Titre : VITRAGE FEUILLETE A ELEMENT EN GRADIN PERIPHERIQUE EN MATERIAU POLYMERE AYANT UNE PERMEABILITE A LA VAPEUR

D’EAU MAXIMALE REQUISE

Les pare-brise aéronautiques chauffants sont des feuilletés d’au moins trois feuilles (ou plis) de verres minéraux et/ou organiques dont la plus externe peut être support de la fonction de chauffage (dégivrage). Ces feuilles sont collées deux à deux par l’intermédiaire de couches adhésives intercalaires telles que polyvinylbutyral (PVB), polyuréthane thermoplastique (TPU), éthylène - acétate de vinyle (EVA), ionomère... L’humidité peut pénétrer les couches adhésives intercalaires, notamment celle entre le pli externe chauffant et son pli voisin et engendrer des défaillances par différents mécanismes :

- délaminages ;

- corrosion, oxydation des éléments de connectique électrique ;

- électrolyse des couches chauffantes telles qu’oxyde d’indium dopé à l’étain (Indium Tin Oxide - ITO -) (induisant un craquement des couches pouvant être la cause d’un arc électrique au ras des couches) ;

- opacification, blanchiment d’intercalaire ;

- coloration périphérique par migration d’élément teintant de colle / joint (par exemple en polysulfure) dans l’intercalaire.

Par ailleurs, le pli externe n’étant pas naturellement tenu par le système de liaison à l’avion (qui maintient les deux plis structuraux), du fait des déformations du vitrage soumis à la pression de l’avion, des mécanismes d’arrachement et/ou cisaillement périphérique du pli externe peuvent avoir lieu, ce qui favorise des phénomènes de délaminage.

La pénétration d’humidité peut être gérée par différentes stratégies :

- application périphérique de quelques mm d’un élément d’étanchéification : typiquement de type polysulfure ou polyuréthane (PU) bicomposant ;

- application d’un élément périphérique en gradin (ou en Z - « zed » -) métallique (acier inoxydable, aluminium) collé, conforme à une zone périphérique du vitrage feuilleté, comme il sera vu par la suite ; ce zed est collé aux feuilles de verre du vitrage feuilleté et peut être couvert par un joint d’étanchéité à l’air et à l’eau, tel qu’en silicone ou équivalent, ainsi que par une « goutte » (joint externe en polysulfure ou équivalent) procurant une continuité aérodynamique entre vitrage et structure avion et une bonne inertie aux fluides aéronautiques (produits de nettoyage, glycol (dégivrage au sol)...) ; de plus la goutte permet également de limiter sensiblement les problématiques liées aux arcs et étincelles, notamment la captation arc électrique et les décharges de surface.

L’application d’un élément d’étanchéification présente de nombreuses difficultés. En effet la mise en œuvre est extrêmement délicate car il faut ménager lors du feuilletage une zone sans intercalaire, ce qui induit de grands risques de défaut optique (maintien du parallélisme de faces du feuilleté). Par ailleurs, les produits utilisés pour l’étanchéification sont de piètres barrières à l’humidité ce qui rend cette solution peu efficace (contraintes liées au procédé d’application par injection, notamment).

Au contraire, l’application d’éléments barrière périphériques en gradin, dits « zed » en inox (ou parfois aluminium) a fortement réduit les pénétrations d’humidité et a ainsi pu éliminer en très grande partie les modes de défaillance cités ci-dessus.

En revanche l’application du zed métallique a induit de nouveaux problèmes :

- risque accru de défaut d’isolement électrique vis-à-vis d’éléments des systèmes chauffants ; on précise que pour alimenter les couches chauffantes, des câbles cheminent au niveau du zed entre le pli externe et la face intérieure du vitrage;

- décharges électriques entre zed et structure avion à l’origine d’une gêne sonore, lumineuse et/ou électromagnétique, ou élément de la connectique du vitrage (défaillance);

- facilitation des amorces de décharges de surface éblouissantes pour les pilotes ;

- point d’accroche de la foudre (caractère métallique électroconducteur et saillant des zed) ;

- fragilisation du joint silicone en son extrémité ;

- coûts d’outillages de formage tel que par emboutissage prohibitifs pour les petites séries ;

- gestion complexe des tolérances de forme zed-vitrage ;

- géométrie des zed qui leur confère une bonne raideur et rend le procédé de fabrication complexe ;

- caractère métallique du zed qui incite sinon oblige à le recouvrir d’une « goutte » typiquement en polysulfure qui induit un besoin de maintenance car cette goutte tend à s’éroder.

