INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Un autre but de l’invention est de proposer un dispositif de déchargement de silo qui puisse être connecté à des conduits d’évacuation logeant le transporteur à vis de différentes dimensions, en particulier de différents diamètres.
Ces buts, ainsi que d’autres sont atteints par le dispositif de déchargement selon la présente invention qui concerne un dispositif de déchargement de silo de stockage de matériaux granulaires, tels que des aliments pour le bétail, le silo étant équipé en partie basse d’une trappe de vidange, le dispositif étant composé d’une enceinte, dénommée boîtard, constituée d’une part d’une partie inférieure collectrice en forme de trémie connectée à un conduit d’évacuation configuré pour loger un transporteur à vis, et d’autre part d’une partie supérieure portant une canalisation apte à être reliée à la trappe de vidange du silo, de manière à permettre le déchargement du silo par gravité des matériaux granulaires au travers du boîtard jusqu’au transporteur à vis. Le dispositif de déchargement est caractérisé en ce que la partie supérieure du boîtard est formée de deux parois superposées en forme de demi- cylindres coaxiaux, disposés selon un axe horizontal, lesdites parois étant munies d’ouvertures communicantes entre elles, une première paroi, dite paroi supérieure, portant la canalisation apte à être reliée à la trappe de vidange, et la seconde paroi, dite paroi inférieure, étant solidaire de la trémie, les dites parois étant orientables l’une par rapport à l’autre, par rotation angulaire autour dudit axe horizontal, de manière à permettre le déchargement des matériaux selon différents angles du conduit d’évacuation.
Selon un mode de réalisation avantageux, la partie supérieure du boîtard est fermée latéralement par deux parois latérales du demi-cylindre inférieur, au moins l’une desdites parois latérales, de préférence les deux parois latérales, étant pourvue d’une lumière en forme d’arc logeant des vis de réglage de l’orientation des deux demi-cylindres supérieur et inférieur l'un par rapport à l'autre.
Les matériaux composites à base de fibres de carbone recyclées obtenus par des procédés de recyclage mécanique ont donc généralement un usage limité à certains domaines dans lesquels les propriétés mécaniques, rapportées à la masse, n’ont pas besoin d’être très élevées. Ils sont ainsi surtout utilisés dans la construction (bâtiments).
Le recyclage chimique consiste à dégrader chimiquement la résine durcie d’un matériau composite dans le but de récupérer des fibres de carbone présentes dans ce matériau. Les fibres récupérées sont ensuite généralement alignées et/ou filées afin de créer un fil à partir de plusieurs milliers de fibres récupérées. Les propriétés mécaniques des pièces formées en matériaux composites comportant ces fibres recyclées sont largement moindres que celles de matériaux composites comportant des fibres de carbone neuves, non-recyclées.
Plusieurs procédés de dégradations chimiques sont connus, notamment la solvolyse classique, la solvolyse « en conditions douces », ou la solvolyse en conditions supercritiques.
Dans un procédé de solvolyse classique, les pièces à recycler sont plongées dans un solvant, à haute température (plus de 200°C) et à haute pression (de l’ordre de 180 bar), pour que la résine soit décomposée. Il peut s’agir par exemple d’acides concentrés (acide nitrique ou acide sulfurique notamment).
Dans un procédé de solvolyse en conditions douces, des températures plus modérées que dans la solvolyse classique, inférieures à 200°C, sont utilisées. Le procédé a lieu à pression atmosphérique (pression ambiante), et des solvants plus doux, comme de l’acétone ou du N,N-diméthylformamide sont utilisés, ainsi qu’éventuellement des catalyseurs comme le peroxyde d’hydrogène ou l’acide peroxyacétique. Un traitement préalable à l’acide acétique peut également être employé. Ceci étant, la solvolyse en conditions douces présente un rendement de production assez faible.
Dans un procédé de solvolyse en conditions supercritiques, des solvants sont utilisés en conditions supercritiques pour présenter une meilleure diffusivité et une capacité accrue de solvatation. C’est un procédé complexe et onéreux.
Enfin, le recyclage thermique consiste dans son principe à dégrader thermiquement la résine d’un matériau composite pour en récupérer les fibres de carbone. La chaleur peut être apportée par un procédé de pyrolyse, qui consiste globalement à brûler la résine dans un four, par un procédé de lit fluidisé qui utilise l’action combinée d’un solvant et d’une haute température, et enfin par micro-ondes.
