Brevet FR3026978A1 — publié le 20160415

PROCEDE D'ASSOCIATION DE POLYMERES THERMOPLASTIQUES ET THERMODURCISSABLES Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de la mise en oeuvre de matériaux organiques. Plus précisément, la présente invention vise à apporter une solution aux problèmes rencontrés lors d'associations de matériaux thermoplastiques avec des matériaux thermodurcissables. Etat de la technique Les problèmes qui se posent aujourd'hui sont l'introduction de matériaux thermoplastiques dans des matériaux thermodurcissables et l'amélioration des propriétés d'interface entre les deux matériaux lors de la fabrication de structures comprenant des parties avec les deux familles de matériaux. L'incompatibilité des matériaux thermoplastiques avec les matériaux thermodurcissables oblige aujourd'hui les utilisateurs de tels matériaux, lorsqu'ils souhaitent les assembler au sein d'une structure, à utiliser des moyens d'assemblage classiques tels que la fixation mécanique par rivet ou boulon ou encore par collage lorsque les efforts mécaniques à passer entre les pièces de chaque matériau ne sont pas importants. Concernant l'introduction de matériaux thermoplastiques dans des matériaux thermodurcissables il n'existe pas de solutions réellement connues aujourd'hui. Peu de matériaux présentent une technologie d'addition de particules thermoplastiques dans une matrice thermodurcissable. Il en existe un appelé Hexply (marque déposée) M21 E fourni par la société Hexcel et un appelé TORAYCA (marque déposée) 3911-T800 fourni par la société Toray. Cependant, les cycles de mise en oeuvre utilisés pour la création de ces matériaux, ont été mis en place en se basant sur l'expérience des matériaux précédemment utilisés mais n'associant pas les deux familles de matériaux thermodurcissable et thermoplastique. 3026978 2 Il existe donc toujours un besoin d'obtenir un matériau avec des charges thermoplastiques présentant une bonne cohésion avec la matrice thermodurcissable. Exposé de l'invention La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en s proposant une solution qui permet d'améliorer la compatibilité entre deux matériaux en présence en créant une zone d'interphase avec diffusion réciproque des deux matériaux l'un dans l'autre pour augmenter la liaison entre ces deux matériaux. A cet effet, la présente invention concerne selon un premier aspect, un procédé d'assemblage d'un matériau thermoplastique avec un matériau 10 thermodurcissable en utilisant des moyens de chauffage comportant les étapes suivantes : - mesure de la température de fusion du matériau thermoplastique avec détermination de la température de début de fusion Tf1 et la température du pic de fusion Tf2 ; 15 - mesure de l'enthalpie du matériau thermodurcissable avec détermination des températures du début de réaction Tri et du maximum de réaction Tr2 ; - mesure de la viscosité du matériau thermodurcissable avec détermination du temps de gélification du matériau thermodurcissable à différentes 20 températures Tn, Tn étant comprise entre Tri et Tr1+100°C ; - sélection d'une température Tn pour l'assemblage du matériau thermodurcissable avec un matériau thermoplastique en fonction du temps de gélification du matériau thermodurcissable, cette température Tn étant comprise entre la température de début de fusion Tf1 et la température du 25 pic de fusion Tf2 du matériau thermoplastique ; - assemblage du matériau thermoplastique avec le matériau thermodurcissable à la température Tn sélectionnée et pendant un temps supérieur ou égal au temps de gélification du matériau thermodurcissable du matériau thermodurcissable. Cette nouvelle méthode de fabrication permet d'améliorer les propriétés d'interface entre les deux matériaux et ainsi de proposer des assemblages de pièces 3026978 3 de différente nature simultanément lors des phases de fabrication des pièces. Ce nouveau procédé permet donc de réduire les coûts globaux de réalisation de la structure finale. Dans des modes de réalisation, le procédé comporte, lorsque les plages de 5 températures du matériau thermodurcissable et du matériau thermoplastique ne sont pas compatibles, une étape d'assemblage selon ledit procédé d'un desdits matériaux avec un troisième matériau intermédiaire, thermoplastique ou thermodurcissable, possédant une gamme de températures compatible avec les gammes des deux autres. 10 Selon un autre aspect, la présente invention vise un matériau mixte thermoplastique et thermodurcissable obtenu par le procédé objet de la présente invention. Les avantages d'un tel matériau sont qu'il permet d'éviter la propagation intempestive de microfissures lors du chargement mécanique du matériau ou lors de 15 cyclage thermique de grande amplitude. Les propriétés de tenus en fatigue ou de résistance à la microfissuration seront améliorées. De plus, la limitation de la propagation de la microfissuration facilitera les phases de maintenance pour la détection des défauts de type délaminage. Dans des modes de réalisation, le matériau thermodurcissable est choisi 20 parmi un époxyde, un bismaléimide, un polyimide, un cyanate ester et un benzoxazyne. Dans des modes de réalisation, le matériau thermodurcissable est de la résine époxy. Dans des modes de réalisation, le matériau thermodurcissable est de la fibre 25 de carbone. Dans des modes de réalisation, le matériau thermoplastique est choisi parmi un polyamide, un polyetherimide (PEI), un polyethersulfone (PES), un polysulfone, un polyethylene, un polyaryletherketone (PEEK), un polysulfure de phénylène et un polypropylène. 