Les inventeurs ont donc cherché à substituer le zed métallique par un zed en matériau polymère pouvant être mis en forme par exemple par un procédé de thermoformage. Le matériau polymère a été choisi pour présenter des propriétés de perméabilité à la vapeur d’eau suffisantes pour prévenir la dégradation des vitrages. On entend par perméabilité spécifique P la vitesse de perméation de 1 mm de matériau. Les flux sont alors exprimés en g/m ² /jour.mm et expriment la performance barrière à la vapeur d’eau intrinsèque d’un matériau.

La performance barrière à la vapeur d’eau d’un matériau ou d’une combinaison de matériaux donnée (d’épaisseur donnée) est sa perméabilité p exprimée en g/m ² /jour.

Pour un matériau homogène d’épaisseur e, on a la relation p = P/e.

Les inventeurs ont pu garantir l’étanchéité à la vapeur d’eau procurée par les éléments périphériques en gradin (« zed ») métalliques tout en surmontant les problèmes liés à leur caractère électroconducteur et à leurs procédés de fabrication. A cette fin, l’invention a pour objet un vitrage feuilleté comprenant au moins une première feuille de verre constituant une face extérieure du vitrage, reliée à une seconde feuille de verre par une première couche adhésive intercalaire, dans lequel le bord de la première feuille de verre est en retrait par rapport à celui de la seconde, une partie périphérique de la surface libre de la première feuille de verre, le chant de cette dernière, le chant de la première couche adhésive intercalaire et une partie de la surface de la seconde feuille de verre débordant de la première feuille de verre décrivant un contour continu en gradin qui est recouvert par un élément en gradin avec interposition de colle, caractérisé en ce que l’élément en gradin est en matériau polymère pouvant contenir des charges de renforcement, et présente une perméabilité à la vapeur d’eau au plus égale à 5, et de préférence 1 g/m ² /jour.

Par verre on entend ici aussi bien un verre minéral tel que sodocalcique, aluminosilicate..., qu’un verre organique constitué d’un matériau polymère structural transparent, dont le poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) et le polycarbonate (PC) sont des exemples courants.

En pratique les éléments en gradin métalliques n’engendrent aucune perméation de vapeur d’eau à travers leur épaisseur, mais un chemin de contournement via la colle (polysulfure) existe. Du fait de la plus grande souplesse des éléments en gradin en matériau polymère, il est possible de réduire l’épaisseur de colle et de rendre ces éléments en gradin équivalents en termes de perméabilité à la vapeur d’eau aux éléments en gradin métalliques collés.

Tous les problèmes électriques susmentionnés des éléments en gradin métalliques sont supprimés. Les matériaux polymères sont de bons isolants électriques.

De plus, - les procédés de mise en œuvre des matériaux polymères tels que le thermoformage sont substantiellement moins onéreux que l’emboutissage des métaux ;

- les matériaux polymères ne sont pas soumis à la corrosion ;

- les matériaux polymères présentent une souplesse rendant la sensibilité des formes relatives de l’élément en gradin et du vitrage feuilleté plus facilement gérables en production et limitent les contraintes de collage qui peuvent engendrer des décollements d’élément en gradin en service.

Ladite colle comprend par exemple un polysulfure et/ou un polyuréthane.

L’élément en gradin est intègre, d’une seule partie, ou éventuellement il est en plusieurs parties.

Selon des caractéristiques préférées du vitrage feuilleté de l’invention :

- l’élément en gradin présente un module élastique au plus égal à 5GPa ; il doit être souligné que cela exclut les polymères (tels que résines thermodurcissables du type époxy, polyester insaturé) renforcés par des fibres de renforcement (FRP de l’anglais « fiber reinforced polymer »), qui désigne un renforcement par des fibres (telles que de verre ou de carbone) relativement longues, éventuellement tissées ;

ledit matériau polymère est choisi parmi les polyoléfine (dont polyéthylène (PE), polypropylène (PP) ou polyisobutylène (P-IB)), polychlorure de vinyle et ses dérivés ( par exemple poly(dichlorure de vinyle) (PVDC)), polymère styrénique (par exemple polystyrène (PS), acrylostyrène butadiène (ABS), styrène acrylonitrile (SAN)), polyacrylique (dont polyacrylonitrile (PAN) et poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) ), polyester (dont poly(téréphtalate d’éthylène) (PET) et poly(téréphtalate de butylène) (PBT)), polyoxyméthylène (POM) , polyamide (PA), polymère fluoré tel que polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE), polycarbonate (PC), polysulfone aromatique dont polysulfone (PSU), polyphénylène éther (PPE), polyuréthane et polyUrée (PU), époxy (EP) seuls ou en mélange et/ou copolymère de plusieurs d’entre eux;