Bien que ces procédés soient en voie d’optimisation, les fibres récupérées ont des propriétés mécaniques fortement dégradées comparativement à des fibres neuves. Les fibres récupérées sont généralement courtes, elles doivent être alignées et filées pour être réutilisées dans des applications nécessitant des caractéristiques mécaniques correctes. Sinon, elles sont utilisées en remplissage, comme le sont par exemple les poudres obtenues dans les procédés de recyclage mécaniques évoqués ci-dessus.
En résumé, les différentes techniques connues dans le domaine du recyclage des matériaux composites à base de fibres de carbone consistent à : - broyer le matériau composite pour utiliser les broyats comme renfort (recyclage mécanique) ; - ou dégrader la résine pour régénérer des fibres de carbone (recyclage chimique ou thermique).
Mais ces deux solutions ont chacune des inconvénients importants : elles offrent des matériaux ayant de faibles performances mécaniques, et/ou elles sont coûteuses et/ou complexes à mettre en œuvre. Les techniques de recyclage dans lesquelles la résine est dégradée pour récupérer les fibres de carbone ont en outre un coût environnemental important. En effet, elles rejettent la résine dégradée sous forme liquide ou gazeuse. Ces rejets doivent être traités.
La présente invention vise à proposer une pièce en matériau composite obtenue par un procédé de recyclage qui pallie tout ou partie des problèmes mentionnés ci-dessus. En particulier, elle vise l’obtention d’une pièce en matériau composite ayant des propriétés mécaniques élevées, à un coût économique et environnemental maîtrisé.
Ainsi, l’invention concerne une pièce en matériau composite comportant des copeaux au moins en partie inclus dans une matrice. Chaque copeau a une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles du copeau, chaque copeau comportant des fibres de carbone au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement préalable à la formation de ladite pièce. Au moins une majorité des fibres du copeau s’étendent sensiblement parallèlement aux faces opposées du copeau. La matrice dans laquelle chaque copeau est inclus au moins en partie est formée d’un adhésif durci lors d’un deuxième durcissement. Ainsi, une interface de liaison est formée entre la matrice et chaque copeau de la pièce.
L’interface de liaison peut comporter essentiellement des liaisons d’adhésion mécanique.
Par liaison d’adhésion mécanique, il est entendu une liaison mécanique tel qu’un ancrage mécanique (ancrage physique de l’adhésif dans les aspérités de la surface solide des copeaux), ainsi qu’éventuellement une liaison par diffusion (diffusion de l’adhésif dans le copeau) et/ou une liaison de type thermodynamique, notamment de type « Van der Waals ». Les liaisons d’adhésion mécanique se distinguent, par nature, des liaisons iono-covalentes.
L’expression « essentiellement des liaisons d’adhésion mécanique », exprime le fait que le premier durcissement est réputé complet, mais il ne peut pas être exclu qu’il reste sur les copeaux quelques rares sites susceptibles de former une liaison iono-covalente avec la matrice de la pièce. Autrement dit, l’adhésif des copeaux est durci lors du premier durcissement, c’est-à-dire polymérisé pour un adhésif thermodurcissable ou thermoplastique, de sorte qu’il ne contient plus (ou quasiment plus) de site permettant de former une liaison chimique avec l’adhésif dans lequel les copeaux sont inclus pour le deuxième durcissement. Ainsi, la présence de liaison iono-covalente entre le copeau et l’adhésif durci lors d’un deuxième durcissement est rare voire inexistante, si bien que l’interface de liaison entre le copeau et l’adhésif est visible à l’œil nu, comme cela est mis en évidence sur les figures 2 et 3 décrites ci-après.
Dans l’ensemble du présent document, le terme « sensiblement » fait référence de manière classique à la perception de cette caractéristique selon le système utilisé pour sa mesure ou sa fabrication. Si une caractéristique est observée à l’œil nu, le terme « sensiblement » fait donc référence à la perception qu’a un observateur de cette caractéristique. Une expression contenant le terme "sensiblement" doit être interprétée comme une caractéristique technique produite dans la marge de tolérance de sa méthode de fabrication. Notamment, le caractère « sensiblement parallèle » entre deux éléments peut s’entendre à 10° d’angle près. Si la fibre considérée est incluse dans un tissu (typiquement taffetas, sergés ou satins), la direction d’extension de la fibre est considérée en négligeant les ondulations de la fibre liées au tissage.
Les matériaux composites à base de fibres de carbone sont utilisés dans de nombreux domaines techniques pour leurs propriétés mécaniques, notamment de résistance et de légèreté. Ils sont notamment couramment utilisés dans le domaine aéronautique, dans l’automobile, le nautisme, mais aussi dans le domaine de la construction, de l’énergie, etc.
