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Title:
HIGH THERMAL RESISTANCE HYBRID YARN
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/098105
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a hybrid yarn comprising metal, mineral and carbon-rich filaments such as aramid fibres and to textile structures derived therefrom. The inventive yarn exhibits a high thermal resistance and is used, in particular for handling glass at the forming temperature thereof, more particularly at a temperature ranging from 500 to 800 °C.

Inventors:
MOLINS LAURENT (FR)
Application Number:
PCT/FR2005/050179
Publication Date:
October 20, 2005
Filing Date:
March 21, 2005
Export Citation:
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Assignee:
SAINT GOBAIN QUARTZ SAS (FR)
MOLINS LAURENT (FR)
International Classes:
D02G3/04; D02G3/12; D02G3/16; (IPC1-7): D02G3/04; D02G3/16
Foreign References:
EP1141457A12001-10-10
EP0972751A22000-01-19
GB2214937A1989-09-13
EP0510875A21992-10-28
DE19756209A11999-07-01
Attorney, Agent or Firm:
Saint-gobain, Recherche (AUBERVILLIERS, FR)
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Description:
FIL HYBRIDE A HAUTE TENUE THERMIQUE

L'invention concerne un fil comprenant des filaments de nature différente, les structures textiles qui en dérivent et l'utilisation du fil et de ses textiles dérivés en particulier dans des applications à haute température, notamment pour le contact du verre à sa température de formage. L'utilisation d'un textile à haute température, notamment pour la manipulation ou la préhension du verre ramolli (à sa température de formage) ou d'alliages métalliques à chaud nécessite l'utilisation de matériaux fibreux résistant le plus longtemps possible aux hautes températures. Ces fibres doivent de plus se laisser transformer dans les structures textiles le plus facilement possible, en cassant le moins possible et en usant le moins possible les outils menant à ce textile. Les structures finales doivent de plus offrir une bonne accroche au verre ramolli (à sa température de formage) sans toutefois le marquer. Ces différentes contraintes réduisent le choix des matériaux qui par ailleurs peuvent être onéreux, ce qui est le cas des fibres métalliques. Le FR 2732981 enseigne un fil comprenant 50 à 90% de fibres d'inox et 10 à 50% d'un para-aramide, pour une utilisation jusqu'à 13000C, notamment comme élément de protection d'un dispositif de préhension de flacons ou bouteilles en verre. Cependant, au fur et à mesure que la fibre en para-aramide se consume, le fil est de plus en plus riche en fibre métallique et tend de plus en plus à marquer le verre. Le EP 0502756 enseigne un revêtement en fils réfractaires pour outils de bombage trempe du verre comprenant des fils métalliques comme en Inox et des fils en céramique comme en silice. Cependant cette association est assez difficile à réaliser car la fibre métallique se laisse difficilement travailler et la fibre de silice est très cassante. Le EP 0477785 enseigne une feuille de recouvrement pour un moule de formage du verre comprenant un tissu tricoté à base de fil comprenant des fibres d'inox et des fibres de carbone ou verre ou polyamide aromatique. Le JP 63-59432 enseigne un fil conducteur électrique comprenant des fibres d'inox et de Kevlar pour venir dans la composition de tuyaux d'arrosages.