3026978 4 Selon un autre aspect, la présente invention vise l'utilisation d'un matériau mixte objet de la présente invention, comme élément structural. Dans des modes de réalisation le matériau mixte est utilisé comme élément structural en construction aéronautique. 5 Dans des modes de réalisation le matériau mixte est utilisé comme élément structural d'un aéronef. Selon un autre aspect, la présente invention vise un élément structural comportant un matériau mixte objet de la présente invention. Dans des modes de réalisation, il s'agit d'un élément structural d'aéronef qui 10 comporte un matériau mixte objet de la présente invention. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. 15 La Figure 1 illustre un procédéd'assemblage d'un matériau thermoplastique avec un matériau thermodurcissable selon un mode de réalisation de l'invention. La Figure 2 illustre un matériau mixte thermoplastique et thermodurcissable obtenu par le procédé objet de la présente invention selon un mode de réalisation de l'invention. 20 Description détaillée des modes de réalisation La solution proposée par l'invention consiste à sélectionner des matériaux avec une plage de température de mise en oeuvre de telle manière que le début de la plage de fusion du matériau thermoplastique 26 soit compatible avec la plage de température de polymérisation de la matière thermodurcissable 27 (Figure 2). 25 Le principe consiste à mettre en présence les deux matériaux à une température Tn où le matériau thermoplastique 26 commence à fondre avec diffusion des chaines macromoléculaires du thermoplastique 26 dans les chaines macromoléculaires du thermodurcissable 27. Tout en restant à cette même 3026978 5 température Tn, les molécules du thermodurcissable 27 réagissent et forment le réseau thermodurcissable en emprisonnant les macromolécules de thermoplastique formant ainsi une zone d'interphase 28 entre les deux matériaux dont l'épaisseur peut être contrôlée par les conditions de temps de gélification et température Tn 5 utilisées en fonction de la nature chimique des matériaux en présence. La Figure 1 illustre le procédé 20 d'assemblage d'un matériau thermoplastique 26 avec un matériau thermodurcissable 27 selon un mode de réalisation de l'invention. La synthèse du matériau mixte 30 objet de l'invention se fait suivant l'enchainement des étapes suivantes : une première étape consiste à la mesure 21 10 de la température de fusion du matériau thermoplastique 26 avec détermination de la température de début de fusion Tf1 et la température du pic de fusion Tf2. Une seconde étape correspond à la mesure 22 de l'enthalpie du matériau thermodurcissable 27 avec détermination des températures du début de réaction Tr1 et du maximum de réaction Tr2. Dans une troisième étape 23, la viscosité du 15 matériau thermodurcissable 27 est mesurée avec détermination du temps de gélification du matériau thermodurcissable 27 à différentes températures Tn, Tn étant comprise entre Tr1 et Tr1+100°C. Dans une quatrième étape 24, une température Tn est sélectionnée pour l'assemblage du matériau thermodurcissable 27 avec un matériau thermoplastique 20 26 en fonction du temps de gélification du matériau thermodurcissable 27, cette température Tn étant comprise entre la température de début de fusion Tf1 et la température du pic de fusion Tf2 du matériau thermoplastique 26. Enfin, dans une cinquième étape 25, le matériau thermoplastique 26 est assemblé avec le matériau thermodurcissable 27 à la température Tn sélectionnée et 25 pendant un temps supérieur ou égal au temps de gélification du matériau thermodurcissable 27. La solution proposée est mise en oeuvre dans des moyens chauffant traditionnels de fabrication composite (étuve, autoclave,... ). Les cycles thermiques optimisés à réaliser seront déterminés à l'aide de caractérisation physico chimique 30 de type calorimétrie différentielle à balayage ou DSC (« Differential Scanning Calorimetry » en terminologie anglo-saxonne), rhéologie,... 3026978 6 La validation de l'efficacité finale fait appel à des observations morphologiques fines et à des essais mécaniques avec observation de faciès de rupture et analyse qualitative et quantitative des phases en présence sur les faciès de rupture. Le matériau thermoplastique 26 utilisé pour l'assemblage d'un matériau 5 thermoplastique 26 avec un matériau thermodurcissable 27 est choisi parmi toutes les familles de thermoplastiques 26 existantes. Par exemple, le matériau thermoplastique 26 est choisi parmi un polyamide, un polyetherimide (PEI), un polyethersulfone (PES), un polysulfone, un polyethylene, un polyaryletherketone (PEEK), un polysulfure de phénylène et un polypropylène. Les plus couramment 10 utilisés sont les polyamides, les polyethersulfones (PES) et polyetherim ides (PEI). Le matériau thermodurcissable 27 utilisé pour l'assemblage d'un matériau thermoplastique 26 avec un matériau thermodurcissable 27 est choisi parmi toutes les familles de thermodurcissable 27 existantes. Par exemple, le matériau 15 thermodurcissable 27 est choisi parmi un époxyde, un bismaléimide, un polyimide, un cyanate ester et un benzoxazyne. Les plus couramment utilisés sont les epoxydes et bismaléimides Si les plages de températures des matériaux thermodurcissables 27 et thermoplastiques 26 ne sont pas compatibles, c'est-à-dire lorsque Tn, qui est 20 comprise entre Tr1 et Tr1+100°C, ne peut être comprise entre Tf1 et Tf2, alors on utilise un 3ème matériau intermédiaire thermoplastique 26 ou thermodurcissable 27 avec une gamme de températures compatible avec les gammes de températures des deux autres. 