Brevet FR2970257A1 — publié le 20120713

Matériau composite injectable renforcé par des fibres naturelles La présente invention concerne un matériau composite renforcé, notamment pour la fabrication de pièces dans le domaine automobile. Dans le cadre d'une recherche de réduction de la pression d'un produit sur les ressources et l'environnement tout au long de son cycle de vie, de l'extraction des matières premières jusqu'à son traitement en fin de vie, l'utilisation de matériaux verts issus du monde végétal est particulièrement recherchée. Ainsi, il est connu de WO 2006/108256 d'associer des fibres de chanvre à un 10 polymère thermoplastique, notamment un polypropylène, pour préparer un matériau injectable. Les matériaux composites obtenus sont intéressants mais leurs propriétés présentent encore des limites, notamment en matière de résistance aux chocs. Par ailleurs, ils ne répondent pas toujours aux exigences spécifiques au domaine automobile 15 comme les exigences en matière d'odeur automobile. Aussi, le but de la présente invention est de proposer un tel matériau composite amélioré, notamment au niveau de la résistance aux chocs, comparé au polypropylène à charge minérale. Ce but est atteint selon l'invention par un matériau composite comprenant : 20 (a) 28 à 95 % en poids d'un copolymère polypropylène-polyéthylène ; (b) 0 à 10 % en poids de polypropylène homopolymère ; (c) 1 à 20 % en poids d'un modifiant choc ; (d) 1 à 20 % en poids d'un agent compatibilisant ; et (e) 3 à 70 % en poids de fibres naturelles, 25 dans lequel le copolymère polypropylène-polyéthylène forme une matrice. Un tel matériau permet de par son profil technique, notamment en matière de résistance aux chocs, d'atteindre un gain de masse de 3 à 50% comparé au polypropylène à charge minérale conventionnel, avec une réduction d'épaisseur des pièces obtenues par injection, injection basse pression, haute pression, injection 30 compression et surmoulage. A titre d'exemple, l'épaisseur d'une pièce injectée de 2,5mm peut être réduite de 0,5 mm, soit un gain de masse de 25%. On entend dans le présent exposé par le terme « matériau composite » couvrir les matériaux hétérogènes associant plusieurs types de matière qui ne se mélangent pas. Particulièrement visés sont les matériaux composites composés de polymères à base 35 d'hydrocarbures et généralement obtenus par voie synthétique à partir de pétrole et de polymères à base de carbohydrates, avec des extraits ou dérivés de produits naturels. Particulièrement visés sont des matériaux associant un polymère polyoléfinique avec des fibres d'origine naturelles telles que définies ci-après. Les différentes phases d'un matériau composite peuvent être détectées sous le microscope optique. On entend par le terme « copolymère », par opposition au terme « homopolymère », désigner un polymère issu de la copolymérisation d'au moins deux types de monomère, chimiquement différents, appelés comonomères. Les copolymères obtenus par la copolymérisation de deux monomères sont parfois appelés bipolymères, ceux obtenus à partir de trois monomères terpolymères et ceux obtenus à partir de quatre monomères quaterpolymères. Le copolymère est donc formé d'au moins deux motifs de répétition. Suivant la manière dont les motifs de répétition sont répartis dans les chaînes macromoléculaires, on distingue les copolymères à enchaînement aléatoire, alterné et statistique et les copolymères séquencés ou copolymères blocs. Par ailleurs, on connaît des copolymères issus de greffage. On entend par le terme « modifiant choc » couvrir les agents ajoutés à un matériau en vue d'améliorer les propriétés au niveau de la résistance aux chocs. Ces modifiants sont des polymères ou des molécules qui forment des systèmes multiphasés avec la matrice ou qui réagissent chimiquement avec la matrice, améliorant ainsi sa résilience. On entend par le terme « agent compatibilisant » viser