'LACEIfiEESÏ Le US 4678495 enseigne un moule de formage du verre muni d'un revêtement en feutre associant des fibres métalliques et des fibres en carbone ou aramide. Le EP1141457 enseigne une structure textile pour venir en contact avec du verre en cours de bombage. Cette structure textile fait appel à un mélange de fibres métalliques avec d'autres fibres comme les fibres de verre ou de céramiques ou aramides. Cependant il n'enseigne pas un mélange triple métal/minéral/riche en C. Le EP0972751 enseigne une structure tricot pour la manipulation du verre chaud. Le tricot contient des fibres métalliques auxquelles peuvent être mêlées des fibres réfractaires ou aramides. Un mélange triple métal/minéral/riche en C n'y est cependant pas suggéré. Le GB2214937 enseigne un mélange verre/métal/aramide ou PVOH contenant moins de 20% de fibres métalliques. L'application visée est en premier lieu le renforcement de composites. Le fil est préparé par un procédé de texturation dans lequel un mixage est réalisé par jet d'air. Un tel procédé est totalement incompatible avec la présence d'un fort taux de fibres métalliques (en fait environ 20% de fibres métalliques est un maximum) car la fibre métallique tendrait à casser toutes les autres fibres et engendrerait une usure très rapide de la buse. Un tel procédé donne par ailleurs un fil dit voluminisé (fil très aéré) dont les propriétés mécaniques sont très faibles. En effet le procédé jet d'air réalise un brouillage des différents filaments en les éclatant mais ne donne que très peu de cohésion comparativement à un procédé DREF (filature par friction) ou de filature classique (craquage puis cardage puis passage au banc à broches). Les propriétés de surface de ce fil notamment en terme de résistance à l'arrachement des filaments de surface sont très faibles. Ce type de fil ne peut être utilisé quasi exclusivement que dans des applications de pur isolation thermique ou composite. Ce type de fil n'est que très difficilement transformable par les transformations textiles de type tressage et tricotage. De plus, la fibre de PVOH a très peu de résistance thermique (dégradation notable déjà à 15O0C). Le EP0510875 enseigne un matériau de friction comme des plaquettes de freins obtenu par imprégnation d'un tissu par une résine. Le tissu est réalisé à partir d'une mèche comprenant une âme centrale en fibres minérales (verre, céramiques, etc) autour de laquelle est enroulée une fibre organique (polyamide aromatique), ladite mèche pouvant être renforcée par un fil métallique unique. Ce document ne parle que d'un fil métallique et non pas de filaments métalliques. Ce fil métallique ne peut avoir aucune influence sur les propriétés de contact du fil. Le DE19756209 enseigne un fil comprenant 90 à 10 % de fibres en polyaramide et 10 à 90% de fibres de verre, un fil métallique d'armature pouvant être présent. Ce fil métallique ne peut avoir aucune influence sur les propriétés de contact du fil. L'invention concerne en premier lieu un fil comprenant au moins trois types de filaments différents. Rappelons que le terme filament désigne une fibre unitaire et que le terme fil (« yarn » en anglais) désigne un ensemble de plusieurs filaments contigus. Le fil selon l'invention comprend : - des filaments métalliques (ce qui recouvre un mélange de filaments métalliques de compositions différentes), et - des filaments minéraux (ce qui recouvre un mélange de filaments minéraux de compositions différentes), et - des filaments riches en carbone (ce qui recouvre un mélange de filaments riches en carbone de composition différentes). Les filaments métalliques peuvent être en acier inoxydable 304, 316, 316 L, ou en Inconel (alliage riche en Nickel) ou en super-alliage (riche en Nickel et/ou Cobalt). Afin d'ajuster la tenue en température, il peut s'agir d'un mélange de plusieurs types de fibres métalliques comme par exemple un mélange de fibres inox et de fibres d'Inconel. Ces filaments ont généralement un diamètre inférieur à 26 μm et même inférieur à 15 μm. De préférence, leur diamètre est inférieur à 10 μm. Les filaments minéraux peuvent être des fibres de verre E, R, S, HS, de verre HT, des fibres céramiques connues sous « Green fibers » ou fibres vertes, des fibres de céramique, mulitte, alumine, zircone, des