Brevet FR3021900A1 — publié le 20151211

Méthode de pultrusion de profilé composite et installation de mise en oeuvre La présente invention se rapporte à une méthode de pultrusion de profilé composite et à une installation visant à mettre en oeuvre ladite méthode. Des méthodes connues permettent de réaliser des profilés composites par pultrusion. Les profilés composites présentent une matrice faite d'un matériau polymère et un matériau de renfort, fait par exemple de fibres étendues à l'intérieur de la matrice. Des renforts textiles ou des mats peuvent également être mis en oeuvre. Aussi, on fournit des faisceaux de fibres longitudinaux et on empreigne ces faisceaux de fibres d'un matériau polymère, par exemple un matériau thermodurcissable, puis on entraîne et fait converger ces faisceaux de fibres imprégnées à travers une filière, dont l'ouverture de sortie correspond à celle de la section du profilé souhaité. En sortie de filière, le matériau polymère thermodurcissable des fibres imprégnées, ne forme plus qu'un ensemble d'un seul bloc, tandis que les faisceaux de fibres s'étendent longitudinalement à l'intérieur de cet ensemble. Le profilé ainsi préformé est alors entraîné à travers un dispositif de traitement du matériau polymère thermodurcissable, afin précisément de le durcir et d'obtenir un profilé rigide. Les matériaux polymères thermodurcissables sont mis en oeuvre à l'état liquide et leur viscosité est suffisamment faible, par exemple de l'ordre de 1 Pa.s, pour pouvoir conduire à une imprégnation optimale des fibres des faisceaux de fibres. Et partant, on obtient in fine, un profilé pour lequel les fibres des matériaux de renfort sont noyées dans la matrice polymère, sans bulles d'air ni occlusions au niveau de leur interface. De la sorte, le profilé composite présente des propriétés mécaniques optimales. Cependant, les matériaux thermodurcissables sont difficilement recyclables, et il a été imaginé d'utiliser des matériaux polymères thermoplastiques pour réaliser des profilés pultrudés. Ces matériaux peuvent en effet être un grand nombre de fois, portés à leur température de fusion puis refroidis, pour être à nouveau porté à leur température de fusion et refroidis sans que leurs propriétés ne soient durablement altérées. Le matériau est ainsi porté à sa température de fusion pour pouvoir être injecté à l'intérieur d'une chambre d'imprégnation que traversent les faisceaux de fibres, avant d'être entraînés à travers la filière. Les faisceaux de mèches de fibres sont alors imprégnés du matériau polymère thermoplastique en fusion, et ils sont forcés à travers la filière où le polymère qui les imprègne vient former un même ensemble, dont la température diminue. Le polymère durcit alors en sortie de filière et ce refroidissement est accéléré à travers un dispositif réfrigérant adapté, ou filière froide. La chambre d'imprégnation et la filière chaude peuvent faire partie d'un même ensemble, la filière étant installée en aval de la chambre d'imprégnation, ou même être confondues. La viscosité des matériaux polymères thermoplastiques portés à leur température de fusion est relativement élevée, par exemple de l'ordre de 100 Pa.s, et la qualité de l'imprégnation est moindre que celle que l'on obtient avec des polymères thermodurcissables. Les propriétés mécaniques des profilés qui en résultent sont affectées, notamment par la présence de bulles d'air emprisonnées à l'interface entre les fibres et la matrice de matériau polymère. Certains matériaux polymères thermoplastiques présentent une viscosité faible à leur température de fusion. Toutefois, les propriétés mécaniques de ces matériaux sont insuffisantes par rapport à celles requises dans les 20 composites. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est alors de fournir une méthode qui permette de pultruder des profilés présentant des propriétés mécaniques élevées, avec un matériau polymère thermoplastique. Un autre problème que vise à résoudre la présente 25 invention, est aussi de proposer une installation permettant de mettre en oeuvre une telle méthode. Dans ce but, et selon un premier objet, la présente invention propose un procédé de pultrusion de profilé du type comprenant les étapes suivantes : on fournit un matériau polymère thermoplastique en fusion et un matériau de 30 renfort longitudinal ; puis, on fournit une chambre d'imprégnation ; et, on entraîne ledit matériau de renfort longitudinal à travers ladite chambre d'imprégnation, tandis qu'on injecte ledit matériau polymère thermoplastique en fusion à l'intérieur de ladite chambre d'imprégnation pour pouvoir imprégner ledit matériau de renfort longitudinal. Le procédé comprend en outre les étapes suivantes : on fournit un fluide critique porté dans des conditions thermodynamiques voisines du point critique dudit fluide ; et, on injecte ledit fluide critique à travers ledit polymère thermoplastique en fusion de manière à abaisser la viscosité dudit polymère thermoplastique en fusion. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en oeuvre d'un fluide critique, dans des conditions thermodynamiques voisines de celles correspondant au point critique du fluide critique, de manière à provoquer l'abaissement de la viscosité du matériau polymère en fusion à travers lequel il est injecté. Le point critique d'un fluide, correspond à des conditions de température, de pression et de masse volumique, dans lesquelles le fluide n'est pas liquide, et plus précisément, dans lesquelles le point d'une courbe reliant ces trois variables est tel que la transition de phase entre l'état liquide et l'état gazeux est impossible. Le fluide critique joue ainsi le rôle de solvant du polymère. De la sorte, la qualité de l'imprégnation est accrue, et le profilé qui en résulte présente des faisceaux de fibres parfaitement noyés à l'intérieur de la matrice en matériau thermoplastique, sans inclusion de bulles d'air à l'interface entre les fibres et le polymère. Au sortir de la chambre d'imprégnation, les renforts ainsi imprégnés sont tirés à travers la filière pour former le profilé. Partant, les propriétés mécaniques du profilé qui en résulte, sont accrues en comparaison d'un profilé obtenu avec le même procédé, sans injecter de fluide critique. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, ledit fluide critique est porté dans des conditions thermodynamiques supercritiques. Ainsi, à partir du point critique du fluide, où les trois variables, température, pression et masse volumique sont reliées entre elles, l'augmentation d'au moins une de ces variables, permet de le porter dans un état supercritique. Dans ces conditions, l'action du fluide provoque une forte diminution de la viscosité du matériau polymère thermoplastique, et partant, une encore meilleure imprégnation des faisceaux de mèches de fibres par le matériau polymère. Préférentiellement, ledit fluide critique est un gaz. De la sorte, le fluide étant gazeux, dans les conditions de température et de pression atmosphériques, après qu'il a agi sur l'abaissement de la viscosité du matériau polymère thermoplastique, et que sa pression et sa température sont telles qu'il retrouve sa forme gazeuse, il tend à s'échapper du matériau sans produire d'inclusion qui fragiliserait le composite. Par conséquent, le gaz critique, par exemple du dioxyde de carbone, ou bien de l'azote, porté dans des conditions d'un gaz supercritique, agit sur le matériau polymère thermoplastique à l'état fondu pour abaisser sa viscosité durant le processus d'imprégnation, puis s'évacue ensuite du profilé formé lors de son passage dans la filière grâce à un design de filière adapté. On observera que le dioxyde de carbone, et l'azote sont des gaz inoffensifs, qui peuvent alors être libéré dans l'atmosphère sans contrainte, compte tenu des quantités considérées. Selon un mode de réalisation de l'invention particulièrement avantageux, on injecte ledit fluide critique à travers ledit polymère thermoplastique en fusion avant d'injecter ledit matériau polymère thermoplastique en fusion à l'intérieur de ladite chambre d'imprégnation. De la sorte, le matériau polymère thermoplastique en fusion voit sa viscosité abaissée avant d'être injecté dans la chambre d'imprégnation. Et partant, le matériau de renfort longitudinal s'imprègne intimement du matériau polymère dès leur mise en contact. Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit matériau de renfort longitudinal comprend une pluralité de mèches de fibres. Par exemple, ces mèches de fibres sont installées respectivement sur des bobines elles-mêmes montées dans un cantre, en amont de la chambre d'imprégnation et d'une filière, comme on l'expliquera ci-après. Ledit matériau de renfort peut prendre la forme de tissus, multiaxiaux, tricots, ou encore de tresses par exemple, ou bien d'une combinaison de ces différents types d'arrangements de renfort. Selon un autre aspect, la présente invention propose une installation de pultrusion de profilé comprenant, d'une part un dispositif d'extrusion pour pouvoir fournir un matériau polymère thermoplastique en fusion, et un support pour pouvoir supporter un matériau de renfort longitudinal ; et d'autre part une chambre d'imprégnation située en aval dudit dispositif d'extrusion et dudit support, de manière à pouvoir entraîner ledit matériau de renfort longitudinal à travers ladite chambre d'imprégnation, tandis qu'on injecte ledit matériau polymère thermoplastique en fusion à l'intérieur de ladite chambre d'imprégnation pour imprégner ledit matériau de renfort longitudinal. Elle comprend en outre, un dispositif d'injection d'un fluide critique porté dans des conditions thermodynamiques voisines du point critique dudit fluide, pour pouvoir injecter ledit fluide critique à travers ledit polymère thermoplastique en fusion, de manière à abaisser la viscosité dudit polymère thermoplastique en fusion. Ainsi, le dispositif d'injection de fluide critique permet-il d'injecter un fluide porté dans des conditions thermodynamiques voisines du point critique dudit fluide dans le polymère thermoplastique en fusion, de manière à en diminuer la viscosité, avec les avantages qui en découlent en matière d'imprégnation du matériau support, comme on l'a déjà expliqué dans ce qui précède. Avantageusement, ledit dispositif d'injection comprend des organes de chauffage et de pressurisation pour pouvoir porter ledit fluide critique dans des conditions thermodynamiques supercritiques. Les avantages découlant de l'injection du fluide supercritique en termes d'abaissement de la viscosité du polymère ont également déjà été énoncées ci-dessus. Aussi, ledit dispositif d'injection est relié au seul dispositif d'extrusion. De la sorte, on peut injecter ledit fluide critique à travers ledit polymère thermoplastique en fusion avant d'injecter ledit matériau polymère thermoplastique en fusion à l'intérieur de ladite chambre d'imprégnation. Selon un mode de réalisation, l'installation comprend une filière de conformation d'un profilé située en aval de ladite chambre d'imprégnation. De la sorte, au sortir de la chambre d'imprégnation, le matériau longitudinal imprégné est tiré à travers la filière pour former le profilé. Au surplus, et selon un mode préféré de réalisation de l'invention, l'installation comprend un organe de pompage installé entre ledit dispositif d'extrusion et ladite chambre d'imprégnation. L'organe de pompage, par exemple une pompe à engrenage, permet de contrôler le débit de matériau polymère injecté dans la chambre d'imprégnation, en fonction de la vitesse d'avancement du matériau de renfort. Toutefois, la mise en oeuvre d'une pompe à engrenages n'est pas absolument nécessaire en toutes circonstances. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est un synoptique de l'installation de pultrusion de profilé selon l'invention ; et, - la Figure 2 est une vue schématique de détail de l'installation de pultrusion. La Figure 1 illustre un synoptique d'une installation de pultrusion 10 conforme à l'invention, permettant de réaliser des profilés composites. On décrira tout d'abord en détail les éléments de l'installation avant d'en décrire le fonctionnement. L'installation de pultrusion 10, illustrée schématiquement, comprend une chambre d'imprégnation 12 présentant une entrée 14 et une sortie opposée 16. En amont de la chambre d'imprégnation 12, sont installés, un cantre 18 supportant une pluralité de bobines de mèches de fibres et une vis d'extrusion 20. Les bobines, peuvent également être garnies de tissus, de tresses, de multiaxiaux ou bien encore de tricots, ou tout autre matériau fibreux longitudinal, ou encore d'une combinaison de ces différents agencements de fibres. En aval de la chambre d'imprégnation 12, une filière 22, dite filière chaude, est installée à la sortie 16 de la chambre d'imprégnation 12. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la chambre d'imprégnation 12 et la filière 22, constituent un même ensemble. Et en aval de la filière 22, à l'opposé de la filière 22, une paire d'organes d'entraînement 24 est installée à distance. En outre, entre la filière 22 et la paire d'organes d'entraînement 24, dans le prolongement de la filière 22, est installée une filière froide 26 réfrigérée, dont on expliquera ci-après les caractéristiques et la fonction. La filière froide 26 peut également être accolée à la filière 22, dite filière chaude. De plus, et c'est une caractéristique de l'invention, l'installation de pultrusion 10 comprend un dispositif d'injection 28 d'un fluide critique porté dans des conditions thermodynamiques voisines du point critique dudit fluide. Le fluide critique est injecté, selon une première variante d'exécution, directement dans le fourreau, par exemple en différentes positions dudit fourreau. Selon une deuxième variante, le fluide critique est injecté par l'intermédiaire d'une vis d'extrusion creuse, à travers un ou plusieurs orifices pratiqués dans la vis d'extrusion en différentes positions. Quelque soit le mode d'injection, le fluide critique doit être injecté dans une zone de la vis d'extrusion où le polymère et déjà à l'état fondu. Le dispositif d'injection 28 est équipé d'un dispositif de chauffage et d'un dispositif de pressurisation, pour chauffer et pressuriser le fluide. Le dispositif d'injection 28 est directement relié à la vis d'extrusion 20. Le fluide utilisé est par exemple de l'azote ou, comme en l'espèce, du dioxyde de carbone. On choisira, préférentiellement, des composés gazeux aux températures et pression atmosphériques, et des gaz inoffensifs pouvant être relâchés dans l'atmosphère. Au surplus, on choisira des gaz pour lesquels, les températures et pression critiques sont les plus faibles possibles et requièrent ainsi le moins d'énergie. Le dioxyde de carbone présente ces avantages, et est au surplus disponible à un coût très avantageux. Selon l'exemple présenté ici, le point critique du dioxyde de carbone est atteint pour une température de 31,1°C et une pression de 74 bar. On expliquera plus en détail dans la suite de la description en référence à la Figure 2, le mode de coopération du dispositif d'injection 28 et de la vis d'extrusion 20. Les mèches de fibres précitées, respectivement enroulées sur les bobines de la pluralité de bobines, constituent le matériau de renfort longitudinal. Les mèches de fibres sont guidées en faisceau 29 pour converger vers l'entrée 14 de la chambre d'imprégnation et ensuite, à l'intérieur de la chambre d'imprégnation 12, pour être maintenues sensiblement parallèlement entre elles à la sortie 16 de la chambre d'imprégnation 12. Parallèlement, la vis d'extrusion 20 permet d'injecter un polymère thermoplastique à l'état fondu, à l'intérieur de la chambre d'imprégnation 12. La Figure 2 illustre schématiquement la vis d'extrusion 20 et le dispositif d'injection 28 du dioxyde de carbone en phase supercritique. On y retrouve également la filière 22, la chambre d'imprégnation 12, se situant en arrière de la filière 22. La filière 22 définit ici un profilé dont la section droite est en oméga inversé. Aussi, les mèches de fibres sont guidées selon une direction perpendiculaire au plan de la Figure 2, à travers la filière 22 et uniformément réparties dans l'espace défini par la section droite de la filière 22. La filière peut bien évidemment prendre une toute autre forme, pour réaliser, par exemple, des profilés en U ou en T, ou encore sous forme de tube. Selon le mode de réalisation