les composés présentant deux extrémités de structure chimique différente ayant respectivement une affinité particulière pour deux composantes d'un matériau hétérogène permettant de ce fait d'améliorer la compatibilité entre ces deux composantes. On entend par le terme « fibres naturelles » viser des matériaux fibreux issus de matières d'origine végétale ou animale. Enfin, on entend par le terme « matrice » désigner dans un matériau composite la phase continue dans laquelle les autres composantes se trouvent dispersées. Généralement, mais pas toujours, la matrice est formée par la composante présente en proportion majoritaire. Le matériau composite selon l'invention contient à titre de matrice un copolymère polypropylène-polyéthylène. En effet, il s'avère que ce copolymère confère au matériau composite de l'invention une résistance aux chocs supérieure à ceux traditionnellement utilisés, comportant une matrice en polypropylène. De préférence, le matériau composite présente, à sa température de transformation spécifique, une viscosité allant de 5 Pa.s à 1000Pa.s dans une gamme de vitesse de cisaillement spécifique à l'injection allant de 100s' à 50 OOOs'. Grâce à cette caractéristique, le matériau composite est injectable. II est alors utilisable dans la plupart des procédés d'injection connus, comme par exemples l'injection basse pression, haute pression, l'injection sandwich, la bi-injection, l'injection compression et le surmoulage. La température de transformation spécifique est la température à laquelle le matériau est suffisamment fluide pour pourvoir être injecté dans une cavité (par exemple entre 220 et 240°C pour les polypropylènes et entre 260 et 280°C pour les polycarbonates (PC) et les polymères acrylonitrile butadiène styrène (ABS)). Cette température de transformation spécifique est propre à chaque matériau. Particulièrement préférés sont les matériaux composites comportant une matrice à base de ces copolymères comportant 10 à 90 % molaires de motifs d'éthylène. Le matériau composite comporte par ailleurs de 0 à 10 % en poids de polypropylène homopolymère, à titre d'agent de fluidité. Le matériau selon l'invention contient en outre 1 à 20% en poids, de préférence 2 à 10 et tout particulièrement 4 à 8 % en poids de modifiant choc. L'addition du modifiant choc permet d'augmenter la résistance aux chocs du matériau composite de jusqu'à 200%. Le modifiant choc est de préférence un composé élastomérique, notamment choisi parmi le groupe constitué par le monomère éthylène- propylène-diène (EPDM), le monomère éthylène-propylène (EPM), le caoutchouc éthylène-propylène (EPR), les polyoléfines élastomères (POE), les copolymères et terpolymères à base d'éthylène et de propylène, le caoutchouc de nitrile - butadiène (NBR), l'isobutylène (IB), le caoutchouc chloré, le poly(styrène-butadiène-styrène (SBS), le copolymère styrène-éthylène-butènestyrène (SEBS), le caoutchouc isobutylène-isoprène (IIR), le copolymère styrène- isoprène-styrène (SIS), le polyéthylène chloré (CM), l'isoprène, l'éthylène-butène, leurs mélanges et dérivés, notamment greffés par du acide maléique et/ou de l'anhydride d'acide maléique. Le matériau composite selon l'invention comprend par ailleurs 1 à 20%, de préférence 5 à 15 % en poids d'un agent compatibilisant. L'agent compatibilisant assure une bonne affinité entre les fibres et les autres ingrédients du matériau, notamment la matrice polymère et permet ainsi l'obtention d'un mélange homogène. A titre d'agent compatibilisant, il peut être envisagé notamment un composé choisi parmi les polyoléfines greffées par des groupes polaires. A titre de polyoléfines, on peut notamment envisager l'utilisation de (co)polymères du polypropylène. Particulièrement préférés sont les polyoléfines greffées par un acide carboxylique ou un de ses esters ou anhydrides. Parmi les acides carboxyliques utiles pour le greffage, on peut mentionner