fibres de silice fondu à partir de quartz, des fibres de silice obtenues par voie chimique ou sol-gel, des fibres de verre lavé (« leached silica » en anglais), de basait, des fibres de roche. Afin d'ajuster la tenue en température, il peut s'agir d'un mélange de plusieurs types de fibres minérales. De préférence, les filaments minéraux sont en silice contenant au moins 92% en poids de silice ou en céramique. Notamment la fibre céramique a une composition telle que la somme de ses teneurs (% en poids) en SiO2, AI2O3 et MgO soit d'au moins 84% (sans contenir nécessairement chacun de ces trois ingrédients). De manière encore préférée les filaments minéraux sont en silice (c'est à dire préférablement fondu à partir de quartz, notamment de poudre de quartz). On ne doit pas confondre les fibres de silice et les fibres de verre. En effet, les fibres en silice sont très riches en SiO2 puisqu'elles contiennent généralement au moins 92% en poids de SiO2. Les fibres de verre lavé (« leached silica » en anglais) peuvent également être considérées en tant que filaments minéraux. Le verre lavé est considéré comme étant une silice car il contient au moins 92% en poids de SiO2. Les filaments riches en carbone peuvent être en aramide, para-aramide, Poly(p-phenylenebenzobisoxazole ( également désigné par « PBO »), pré OX, carbone, et les fibres organiques carbonisant après exposition en température à plus de 3000C, par exemple fibres phenolyques .fibres de polyimides (Ex KYNOL, BASOFIL...). Les filaments riches en carbone comprennent au moins 40% de l'élément chimique C (carbone). Cette fibre peut évoluer au cours de son utilisation à haute température, c'est-à-dire se transformer progressivement en un matériau de plus en plus riche en carbone. Cette transformation intervient dans le cas de fibres organiques qui peu à peu ont tendance à perdre leur caractère organique pour se rapprocher des fibres de carbone. De plus, ces filaments peuvent même disparaître par oxydation progressive en cours d'utilisation. L'invention porte également sur ces structures textiles oxydées par exemple par calcination. Ceci n'est pas gênant car ces fibres ont alors déjà apporté leur contribution essentielle qui est de faciliter la réalisation du fil initial. Ces filaments riches en carbone peuvent par exemple être en Kevlar, Twaron, Technora. Ces trois types de filaments ont généralement : - un diamètre inférieur à 26 μm, de préférence inférieur à 15 μm, - une longueur allant de 1 à 400 mm. La demanderesse a en effet découvert que l'association de ces trois types de filaments au sein d'un même fil procurait un excellent compromis entre toutes les propriétés souhaités et procurait une durée de vie plus importante que si seulement deux de ces types de filaments étaient présents. La durée de vie peut s'apprécier visuellement à la tendance de la structure textile au défibrage, c'est-à- dire la tendance à s'effilocher. De préférence, le fil selon l'invention comprend : - 20 à 80% en poids de filaments métalliques, - 20 à 50% en poids de filaments minéraux, - 10 à 50% en poids de filaments riches en carbone. De manière encore préférée, le fil selon l'invention comprend: - 30 à 60% en poids de filaments métalliques, - 20 à 40% en poids de filaments minéraux, - 15 à 30% en poids de filaments riches en carbone. Cette composition est celle obtenue à la fabrication, étant entendu que l'évolution possible des filaments riches en carbone en cours d'utilisation à chaud peut faire évoluer la composition du fil en cours d'utilisation à chaud. Il est donc possible qu'après un certain temps d'utilisation à chaud, la composition sorte des fourchettes ci-dessus mentionnées. La fibre métallique a généralement une tendance plus marquée que les deux autres fibres à marquer le verre ramolli. La fibre minérale vient adoucir cet effet néfaste. Sans que la présente explication ne doivent être interprétée dans un sens limitatif, il semble que la plus faible effusivité thermique de la silice par rapport au métal permet au matériau hybride de l'invention d'avoir une température de contact plus proche de la température de peau du verre à l'endroit du contact, limitant ainsi le choc thermique et le marquage. Ceci signifie qu'à l'endroit du contact, la surface du matériau selon