- l’élément en gradin est composé de plusieurs couches de matériaux polymères identiques ou différents, pouvant être obtenues par coextrusion par exemple ;

- ledit matériau polymère contient des charges de renforcement lamellaires orientées et/ou en fibres courtes ; ces charges sont de nature à favoriser une perméabilité à la vapeur d’eau suffisamment faible ; on peut citer des fibres courtes de verre ou de carbone ;

- l’élément en gradin a une épaisseur au plus égale à 800, de préférence 300 pm ;

- ledit matériau polymère présente au moins un traitement de surface procurant ^■ une meilleure performance barrière à la vapeur d’eau : oxyde(s) dense(s) déposé(s) par dépôt chimique en phase vapeur CVD tel(s) que S1O2, AI2O3 ;

^■ une propriété d’adhésion.

- ladite colle a une épaisseur au plus égale à 350, de préférence 200 pm ;

- l’élément en gradin est recouvert par un joint d’étanchéité à l’air et à l’eau, et de protection au rayonnement solaire et aux fluides ; ce joint est avantageusement en silicone ou équivalent ;

- l’élément en gradin est recouvert par une goutte qui procure au vitrage feuilleté une continuité aérodynamique entre vitrage et structure de montage telle que structure avion et une bonne inertie aux fluides de traitement tels que fluides aéronautiques, produits de nettoyage, dégraissant, glycol pour le dégivrage au sol et similaires ; cette goutte peut être en polysulfure ou équivalent ;

- le vitrage feuilleté comprend au moins une troisième feuille de verre reliée à la seconde feuille de verre par une seconde couche adhésive intercalaire ; dans cette configuration notamment, l’élément en gradin peut s’étendre au-delà dudit contour continu en gradin défini ci-dessus, de manière à couvrir toute l’épaisseur du vitrage feuilleté, y compris les chants de la seconde feuille de verre, de la seconde couche adhésive intercalaire et de la troisième feuille de verre ;

- la première feuille de verre est en verre minéral d’épaisseur comprise entre 0,5 et 5, de préférence entre 2 et 4 mm, ou en matériau polymère tel que poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) d’épaisseur comprise entre 0,5 et 5 mm ;

- la seconde feuille de verre, et le cas échéant la troisième feuille de verre, voire les suivantes sont en verre minéral d’épaisseur comprise entre 4 et 10 mm, ou en matériau polymère tel que poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) d’épaisseur comprise entre 5 et 30, de préférence au plus 20 mm ;

- lesdites couches adhésives intercalaires sont en polyuréthane (PU),

polyvinylbutyral (PVB), éthylène - acétate de vinyle (EVA) ou équivalent, l’épaisseur de la première couche adhésive intercalaire est comprise entre 3 et 10, de préférence 4 et 8 mm, et l’épaisseur de la seconde couche adhésive intercalaire et le cas échéant des suivantes est comprise entre 0,5 et 4, de préférence au plus égale à 2 mm.

Un autre objet de l’invention consiste en un procédé de fabrication du vitrage feuilleté décrit ci-dessus, caractérisé en ce que l’élément en gradin est fabriqué séparément de sa structure de montage par thermoformage, injection, moulage par injection et réaction RIM (reaction injection molding), extrusion ou coextrusion, soufflage, compression-transfert. A l’inverse, il doit être précisé que les éléments en gradin composites (résine renforcée par fibre de verre) formés directement sur le vitrage feuilleté sont conçus pour une bonne évacuation des gaz durant l’étape de durcissement des résines (réticulation en autoclave ou poche sous vide). Cette bonne capacité à drainer les gaz est antagoniste avec de bonnes performances de barrière à l’humidité (effet de porosité). Par le procédé de l’invention, l’élément en gradin est fabriqué en une seule ou en plusieurs parties.

Un autre objet de l’invention consiste en l’application du vitrage feuilleté décrit ci- dessus comme vitrage de bâtiment, de véhicule terrestre, aérien ou aquatique, ou pour le mobilier urbain, en particulier comme vitrage de cockpit de véhicule aérien.

L’invention sera mieux comprise à la lumière des exemples suivants, en référence aux dessins annexés dans lesquels

[Fig .1 ] représente schématiquement en coupe une première réalisation du vitrage feuilleté de l’invention ;

[Fig .2] représente schématiquement en coupe une seconde réalisation du vitrage feuilleté de l’invention ;

[Fig .3] est une vue schématique partielle d’un vitrage feuilleté selon l’invention en appui des explications spécifiques relatives à la perméabilité à la vapeur d’eau de l’élément en gradin (« zed ») en matériau polymère.