représenté sur la Figure 2, l'installation comporte en outre une pompe à engrenage 30 située entre la vis d'extrusion 20 et la chambre d'imprégnation 12. La mise en oeuvre d'une telle pompe est facultative et on expliquera sa fonction ci-après. La vis d'extrusion 20 comporte un fourreau chauffant 32 s'étendant longitudinalement en direction de la chambre d'imprégnation 12, et une vis sans fin 34 s'étendant à l'intérieur du fourreau 32. De plus, le fourreau chauffant 32 est alimenté en matériau polymère sous forme pulvérulente, poudre ou de granulés au moyen d'une trémie 36 située en amont du fourreau chauffant 32. En aval, le fourreau chauffant 32 présente un nez d'injection 35 débouchant ici dans la pompe à engrenage 30. S'agissant du dispositif d'injection 28, il présente un injecteur 38 débouchant à l'intérieur du fourreau chauffant 32. Ainsi, selon un exemple de réalisation, on charge la trémie 36 de polypropylène, de grade « injection », sous forme de granulés. Ce matériau polymère est semi-cristallin et sa température de fusion est d'environ 165°C. Le fourreau chauffant 32 est porté à une température comprise entre 240°C et 260°C, tandis que la vis sans fin 34 est entraînée en rotation. Ainsi, le matériau polymère thermoplastique est fondu et forme une seule phase liquide à mesure que la vis sans fin 34 l'entraîne, de la trémie 36 vers le nez d'injection 35. On peut aussi utiliser une machine d'extrusion de type bi-vis et utiliser alors un doseur qui alimente l'extrudeuse bi-vis. La viscosité du polypropylène porté dans cette phase à l'état fondu est usuellement comprise entre 100 Pa.s et 500 Pa.s. Or, grâce à l'injection du dioxyde de carbone porté à son point critique, c'est-à-dire à une pression d'au moins 74 bar et une température d'au moins 31 °C, à l'intérieur du fourreau 32, on fait chuter la viscosité du polypropylène entraîné à l'intérieur du fourreau 32 afin de pouvoir l'injecter à travers des faisceaux de fibres de renfort dans la filière chaude. Idéalement, la viscosité est abaissée à une valeur voisine de celle des polymères thermodurcissables. Par exemple, on abaisse la viscosité du polypropylène, de manière à la porter à une valeur inférieure à 10 Pa.s. L'espace d'écoulement situé entre la paroi interne du fourreau chauffant 32 et la surface externe de la vis sans fin 34, est celui de l'écoulement du polypropylène en fusion, et il est à la fois confiné et relativement étanche ainsi que chaud. De la sorte, dès après le mélange du dioxyde de carbone en phase supercritique et du polymère fondu, les propriétés de viscosité qu'il lui confère persistes jusqu'au nez d'injection 35, et au delà. La pompe à engrenage 30, ainsi alimentée de polypropylène en fusion, va permettre de contrôler le débit de polypropylène déversé à l'intérieur de la chambre d'imprégnation 12. Et ce débit doit être ajusté avec la vitesse d'entraînement des mèches de fibres à l'intérieur de la chambre d'imprégnation 12. Ainsi, à mesure que les mèches de fibres sont entraînées longitudinalement à l'intérieur de la chambre d'imprégnation 12, le polypropylène à l'état fondu, avec une viscosité abaissée grâce au dioxyde de carbone à l'état supercritique, va venir imprégner parfaitement les mèches de fibres. Autrement dit, le polymère est plus fluide qu'il ne le serait sans injection de fluide supercritique, et partant, il s'insère plus aisément dans les interstices définis par les mèches de fibres. Les mèches de fibres ainsi imprégnées sont ensuite entraînées et compactées à travers la filière 22, laquelle définit la section droite du profilé 40 qui est tiré vers l'extérieur de la filière 22 grâce à la paire d'organes d'entraînement 24. En outre, le profilé 40 est entraîné dans son prolongement à traves la filière froide 26 pour le refroidir et parfaire les dimensions de sa section droite. Ainsi, grâce à l'imprégnation intime du polypropylène fondu avec les mèches de fibres, et ce grâce à la très faible viscosité qu'il atteint par l'injection de dioxyde de carbone au point critique ou au-delà, les mèches de fibres sont noyées dans la masse de polymère. Le