l'invention et la surface du matériau à manipuler à chaud (verre ou métal) s'équilibrent plus rapidement, ce qui est avantageux pour diminuer la tendance au marquage. La fibre riche en carbone à pour rôle principal de faciliter la manipulation et la transformation textile de l'ensemble des filaments et fait bénéficier au mélange de ses remarquables propriétés mécaniques (résistance à la traction et à l'abrasion). C'est notamment grâce à la fibre riche en carbone que le mélange des filaments peut être travaillé à grande vitesse par les machines textiles traditionnelles. Ainsi, malgré l'évolution de la fibre riche en carbone au cours du temps à chaud dans l'air ambiant (disparition progressive), le fil et la structure textile qui en dérive ne marque pas ou peu le verre grâce à la présence de la fibre minérale. Le fil selon l'invention ainsi que les structures textiles qui en dérivent peuvent également servir à entrer en contact avec du métal chaud comme de l'aluminium ou un alliage à base d'aluminium, généralement vers 500 à 8000C, ou un acier, notamment inoxydable, généralement vers 500 à 11000C. Il s'agit généralement d'un article (ou objet) en métal à une température à laquelle il est difficile de venir en contact avec lui sans le marquer. Ainsi, la préparation du fil selon l'invention peut être réalisée par des techniques textiles classiques que l'on rappelle maintenant brièvement. Les différentes sortes de fibres (ou filaments) généralement déjà craquées (les longueurs des filaments sont alors compris entre 10 et 100 mm) sont mélangées sous forme de balle (ou bourre) dans une ouvreuse (cylindre muni de pointes) qui prépare une ouate. Cette ouate alimente ensuite une machine de carde qui fabrique un ruban de carde. Plusieurs rubans de carde sont ensuite assemblés au banc d'étirage. Plusieurs opérations de doublage étirage permettent d'homogénéiser le ruban. Selon une première possibilité, le ruban obtenu passe ensuite sur un banc à broche pour une première opération d'étirage. Il subit ensuite éventuellement une opération de filature sur continue à filer. Ainsi, selon ce procédé, les filaments utilisés dans le cadre de l'invention subissent les étapes successives suivantes : craquage (séparément pour chaque nature de filament), mélange, cardage, éventuellement étirage, filature au banc à broches. La filature dite classique est essentiellement une filature au banc à broche après craquage et cardage. Selon une seconde possibilité, après le banc d'étirage, le ruban peut être filé en système "open-end" permettant la réalisation immédiate d'un fil. Selon une troisième possibilité le ruban de carde est traité selon la technologie DREF 2000, 3000, etc (DREF pour : Doctor ERNST-FEHRER) qui procure une filature par friction (« frictions spinning ») permettant en une seule opération la réalisation de fils composites Dans cette dernière technique, le fil peut comprendre une âme (sous forme de fil ou de ruban de carde, ou d'une combinaison des deux) autour de laquelle se trouvent enroulées les fibres provenant des autres rubans qui viennent gainer l'âme. Dans ce cas, on préfère que la surface du fil soit plus riche en fibres métalliques et en fibres minérales (comme la silice), et l'on peut donc réaliser l'âme en fil - ou fibres - riche(s) en carbone alors que les fibres entourant l'âme comprendront les deux autres types de fibres (minérale et métallique). On peut également prévoir une âme en filaments de fibres minérales (notamment silice) autour de laquelle seront enroulés des rubans intégrant un mélange intime (c'est-à-dire fibre à fibre) des trois types de fibres. A titre d'exemple, l'âme de silice peut avoir un titre de 66 tex et les rubans venant en surface un titre total de 384 tex (soit un titre final pour le fil de 450 tex = 0,45 g/m pour le fil complet), le mélange venant en surface comprenant 50% en poids d'inox, 30% en poids de quartz et 20% en poids d'aramide. Dans tous les cas de figure, dans le cadre de l'invention, la surface du fil comprend toujours des filaments métalliques. Cette présence en surface est nécessaire car le contact avec le verre nécessite la présence d'une fibre très résistante sur le plan mécanique comme la fibre métallique. Par ailleurs, on trouve toujours en surface au moins deux types de