Les matériaux composites à base de fibres de carbone comportent, de manière générale, des fibres de carbone incluses dans une matrice.
Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour fabriquer des fibres de carbone, le principe étant un dépôt de carbone à très haute température, soit à partir de papier ou de viscose (fibres « ex-cellulose »), soit à partir de polyacrylonitrile (fibres « ex-PAN »), soit à partir de résidus du pétrole ou de charbon (fibre « ex-brais »).
Les fibres de carbone sont incluses dans la matrice selon une orientation donnée, par exemple de manière unidirectionnelle, ou sous la forme de nappes de fibres tissées.
Concernant la matrice, généralement, elle est constituée d’un polymère ou elle comporte essentiellement un polymère. La matrice peut également être appelée « adhésif », ou encore « résine » (la matrice étant généralement un polymère). De manière bien connue, la matrice peut être de nature thermoplastique ou thermodurcissable. Des colles de nature analogue peuvent être utilisées de la même manière dans le cadre de la présente invention.
Ainsi, sauf s’il en est disposé autrement, les termes « matrice », « colle », « adhésif » et « résine » sont considérés comme synonymes dans le présent document.
Les polymères thermodurcissables subissent une réaction chimique appelée réticulation lors de la mise en forme du matériau composite. Cette réaction génère des liaisons chimiques et est irréversible. Il est généralement admis que les polymères thermodurcissables les plus performants pour former un matériau composite à base de fibres de carbone sont les polyépoxydes (dits « époxy »).
Les polymères thermoplastiques sont des polymères qui, au-delà d’une certaine température, appelée « température de transition de phase », inférieure à leur température de dégradation thermique, deviennent visqueux et peuvent ainsi être mis en forme. Lorsque la température descend en-dessous de cette température de transition de phase, le polymère durcit et retrouve sa raideur initiale. Ce durcissement est réversible, en chauffant de nouveau le polymère.
Les polymères thermoplastiques les plus courants sont le polyéthylène (PE), le poly(téréphtalate d’éthylène) (PET) ou le polycaprolactame (PA-6). Pour certaines applications, des polymères thermoplastiques spéciaux peuvent être utilisés, tels le poly(éther-éther-cétone de phénylène) (PEEK), le poly(sulfure de phénylène) (PPS), ou le polyetherimide (PEI).
Les applications des matériaux composites à base de fibres de carbone étant nombreuses et de plus en plus répandues, la question du recyclage de ces matériaux se pose. Outre le fait que les quantités de matériaux pouvant être recyclés augmentent, ces matériaux composites sont des matériaux de grande valeur (en grande partie du fait qu’ils contiennent des fibres de carbone), dont la valorisation peut se révéler économiquement pertinente.
Le recyclage peut concerner des éléments en matériau composite en fin de vie ou ayant subi un endommagement, des éléments fabriqués mais ne répondant pas ou plus à certains standards requis pour l’usage auquel ils sont destinés (en particulier dans le domaine aéronautique ou spatial), ou encore, plus rarement, des éléments non utilisés à une certaine date.
Pour recycler des matériaux composites renforcés avec des fibres de carbone, trois grandes catégories de méthodes ont été développées : le recyclage dit mécanique, le recyclage dit chimique et le recyclage dit thermique.
Le recyclage mécanique consiste, dans son principe, à fractionner et à broyer des pièces en matériau composite existantes pour dissocier au moins en partie les fibres de la résine, de sorte à obtenir des fibres plus ou moins longues qui peuvent être réutilisées comme renfort dans de la résine neuve. Les particules peu fibreuses issues du broyage, qui se présentent sous forme de poudre, peuvent être mêlées à une résine lors de la formation d’un nouvel élément en matériau composite.
Les morceaux de composite broyés sont utilisés comme éléments de remplissage ou comme renfort dans des pièces moulées, mais ne visent pas réellement à remplacer des fibres de carbone vierges telles qu’utilisées dans les procédés classiques de fabrication d’éléments en composite (à base de matériaux non recyclés).
Dans ce procédé, la poudre obtenue par broyage des matériaux composites à recycler peut être tamisée pour être triée en plusieurs catégories de tailles de particules, sans toutefois que cette taille n’ait une influence significative sur les propriétés mécaniques de l’élément formé ensuite en incluant ces particules.
Globalement, on estime que les propriétés mécaniques (résistance en flexion ou raideur en flexion) d’une pièce obtenue par un procédé de recyclage mécanique de l’état de la technique sont au moins divisées par quatre comparativement à une pièce neuve similaire.
