L'INJECTION THERMOPLASTIQUE, ET PRODUIT AINSI OBTENU

DOMAINE DE L'INVENTION

L'invention concerne la préparation d'un produit textile semi-fini comprenant une couche drainante associée à un tissu renfort imprégné à cœur de polymère thermoplastique. Le domaine d'utilisation de la présente invention concerne les matériaux composites pouvant être fabriqués par injection d'une résine thermoplastique. Ces composites peuvent notamment trouver une application dans l'industrie automobile, le nautisme, les sports et loisirs. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE

La fabrication de pièces composites combinant des renforts textiles et de la résine, peut être mise en œuvre selon différentes techniques bien décrites dans l'art antérieur. Il peut notamment s'agir de moulage par infusion ou de moulage par injection.

L'infusion consiste à réaliser une pièce composite en empilant dans un moule plusieurs couches de tissus de renfort et ensuite diffuser de la résine au sein de cet empilement. La répartition homogène de la résine est assurée en mettant l'ensemble sous vide. Une fois l'air évacué et la résine répartie, cette dernière est durcie voire réticulée dans le cas de résines thermodures.

Comme le décrit le document WO 2005/118266, la répartition de la résine peut être facilitée en positionnant un élément drainant entre les tissus de renfort. Dans les procédés de moulage par injection, une résine relativement visqueuse est injectée en plusieurs points afin de pénétrer un renfort multicouche. La répartition homogène de la résine peut être assurée par la présence d'une structure ajourée au sein du renfort, formant une couche drainante . La résine est ensuite réticulée ou durcie dans le cas d'un thermoplastique, pour former la pièce composite.

Toutefois, la répartition de résine thermoplastique peut être problématique et ce en dépit de l'amélioration des renforts multicouches utilisés dans les procédés de moulage par injection de l'art antérieur. En effet, les renforts peuvent comprendre des zones de porosité au sein des fils les constituant, entraînant ainsi une baisse des propriétés mécaniques de la pièce composite. En d'autres termes, l'injection d'une matière thermoplastique par nature visqueuse ne pénètre pas suffisamment à cœur.

On pourrait imaginer que la pénétration de la résine soit améliorée par une injection sous haute pression, mais cela engendrerait une déformation/écrasement de la couche drainante et du renfort qui dégraderait les propriétés mécanique de l'ensemble. Le Demandeur a mis au point un procédé permettant de remédier à ces problèmes en assurant l'imprégnation d'un composé thermoplastique au cœur du renfort, notamment dans le cadre du moulage par injection thermoplastique.

Ce procédé permet de résoudre les problématiques de porosité lors de l'injection de matière thermoplastique sur le renfort.

EXPOSE DE L'INVENTION

Le procédé objet de l'invention concerne la préparation d'un produit textile semi-fini destiné à être utilisé dans un procédé de sur-injection classique. Ce n'est qu'une fois ce produit textile semi-fini réalisé qu'il est placé dans un moule dans lequel est injectée une résine thermoplastique fondue de manière à obtenir, après refroidissement, une pièce composite. Le produit ainsi obtenu peut s'assimiler à un matériau partiellement préimprégné en ce sens qu'il comporte une fraction de matériau thermoplastique et que le matériau composite final sera obtenu par ajout de la fraction de résine supplémentaire apportée lors de l'injection. Ce produit textile semi-fini comprend au moins une couche de renfort dont les fils sont imprégnés à l'issue du procédé présentement décrit.

Il s'agit d'imprégner les fils d'un ou plusieurs composés thermoplastiques. En d'autres termes, les interstices entre filaments constituant les fils sont mieux imprégnés de matière thermoplastique au moyen du procédé selon l'invention.

Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de préparation d'un produit textile semi-fini destiné à l'injection thermoplastique, selon lequel un complexe multicouche comprenant au moins une couche de renfort associée à au moins une couche drainante, est imprégné avec au moins un composé thermoplastique par passage dans une solution aqueuse contenant ledit au moins un composé thermoplastique.