notamment l'acide maléique et l'anhydride maléique. Le matériau composite selon l'invention contient en outre 3 à 70 %, de préférence 5 à 40% et tout particulièrement 10 à 30% en poids de fibres naturelles. Même en présence de ces fibres naturelles, le matériau reste injectable. Les fibres naturelles sont de préférence choisis dans le groupe constitué par le coton, le lin, le chanvre, le chanvre de Manille ou l'abaca, le bananier, le jute, la ramie, le raphia, le sisal, le genêt, la laine, l'alpaga, le mohair, le cachemire, l'angora, la soie, le bambou, le miscanthus, le kenaf, le coco, l'agave, le sorgo, le switch-grass et le bois. La longueur des fibres naturelles peut varier largement, selon les applications envisagées pour le matériau composite. Pour la fabrication de pièces intérieures pour l'automobile, on utilise de préférence des fibres dont la longueur moyenne est comprise entre 0,1 et 10 mm. Les fibres sont de préférence utilisées après séchage à une teneur en eau inférieure à 5% en poids. Elles peuvent ensuite être soumis à un traitement de surface afin d'augmenter la compatibilité avec la matrice, en particulier avec des silanes. Selon un second aspect, l'invention vise un procédé de préparation du matériau composite décrit ci-dessus comprenant les étapes consistant à : (i) introduction des composantes polymériques (a) à (d) et d'au moins une partie de la composante (e) dans un dispositif de mélange approprié ; (ii) fusion et mélange desdites composantes dans le dispositif de mélange; (iii) le cas échéant, introduction du reste de la composante (e) dans le mélange ; (iv) fusion et mélange final des composantes ; et (v) granulation. De préférence, les étapes (i) à (v) sont réalisées dans une extrudeuse à vis. Selon un troisième aspect, l'invention concerne l'utilisation du matériau composite décrit pour la fabrication de pièces par injection, notamment destinées à l'intérieur d'automobiles. L'injection de pièces en utilisant le matériau composite décrit peut être réalisée de manière conventionnelle, par exemple comme suit. La matière plastique sous forme de granulé est introduite dans une vis de plastification chauffée et régulée en température et ramollie sous l'action conjuguée de la vis et de la température pour atteindre à l'avant de la vis un état visqueux, constituant la réserve de matière prête à être injectée. La matière présente à l'avant de la vis de plastification est ensuite injectée sous forte pression à l'intérieur d'un moule (ou cavité) présentant la forme de la pièce souhaitée et dont la température est inférieure à la température de transformation. Une pression constante est appliquée pendant un temps déterminé afin de continuer à alimenter les empreintes afin de palier au retrait de la matière durant son refroidissement. La pièce est ensuite refroidie durant quelques secondes puis éjectée. L'invention sera expliquée plus en détail au moyen des exemples qui suivent, donnés à titre purement illustratif. EXEMPLE Dans une extrudeuse à bivis, on introduit par une première trémie 39 kg un copolymère de propylène et d'éthylène, 8 kg de polypropylène (MFI 400) et, à titre d'additif 20 kg d'un modifiant choc (EP5 1060 vendu par la société HIFAX) et 3 kg d'un compatibilisant puis 30 kg de fibres de chanvre rouies, dont la moitié est introduit au moyen d'une seconde trémie située en aval. Les composantes et leurs proportions respectives sont indiquées dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1 : Composition du matériau composite Composante Proportion [% en poids] Copolymère de propylène - éthylène 39 Polypropylène 8 Modifiant choc 20 Compatibilisant 3 Fibres naturelles 30 Le mélange est soumis à un compoundage par extrusion dans les conditions suivantes : Température : 180°C Pression : 5 à 30 bars On obtient le matériau composite sous forme de granulés susceptibles d'être utilisés pour la fabrication de pièces par