filaments (filaments métalliques + filaments minéraux ou filaments métalliques + filaments riches en C), voire les trois types de fibres (métalliques+minéraux+riches en C). Les filaments de natures différentes présents en surface du fil sont toujours intimement mélangés. Les filaments présents dans le fil selon l'invention ont généralement une longueur comprise entre 10 et 100 mm. La présence d'une âme (core en anglais) en métal ou riche en métal n'est pas souhaitée dans le cadre de l'invention car celai conduirait à une trop forte rigidité de l'ensemble du fil. Le fil obtenu par l'une des techniques de filature qui viennent d'être brièvement décrites et qui sont en elle-même connues de l'homme du métier, est utilisé comme fil ou transformé en l'un des produits textiles suivants: ruban de carde, fil coupé, fil craqué, voile, ruban, cordonnet, tresse, cordon tricoté, chaussette, gaine tissée ou tressée ou tricotée, bande tissée, ruban tissé, tissu, tricot rectiligne ou circulaire ou chaîne et Rachel, feutres, feutres aiguilletés linéaires ou tubulaires, feutres non-tissés linéaires ou tubulaires. En général, le fil selon l'invention a un titre allant de 10 Tex à 5000 Tex (rappelons que 1 Tex = 1 gramme pour 1000 mètres). Le produit textile obtenu présente une excellente tenue à chaud, notamment à plus de 2000C et plus particulièrement jusqu'à 11000C, généralement entre 500 et 8000C même dans l'air ambiant. Il est notamment utilisable en tant que produit anti-coupure (comme gant par exemple), anti-feu, isolant thermique, conférant une protection balistique grâce à ses propriétés anti¬ impact. Notamment, le produit textile obtenu trouve une utilité pour venir au contact avec le verre chaud, lequel peut même être à sa température de formage (généralement entre 500 et 8000C). Dans ce cadre là le produit textile peut venir en contact avec du verre plat (notamment en tant que garniture de rouleaux de convoyage par exemple dans l'étenderie), ou du verre creux (équipant les Stacker, mains de poussée, pinces de préhension, roue de transfert) comme les flacons ou bouteilles. Le produit textile trouve également une utilité dans le cadre de la fabrication de verre automobile, pour équiper les gaines de rouleaux de convoyage ou les outils de bombage/trempe (squelettes, cadres, formes de bombage pleines concaves ou convexes). D'autres applications sont envisageables dans le domaine des verres spéciaux, des verres électroniques; des verres de silice, ainsi qu'en tant que garniture de meules d'étirage, garniture de rouleaux de convoyage, garniture de rouleaux de laminage. L'invention concerne donc également un outil pour venir en contact avec le verre à une température à laquelle ce dernier est ramolli (température de formage), ledit outil étant muni d'une structure textile comprenant le fil selon l'invention, étant entendu que le contact avec le verre est fait par l'intermédiaire de ladite structure. Notamment, cet outil peut servir au bombage du verre ou à venir en contact avec des bouteilles dans une ligne de fabrication de bouteilles. D'autre applications sont envisageables, notamment en remplacement de l'amiante (isolation thermique, friction,...).

EXEMPLES : Dans les exemples 1 à 5, on compare des cordonnets selon l'invention et des cordonnets de compositions différentes, en tant que matériau de recouvrement de pinces. Cette application est utilisée sur une ligne de fabrication de bouteilles dans laquelle un opérateur intervient pour prendre des bouteilles chaudes (vers 6000C) en verre avec une pince. Le cordonnet est enroulé autour de la pince métallique par l'opérateur pour diminuer le marquage du verre par la pince. Le cordonnet s'use progressivement en s'effilochant et l'opérateur le remplace alors. Le tableau 1 donne la durée de vie du cordonnet et sa tendance au marquage. Dans les exemples 6 à 8, on compare un ruban tissé selon l'invention avec des rubans tissés réalisés de manière similaire, en tant que matériau de recouvrement de Stacker. Un Stacker est une pièce métallique et ou en graphite (généralement de forme triangulaire) servant à pousser les bouteilles chaudes (vers 400 - 6000C) dans une ligne de fabrication de bouteilles. On les équipe de rubans tissés afin de limiter le marquage des bouteilles.

Tableau 1