On distingue donc le composé thermoplastique mis en œuvre dans l'imprégnation du complexe multicouche, de la résine thermoplastique utilisée ultérieurement à la préparation du produit textile semi-fini afin de réaliser une pièce composite.

Le complexe multicouche est imprégné par le composé thermoplastique pour former le produit textile semi-fini selon le procédé objet de l'invention. Le produit textile semi- fini, c'est-à-dire le complexe multicouche imprégné, peut être ensuite utilisé pour réaliser une pièce composite par injection de la résine thermoplastique.

Pour plus de clarté, dans la suite de la description, le terme « solution aqueuse thermoplastique » est utilisé pour désigner la solution aqueuse contenant au moins un composé thermoplastique mise en œuvre dans le procédé de l'invention. Diverses variantes peuvent être envisagées concernant le complexe multicouche.

Le complexe multicouche peut ainsi être constitué d'une seule couche de renfort associée c'est-à-dire mécaniquement solidaire à une seule couche drainante. Dans la pratique, le complexe multicouche est formé par l'association entre le textile de renfort et le drainant. Le drainant, préalablement fabriqué à partir de filaments (ou fils), est complexé avec le renfort. Un deuxième renfort peut être associé au drainant de manière à former une structure en sandwich. Selon ce mode de réalisation particulier, le complexe multicouche comprend au moins une couche drainante intercalée entre deux couches de renfort, la couche drainante étant avantageusement mécaniquement solidaire des deux couches de renfort.

La couche drainante peut se présenter sous la forme d'une grille, d'un tricot, ou d'un tricot tridimensionnel.

Selon les connaissances de l'homme du métier, une grille présente une structure ajourée assurant une répartition homogène de la résine lors des étapes d'injection de la résine thermoplastique. Les zones ouvertes entre les croisements des différents fils de la grille permettent le passage et le fluage de la solution aqueuse de la résine thermoplastique.

Un tricot présente une structure relativement lâche et déformable, permettant non seulement le passage de la solution aqueuse thermoplastique mais aussi le passage de la résine thermoplastique. Le tricot présente l'avantage de présenter une épaisseur relativement régulière constante sous pression, résistant donc de manière convenable à l'écrasement pour assurer un fluage permanent des matières thermoplastiques.

Un tricot tridimensionnel, également appelé tricot double face, présente une épaisseur générée par un tricotage d'au moins deux nappes de fils avec des fils de liage.

De manière générale, la couche drainante peut notamment être fabriquée à partir de fils synthétiques à base, par exemple, de polyester, de polyamide, ou à partir de fils de verre retordus. Il peut également s'agir de fils constitués de matière thermoplastique, avantageusement identique à la matière injectée ou au moins compatible avec cette matière.

Les fils de verre retordus présentent un bon comportement de résilience et une résistance à la compressibilité de manière similaire à un mono filament synthétique, mais avec une qualité de mécanisation bien supérieure.

En ce qui concerne la couche de renfort, elle peut être avantageusement réalisée à partir de fils de haute ténacité, et tout particulièrement des fils de verre, d'aramide, de carbone ou équivalents.

La couche de renfort peut également se présenter sous la forme d'un mat de fibres coupées ou d'une étoffe tissée à partir de fils continus, ou d'une nappe de fils rectilignes de type NCF (de l'anglais « Non Crimp Fabric »), ou de la superposition de plusieurs nappes de fils rectilignes cousues, assurant ainsi un renforcement multi-axial.

La couche de renfort peut également résulter de l'association de plusieurs couches élémentaires de même nature ou de natures différentes. L'association drainant/renfort est généralement réalisée par collage, par aiguilletage, ou avantageusement par couture. Procédé

L'imprégnation du complexe multicouche est réalisée à cœur des fils formant la ou les couches de renfort. Il s'agit d'imprégner au mieux les interstices existant entre les filaments constituant les fils.

