opération d'aiguilletage léger permet de ramollir la couche superficielle thermofusible des tronçons pénétrants 3b, 4b de fibres des couches externes 3 et 4 pour les rendre adhérentes. Les tronçons pénétrants 3b, 4b de fibres qui ont été entraînés par les aiguilles 8 d'aiguilletage léger adhèrent aux fils de verre continus 2a de la couche intérieure 2. 20 Après refroidissement, les différentes couches 2, 3 et 4 du renfort de moulage 1 sont ainsi liées entre elles par les tronçons pénétrants 3b, 4b de fibres aiguilletés et collés. Le renfort de moulage 1 est alors transportable. Le chauffage est réglé pour ramollir et rendre adhésifs les tronçons de fibres 3a, 4a à surface thermofusible, mais sans les fondre. 25 On considère maintenant la figure 5, qui illustre schématiquement un second mode de réalisation du renfort de moulage selon l'invention. Ce second mode de réalisation se distingue du premier mode de réalisation de la figure 1 par la présence supplémentaire de deux couches intermédiaires 9 et 10 entre la couche intérieure 2 et les couches externes 3 et 4 respectives. Chaque couche intermédiaire 9 ou 10 est à base de fibres de verre coupées, réparties en orientations aléatoires généralement parallèles au plan moyen du renfort. Ces couches intermédiaires 9 et 10 ont à la fois un effet de renforcement mécanique, et un effet de lissage de la surface de la couche intérieure 2. On 35 réalise ainsi un renfort de moulage dont la surface est plus lisse, permettant d'obtenir un bon aspect de surface des articles composites réalisés par moulage du renfort de moulage. 78FDEP.doc 9 On retrouve les tronçons pénétrants 3b, 4b de fibres, qui solidarisent les couches 2, 3, 4, 9 et 10. Exemple I) sur une carde conventionnelle, on réalise un premier voile de fibres chimiques à surface thermofusible. Les tronçons de fibres chimiques sont en fibres bi-composant, avec une âme centrale en polyester et une gaine externe thermofusible en copolyester. La gaine externe thermofusible en copolyester a une température de fusion d'environ 110°C. Les fibres chimiques bi-composant ont un titre unitaire compris entre 10 2 deniers environ et 4 deniers environ. II) sur une carde conventionnelle, on réalise un second voile de fibres chimiques à surface thermofusible, similaire au premier voile. III) sur le premier voile de fibres à surface thermofusible, on dépose une ou plusieurs mèches éclatées de fils de verre continus, en leur donnant toutes 15 orientations aléatoires et en plusieurs épaisseurs. Les fils de verre continus sont formés d'un assemblage de 40 filaments ayant un diamètre unitaire d'environ 15 pm, les fils ayant un titre unitaire d'environ 50 tex. IV) on dépose le second voile sur la face opposée de la couche intérieure 2. 20 V) l'ébauche de renfort de moulage ainsi réalisée est introduite au moyen d'un tapis transporteur dans une aiguilleteuse. La densité des aiguilles est de 10 / cm2. La profondeur de pénétration des aiguilles est de 12 mm. La vitesse de défilement du tapis est de 20 m / minute. VI) après l'opération d'aiguilletage léger, l'ébauche de renfort de 25 moulage est introduite dans un four à air traversant comportant une partie chauffante de 12 m de longueur et une vitesse de défilement de 20 m / minute. La température du four à air traversant est d'environ 120°C. VII) en sortie du four à air traversant, on procède à un calandrage à froid qui donne au renfort de moulage 1 son épaisseur finale qui est voisine de 30 4 à 5 mm. Le grammage du renfort de moulage 1 est compris entre 400 et 1 800 g/m2 environ. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et 35 généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS1 û Renfort de moulage en nappe à base de fibres, comprenant : - une couche intérieure (2) épaisse et aérée à base de fibres, - des couches externes (3, 4) disposées de part et d'autre de la couche intérieure (2), - les couches externes (3, 4) comprenant des tronçons de fibres (3a, 4a) à surface thermofusible, - certains au moins (3b, 4b) des tronçons (3a, 4a) de fibres à surface thermofusible pénétrant selon une partie de leur longueur dans la couche intérieure (2) et adhérant partiellement entre eux et aux fibres de la couche intérieure (2), caractérisé en ce que la couche intérieure (2) comprend des fibres de type fils de verre continus (2a) se développant en orientations aléatoires et en plusieurs épaisseurs. 2 û Renfort de moulage selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 les fils de verre continus (2a) sont répartis en au moins une mèche (5) éclatée de fils de verre continus. 3 û Renfort de moulage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mèche (5) de fils de verre continus a un titre de 2 400 à 4 800 tex environ. 4 û Renfort de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 20 caractérisé en ce que les fils de verre continus (2a) sont formés d'un assemblage de filaments ayant un diamètre unitaire compris entre environ 14 pm et environ 17 pm. 5 û Renfort de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fils de verre continus (2a) ont un titre unitaire de 40 à 25 80 tex environ. 6 û Renfort de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, entre la couche intérieure (2) et l'une au moins des couches externes (3, 4), une couche intermédiaire (9, 10) à base de fibres de verre coupées. 30 7 û Renfort de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il présente un grammage compris entre 400 et 1 800 g/m2. 8 û Renfort de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est en forme de bande continue conditionnée en bobine. 9 û Procédé de fabrication d'un renfort de moulage selon l'une 35 quelconque des revendications 1 à 8, comprenant les étapes de : a) prévoir un premier voile (3) de fibres chimiques à surface thermofusible, 5478FDEP.doc 2949238 11 b) sur le premier voile (3) de fibres chimiques à surface thermofusible, déposer une ou plusieurs mèches éclatées de fils de verre continus, en leur donnant toutes orientations aléatoires et en plusieurs épaisseurs, pour former une couche intérieure (2) de fils de verre continus, 5 c) déposer, sur la couche intérieure (2) de fils de verre continus, un second voile (4) de fibres chimiques à surface thermofusible, d) effectuer un aiguilletage léger double face pour faire pénétrer des tronçons (3b, 4b) de fibres à surface thermofusible de chacun des voiles (3, 4) dans la couche intérieure (2), 10 e) chauffer l'ensemble à une température suffisante pour ramollir et rendre collantes les fibres à surface thermofusibles, f) calandrer à froid l'ensemble.