La pièce en matériau composite peut, par exemple, être un panneau plan ou courbe.
L’invention porte en outre sur un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, ledit procédé comportant les étapes de - fourniture d’un matériau composite comportant des fibres de carbone dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement ; - découpe du matériau composite en copeaux, chaque copeau ayant une épaisseur sensiblement constante définie entre deux faces opposées parallèles du copeau, chaque copeau comportant des fibres de carbone au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement, au moins une majorité desdites fibres du copeau s’étendant sensiblement parallèlement auxdites faces opposées du copeau ; - enduction des copeaux par un adhésif ; - mise en position des copeaux de sorte à constituer un enchevêtrement de copeaux (c’est-à-dire une superposition formant une imbrication et/ou un entremêlement des copeaux); - durcissement de l’adhésif liquide, dit deuxième durcissement.
L’invention porte enfin sur une pièce en matériau composite susceptible d’être obtenue par un tel procédé.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : la représente schématiquement, selon un schéma de blocs, un procédé conforme à un mode de réalisation de l’invention ; la représente, sur une photographie, une disposition de copeaux dite aléatoire pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ; la représente, sur une photographie, une disposition de copeaux dite unidirectionnelle pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ; la représente, de manière schématique, une disposition de copeaux dite bidirectionnelle pouvant être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ; la représente, sous forme de photographie, une coupe d’une pièce en matériau composite selon un mode de réalisation de l’invention, à un grossissement x50 ; la représente, sous forme d’un graphique, le module de flexion d’un panneau conforme à un mode de réalisation de l’invention dont les copeaux sont organisés de manière unidirectionnelle, et celui d’un panneau contenant des fibres de carbone neuves orientées de manière unidirectionnelle.
La représente schématiquement, selon un schéma de blocs, un procédé conforme à un mode de réalisation de l’invention, permettant l’obtention des pièces en matériau composite conformes à un mode de réalisation de l’invention.
Le procédé met en œuvre les étapes décrites ci-après.
Découpe des copeaux (étape S1).
La mise en œuvre de la présente invention nécessite la formation de copeaux à partir des éléments en matériau composite à base de fibres de carbone qui sont à recycler.
Pour ce faire, les copeaux sont obtenus par découpage mécanique desdits éléments.
Le découpage des copeaux peut être réalisé à l’aide d’une machine de découpe telle qu’un dispositif à lame. Le dispositif à lame peut être un système de type rabot. Un système de type rabot correspond à une machine de découpe comportant une lame permettant de séparer de fines tranches d’épaisseur régulière de la surface d’un élément sur lequel il est passé.
Lorsqu’un élément est découpé pour former des copeaux, la lame du dispositif à lame est positionnée, de manière classique, de sorte que son fil s’étend dans un plan parallèle à la direction de découpage.
Le matériau à découper est positionné dans la machine de découpe selon l’organisation des fibres de carbone qu’il contient.
Si les fibres dans le matériau à découper sont unidirectionnelles, c’est-à-dire incluses dans une matrice sensiblement parallèlement, dans une seule direction, alors les fibres sont positionnées parallèlement à la direction d’avancement du dispositif à lame.
Si les fibres sont incluses sous la forme de nappes tissées, on placera préférentiellement la pièce de sorte que les fils de trame ou de chaîne soient sensiblement parallèles à la direction d’avancement du dispositif à lame.
Les fibres peuvent aussi être disposées selon une succession de couches, chaque couche comportant des fibres unidirectionnelles, mais les couches présentant des orientations des fibres différentes. C’est par exemple le cas pour des matières dites « quadri directionnelles », dont les couches peuvent présenter les orientations relatives successives suivantes : 0° (couche de référence), 90°, 45°, -45°.
Les faces de chaque copeau peuvent avoir une surface, dite surface du copeau, d’au moins 1 cm².
Ces valeurs données à titre d’exemple s’entendent comme des minimums. Selon les pièces considérées, les copeaux peuvent présenter une surface bien supérieure, par exemple de l’ordre de 3cm², 5cm², 10 cm², ou 20 cm², 100 cm².
Les copeaux formés et employés dans le cadre de la présente invention ont ainsi une surface importante, permettant l’inclusion de fibres de carbone de grande longueur puisque ces dernières s’étendent sensiblement parallèlement aux faces opposées du copeau.
L’interface de liaison entre chaque copeau et la matrice peut ne pas présenter de point d’inflexion, sur l’ensemble de la surface du copeau.