Dans ces exemples, une feuille de verre désigne une feuille de verre aluminosilicate trempée chimique, commercialisée par la Société Saint-Gobain Sully sous la marque enregistrée Solidion®.

En référence aux Figures 1 et 2, un vitrage feuilleté comprend une première feuille de verre 1 constituant une face extérieure du vitrage, de 3 mm d’épaisseur, collée à une seconde feuille de verre 3 de 8 mm d’épaisseur par une première couche adhésive intercalaire 2 de polyvinylbutyral (PVB) de 5,3 mm d’épaisseur.

Une troisième feuille de verre 5 de 8 mm d’épaisseur est collée à la seconde 3 par une seconde couche adhésive intercalaire 4 de polyvinylbutyral (PVB) de 2 mm d’épaisseur.

Le bord de la première feuille de verre 1 est en retrait par rapport à celui de la seconde 3, une partie périphérique de la surface libre de la première feuille de verre 1 , le chant de cette dernière 1 , le chant de la première couche adhésive intercalaire 2 et une partie de la surface de la seconde feuille de verre 3 débordant de la première feuille de verre 1 décrivant un contour continu en gradin qui est recouvert par un élément en gradin 7 en polytéréphtalate d’éthylène (PET) de 355 pm d’épaisseur.

Ledit contour continu en gradin est recouvert par l’élément en gradin 7 avec interposition d’une épaisseur de 100 pm de colle 6 en polysulfure. Sur la Figure 2, l’élément en gradin 7 est recouvert par un joint 8 d’étanchéité à l’air et à l’eau, en silicone, et par une goutte 9 en polysulfure qui procure au vitrage feuilleté une continuité aérodynamique entre vitrage et structure de montage telle que structure avion et une bonne inertie aux fluides de traitement comme déjà explicité.

En référence aux Figures 1 et 2, l’élément en gradin 7 peut être plus étendu que représenté, de manière à recouvrir par exemple tout le bord périphérique du vitrage feuilleté, notamment aussi les chants de la seconde feuille de verre 3, de la seconde couche adhésive intercalaire 4, et de la troisième feuille de verre 5.

En référence à la Figure 3, relativement à l’élément en gradin 7 en PET collé sur le chant du vitrage feuilleté, trois flux d’humidité (vapeur d’eau) sont à considérer :

- flux cheminant à travers la colle entre l’élément en gradin 7 et la première feuille de verre 1 , d’épaisseur h1 ;

- flux cheminant à travers la colle entre l’élément en gradin 7 et la seconde feuille de verre 3, d’épaisseur h2 ;

- flux cheminant à travers l’élément en gradin 7 d’épaisseur e _Z ed.

Ces trois flux diffusent dans la première couche adhésive intercalaire d’épaisseur H.

On peut alors introduire la notion de barrière équivalente correspondant à un matériau fictif couvrant exactement l’épaisseur d’intercalaire sur la périphérie du vitrage. Les propriétés de perméation à la vapeur d’eau de la barrière équivalente sont alors définies par

[Math 1 ]

/l /i H

Peq ' H = Pi— + P ₂ — + P _ze d

L1 ^l 2 e zed

Les valeurs nécessaires au calcul de p _eq , et le résultat sont consignés dans les tableaux suivants, pour quatre structures de vitrage feuilleté précisées sous chacun des tableaux. TABLE 1]

Comme le montre la comparaison des Tableaux 1 et 2 d’une part, 3 et 4 d’autre part, le remplacement d’un élément en gradin 7 métallique par un élément en gradin 7 en PET est apte à donner une perméabilité p abaissée de 0,87 à 0,67 g/m ² /jour d’une part, de 0,91 à 0,68 g/m ² /jour d’autre part.

En effet le matériau polymère, déformable, épouse plus facilement la forme du vitrage sans contraintes de montage. Son emploi permet de réduire les épaisseurs de colle de 500 pm ou 1 mm à 100 miti, d’où la possibilité de diminuer la valeur de la perméabilité p par rapport au zed (élément en gradin) 7 métallique.

Le zed non métallique supprime tous les inconvénients liés à l’électroconductivité des métaux, comme attendu. Les coûts de fabrication sont plus faibles pour le matériau polymère, notamment par thermoformage, que pour les métaux, surtout en ce qui concerne les outillages.