25 Exemples de matériaux mixtes thermoplastique et thermodurcissable A titre d'exemple on peut décrire l'association d'un matériau thermodurcissable époxyde/amine (Tr1 de l'ordre de 80°C Tr2 de l'ordre de 240°C) avec un matériau thermoplastique polyamide (Tf1 de l'ordre de 140°C et Tf2 de l'ordre de 215°C). La température d'assemblage Tn est comprise entre 80°C et 180°C pour des temps 3026978 7 d'assemblage étant compris entre quelques heures et quelques minutes. Pour une température de l'ordre de 170°C le temps d'assemblage est de l'ordre de 40 minutes. Un autre exemple est celui de l'association d'un matériau thermodurcissable époxyde/amine avec un matériau thermoplastique PEEK en utilisant comme 5 matériau intermédiaire un PEI. Pour le PEEK la température de début de fusion Tf1 est de l'ordre de 290°C et la température de fusion Tf2 est de l'ordre de 345°C. Pour le PEI il n'y a pas de température de fusion (polymère amorphe) mais une température de transition vitreuse (ramollissement) de l'ordre de 215°C. On réalise alors un assemblage préalable du PEEK et du PEI à une température comprise entre 10 la température de transition vitreuse du PEI et une température supérieure de 60°C à la température de fusion du PEEK. La durée d'assemblage dépend de la température choisie. Le matériau époxyde/amine est ensuite assemblé sur le matériau PEI à une température Tn comprise entre la température Tri de l'ordre de 80°C et la température Tr2 de l'ordre de 180°C. La durée d'assemblage dépend de la 15 température d'assemblage choisie. REVENDICATIONS1. Procédé (20) d'assemblage d'un matériau thermoplastique (26) avec un matériau thermodurcissable (27) en utilisant des moyens de chauffage caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : mesure (21) de la température de fusion du matériau thermoplastique (26) avec détermination de la température de début de fusion Tf1 et la température du pic de fusion Tf2 ; mesure (22) de l'enthalpie du matériau thermodurcissable (27) avec détermination des températures du début de réaction Tr1 et du maximum de réaction Tr2 ; mesure (23) de la viscosité du matériau thermodurcissable (27) avec détermination du temps de gélification du matériau thermodurcissable (27) à différentes températures Tn, Tn étant comprise entre Tri et Tr1 +100°C ; sélection (24) d'une température Tn pour l'assemblage du matériau thermodurcissable (27) avec un matériau thermoplastique (26) en fonction du temps de gélification du matériau thermodurcissable (27), cette température Tn étant comprise entre la température de début de fusion Tf1 et la température du pic de fusion Tf2 du matériau thermoplastique (26) ; assemblage (25) du matériau thermoplastique (26) avec le matériau thermodurcissable (27) à la température Tn sélectionnée et pendant un temps supérieur ou égal au temps de gélification du matériau thermodurcissable (27). 2. Procédé (20) selon la revendication 1, comportant, lorsque les plages de températures des matériaux thermodurcissables (27) et thermoplastiques (26) ne sont pas compatibles, une étape d'assemblage selon ledit procédé (20) d'un desdits matériaux (26, 27) avec un 3ème matériau intermédiaire, thermoplastique (26) ou thermodurcissable (27), possédant une gamme de températures compatible avec les gammes de températures desdits deux autres matériaux (26, 27). 3026978 3. Matériau mixte (30) thermoplastique et thermodurcissable obtenu par le procédé (20) selon une des revendications précédentes. 5 4. Matériau mixte (30) selon la revendication 3, dans lequel le matériau thermodurcissable (27) est choisi parmi un époxyde, un bismaléimide, un polyimide, un cyanate ester et un benzoxazyne. 5. Matériau mixte (30) selon la revendication 4, dans lequel le matériau 10 thermodurcissable (27) est de la résine époxy. 6. Matériau mixte (30) selon la revendication 3, dans lequel le matériau thermodurcissable (27) est de la fibre de Carbone. 15 7. Matériau mixte (30) selon une des revendications 3 à 6, dans lequel le matériau thermoplastique (26) est choisi parmi un polyamide, un polyetherimide (PEI), un polyethersulfone (PES), un polysulfone, un polyethylene, un polyaryletherketone (PEEK), un polysulfure de phénylène et un polypropylène. 20 8. Utilisation du matériau mixte (30) selon une des revendications 3 à 7, comme élément structural en construction aéronautique. 9. Utilisation du matériau mixte (30) selon une des revendications 3 à 7, 25 comme élément structural d'un aéronef. 10. Elément structural d'aéronef comportant un matériau mixte (30) selon une des revendications 3 à 7.