Notamment, l’interface peut être sensiblement plane sur une majorité de la surface du copeau.
Cela est dû à la relative rigidité de chaque copeau, qui inclut des fibres de carbone dans un adhésif durci, avant inclusion dans une matrice pour former la pièce en matériau composite.
Chaque copeau a avantageusement une faible épaisseur (e) comparativement à ses autres dimensions. Un copeau étant ainsi une pièce essentiellement bidimensionnelle, de faible épaisseur, ses autres dimensions correspondent typiquement à la plus grande dimension (d) mesurable en surface du copeau et à la dimension mesurée perpendiculairement, également en surface du copeau.
Avantageusement, le ratio (e)/(d) est compris entre 0,05 et 0,0005, préférentiellement entre 0,01 et 0,001 et encore plus préférentiellement entre 0,005 et 0,001.
Dans la présente demande, sauf indication contraire, les gammes s’entendent bornes incluses.
Dans la pièce en matériau composite, les fibres de carbone s’étendent avantageusement majoritairement dans des plans parallèles.
Par exemple, les copeaux peuvent présenter un agencement unidirectionnel des fibres de carbone. Par exemple, les copeaux peuvent être orientés de sorte que les fibres de carbone de la pièce sont sensiblement orientées dans une même direction. Alternativement, les copeaux peuvent être orientés de sorte que les fibres de carbone de la pièce sont sensiblement orientées selon deux directions distinctes seulement, par exemple une première direction et une deuxième direction formant un angle de 90° entre elles.
Les copeaux sont avantageusement disposés dans la pièce selon un motif répétitif.
Un motif correspond à une disposition relative particulière de plusieurs copeaux.
Selon un mode de réalisation, les fibres de carbone présentes dans chaque copeau sont agencées en nappes présentant chacune un tissage de fibres de carbone.
Ainsi, une orientation maîtrisée des copeaux et donc des fibres dans la pièce permet l’obtention des propriétés mécaniques souhaitées.
Dans la pièce en matériau composite, les copeaux peuvent tous avoir sensiblement la même forme et les mêmes dimensions. Par exemple, chaque copeau est sensiblement de forme rectangulaire (c’est-à-dire que les faces de chaque copeau sont sensiblement rectangulaires).
Par « des copeaux au moins en partie inclus dans une matrice », on vise le fait que chaque copeau est noyé dans la matrice, à l’exception éventuelle de certains copeaux pouvant émerger à la surface de la pièce. De même, par « fibres de carbone au moins en partie incluses dans un adhésif durci lors d’un premier durcissement » on vise le fait que les fibres de carbone sont noyées dans l’adhésif d’un copeau, à l’exception éventuelle de certaines fibres pouvant émerger à la surface du copeau.
Le processus de durcissement (ou réticulation, ces termes étant utilisés comme synonymes sauf s’il en est disposé autrement) transforme une résine par un processus de réticulation. De l'énergie et/ou des catalyseurs sont ajoutés pour que les chaînes moléculaires réagissent au niveau de sites chimiquement actifs se liant en une structure 3D rigide. Le processus de réticulation forme une molécule avec un poids moléculaire plus élevé, résultant en un matériau avec un point de fusion plus élevé. Au cours de la réaction, le poids moléculaire augmente jusqu'à ce que le point de fusion soit supérieur à la température ambiante environnante, et que le matériau se transforme en un matériau solide.
Les adhésifs appropriés aux matériaux composites peuvent être choisis dans le groupe constitué par les résines thermodurcissables telles que les résines époxy, ester cyanate et résines phénoliques. Les résines époxy appropriées comprennent les éthers diglycidyliques de bisphénol A, les éthers diglycidyliques de bisphénol F, les résines époxy novolaques et les éthers N-glycidyliques, les esters glycidyliques, les éthers glycidyliques aliphatiques et cycloaliphatiques, les éthers glycidyliques d'aminophénols, les éthers glycidyliques de n'importe quels phénols substitués et leurs mélanges.
Sont également inclus des mélanges modifiés des polymères thermodurcissables susmentionnés.
Par « mélange modifié », on vise un polymère modifié, typiquement, par addition de caoutchouc ou de thermoplastique.
Tout catalyseur (ou « durcisseur ») approprié peut être utilisé. Le catalyseur sera choisi pour correspondre à la résine utilisée.
Le catalyseur peut être accéléré.
Par exemple, lorsqu'un catalyseur dicyandiamide est utilisé, une urée substituée peut être utilisée comme accélérateur.