injection. La formulation du matériau composite permet d'obtenir un matériau présentant un profil technique supérieur aux matériaux standards, ce qui permet une réduction de l'épaisseur des pièces de 2,5 mm à 2mm. Compte tenu de la réduction de densité par ailleurs du matériau selon l'invention par rapport au matériau standard, le gain de masse atteint environ 25%. Le tableau ci-dessous rassemble les propriétés clés du composite préparé. Tableau 2 : Profil de propriétés mécaniques, thermiques, et rhéologiques Propriétés Unité Valeur Module d'élasticité à 23°C (ISO527) MPa 2900 Résistance à l'impact selon Izod à 23°C (ISO180)] kJ/m2 6 HDT A (1,8 MPa) (ISO 75) °C 80 HDT B (0,45 MPa) (ISO 75) °C 135 Longueur d'écoulement en spirale] Cm 80 Ces propriétés permettent d'utiliser ce matériau composite pour fabriquer des pièces destinées à l'habillage intérieur d'automobiles. REVENDICATIONS1.- Matériau composite comprenant : (a) 28 à 95 % en poids d'un copolymère polypropylène-polyéthylène ; (b) 0 à 10 % en poids de polypropylène homopolymère ; (c) 1 à 20 % en poids d'un modifiant choc ; (d) 1 à 20 % en poids d'un agent compatibilisant ; et (e) 3 à 70 % en poids de fibres naturelles, dans lequel le copolymère polypropylène-polyéthylène forme une matrice. 2. Matériau composite selon la revendication 1, présentant, à sa température de transformation spécifique, une viscosité allant de 5 Pa.s à 1000Pa.s dans une gamme de vitesse de cisaillement spécifique à l'injection allant de 100s' à 50 OOOs'. 3. Matériau composite selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le copolymère polypropylène-polyéthylène comporte 10 à 90 % molaires d'éthylène. 4. Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le 20 modifiant choc est choisi parmi le groupe constitué par le monomère éthylène- propylène-diène (EPDM), le monomère éthylène-propylène (EPM), le caoutchouc éthylène-propylène (EPR), les polyoléfines élastomères (POE), les copolymères et terpolymères à base d'éthylène et de propylène, le caoutchouc de nitrile - butadiène (NBR), l'isobutylène (IB), le caoutchouc chloré, le poly(styrène-butadiène-styrène (SBS), le copolymère 25 styrène-éthylène-butène-styrène (SEBS), le caoutchouc isobutylène-isoprène (IIR), le copolymère styrène-isoprène-styrène (SIS), et polyéthylène chloré (CM), l'isoprène, l'éthylène-butène, leurs mélanges et dérivés, notamment greffés par du acide maléique et/ou de l'anhydride d'acide maléique. 30 5. Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'agent compatibilisant est choisi dans le groupe constitué par les polyoléfines greffées par un acide carboxylique ou un de ses esters ou anhydrides. 6. Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les fibres 35 naturelles sont choisis dans le groupe constitué par le coton, le lin, le chanvre, le chanvre de Manille ou l'abaca, le bananier, le jute, la ramie, le raphia, le sisal, le genêt, la laine,15l'alpaga, le mohair, le cachemire, l'angora, la soie, le bambou, le miscanthus le kenaf, le coco, l'agave, le sorgo, le switch-grass et le bois. 7. Matériau composite selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant 10 à 30 % en poids de fibres naturelles. 8. Procédé de préparation d'un matériau composite selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes consistant à : (i) introduction des composantes polymériques (a) à (d) et d'au moins une partie de la composante (e) dans un dispositif de mélange approprié ; (ii) fusion et mélange desdites composantes dans le dispositif de mélange; (iii) le cas échéant, introduction du reste de la composante (e) dans le mélange ; (iv) fusion et mélange final des composantes ; et (v) granulation. 9. Procédé de préparation selon la revendication 8, dans lequel les étapes (i) à (v) sont réalisées dans une extrudeuse à vis. 10. Utilisation du matériau composite selon l'une des revendications 1 à 7 pour la fabrication de pièces par injection.