profilé 40 qui en résulte ne présente aucune occlusion d'air, notamment à l'interface avec les mèches de fibres et ses propriétés mécaniques sont maximales, en comparaison d'un profilé obtenu par une méthode similaire sans mise en oeuvre du dioxyde de carbone. Le matériau polymère utilisable ne se limite pas au polypropylène, mais s'étend au contraire à bien d'autres polymères thermoplastiques comme le PA, PBT, PUTP, PE, PP, PS, PVC, PEI, PEEK, PEKK, PPS. S'agissant du fluide critique, l'utilisation d'un autre fluide tel que l'azote ou encore un autre fluide est prévu. Aussi, s'agissant du matériau de renfort, des fils ou même des textiles peuvent également être mis en oeuvre. REVENDICATIONS1. Procédé de pultrusion de profilé du type comprenant les étapes suivantes : - on fournit un matériau polymère thermoplastique en fusion et un matériau de renfort longitudinal ; - on fournit une chambre d'imprégnation (12) ; et, - on entraîne ledit matériau de renfort longitudinal à travers ladite chambre d'imprégnation (12), tandis qu'on injecte ledit matériau polymère thermoplastique en fusion à l'intérieur de ladite chambre d'imprégnation (12) pour pouvoir imprégner ledit matériau de renfort longitudinal ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : - on fournit un fluide critique porté dans des conditions thermodynamiques voisines du point critique dudit fluide ; et, - on injecte ledit fluide critique à travers ledit polymère thermoplastique en fusion de manière à abaisser la viscosité dudit polymère thermoplastique en fusion. 2. Procédé de pultrusion selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit fluide critique est porté dans des conditions thermodynamiques 20 supercritiques. 3. Procédé de pultrusion selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit fluide critique est un gaz. 4. Procédé de pultrusion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on injecte ledit fluide critique à travers ledit polymère 25 thermoplastique en fusion avant d'injecter ledit matériau polymère thermoplastique en fusion à l'intérieur de ladite chambre d'imprégnation. 5. Procédé de pultrusion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit matériau de renfort longitudinal comprend une pluralité de mèches de fibres. 30 6. Installation de pultrusion de profilé comprenant, d'une part un dispositif d'extrusion (20) pour pouvoir fournir un matériau polymère thermoplastique en fusion, et un support (18) pour pouvoir supporter un matériau de renfort longitudinal ; et d'autre part une chambre d'imprégnation(12) située en aval dudit dispositif d'extrusion (20) et dudit support (18), de manière à pouvoir entraîner ledit matériau de renfort longitudinal à travers ladite chambre d'imprégnation (12), tandis qu'on injecte ledit matériau polymère thermoplastique en fusion à l'intérieur de ladite chambre d'imprégnation (12) pour imprégner ledit matériau de renfort longitudinal ; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, un dispositif d'injection (28) d'un fluide critique porté dans des conditions thermodynamiques voisines du point critique dudit fluide, pour pouvoir injecter ledit fluide critique à travers ledit polymère thermoplastique en fusion, de manière à abaisser la viscosité dudit polymère thermoplastique en fusion. 7. Installation de pultrusion selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit dispositif d'injection (28) comprend des organes de chauffage et de pressurisation pour pouvoir porter ledit fluide critique dans des conditions thermodynamiques supercritiques. 8. Installation de pultrusion selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que ledit dispositif d'injection(28) est relié au seul dispositif d'extrusion (20). 9. Installation de pultrusion selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend une filière de conformation (22) d'un profilé (40) située en aval de ladite chambre d'imprégnation (12). 10. Installation de pultrusion selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un organe de pompage (30) installé entre ledit dispositif d'extrusion (20) et ladite chambre d'imprégnation (12).25