A l'issue de l'imprégnation, un certain degré de déformabilité du produit textile semi- fini est avantageusement maintenu.

En outre, la couche drainante conserve son caractère perméable à la résine thermoplastique, une fois le complexe multicouche imprégné.

Le composé thermoplastique mis en œuvre dans l'imprégnation du complexe multicouche est avantageusement un polymère pouvant notamment être choisi dans le groupe comprenant les polyamides ; les acryliques (notamment le polymethacrylate de methyle) ; les polyuréthanes et TPU (polyuréthane thermoplastique) ;les polyacétates de vinyle ; EVA (éthylène vinyl acétate) ; styrène/butadiène ; les polyesters ; PE (polyéthylène) ; PP (polypropylène) ; PPS (poly(sulfure de phénylène)) ; et le PEEK (polyétheréthercétone ou, en anglais « polyether ether ketone »). De manière générale, le composé thermoplastique est hydrodispersable permettant ainsi de préparer une solution aqueuse homogène. En d'autres termes, il peut être mis en dispersion dans l'eau à des concentrations comprises entre 6 et 600 g/L d'eau.

Comme déjà indiqué, il est utilisé en solution aqueuse. De manière avantageuse, la concentration en composé thermoplastique dans la solution aqueuse est comprise entre 200 et 500 g/L, plus avantageusement encore entre 200 et 300. La viscosité de la solution aqueuse résultante est avantageusement inférieure à 100 mPa.s, ce qui facilite l'imprégnation des fibres par la solution aqueuse. De manière générale, la durée d'imprégnation, ou vitesse de passage du complexe mutlicouche dans le bain, est avantageusement comprise entre 0,5 et 20 m/mn, selon le type de renfort à imprégner. Une fois, le complexe multicouche imprégné, il est avantageusement séché à une température pouvant être comprise entre 100 et 300°C, plus avantageusement encore entre 150 et 200°C.

Cette étape de séchage est préférentiellement réalisée dans un four à air chaud ou sur un cylindre chauffant.

Selon un mode de réalisation particulier, l'imprégnation du complexe multicouche peut comprendre un passage dans au moins deux bains, présentant tous des concentrations en composé thermoplastique pouvant être distinctes.

Par exemple, lorsque deux bains sont utilisés pour imprégner le complexe multicouche, la concentration du deuxième bain peut être inférieure à celle du premier.

Selon un autre mode de réalisation, la concentration du premier bain peut être inférieure à celle du deuxième bain, afin de privilégier l'imprégnation à cœur des fibres. Le second bain, présentant une concentration et une viscosité supérieures, permet de réaliser un revêtement plus en surface de la fibre ou d'augmenter le taux de composé thermoplastique du produit semi-fini.

L'imprégnation permet de faire pénétrer à cœur le composé thermoplastique. Toutefois, les monofilaments constituant la couche drainante étant très ouverts, la phase aqueuse thermoplastique n'obture pas la couche drainante qui conserve ses propriétés de perméabilité à la résine.

De manière générale, le composé thermoplastique est de même nature que la résine thermoplastique mise en œuvre ultérieurement pour fabriquer la pièce composite. Toutefois, les chaînes polymériques sont avantageusement de poids moléculaire supérieur pour la résine thermoplastique.

En outre, de manière avantageuse, la composition d'imprégnation n'est pas chargée.

De préférence, la température de fusion du composé thermoplastique est telle que le composé reste stable lors du procédé ultérieur d'injection. L'imprégnation au moyen du composé thermoplastique permet de lier les filaments et de conserver le caractère autodrainant lors de l'injection. L'homme du métier saura choisir le composé thermoplastique en fonction des propriétés finales désirées pour la pièce composite.

En outre, selon un mode de réalisation particulier, la solution aqueuse thermoplastique comprend un agent réticulant du composé thermoplastique. Ainsi, la solution aqueuse peut comprendre entre 0,5 et 20% en poids d'agent réticulant.

La réticulation partielle du composé thermoplastique permet notamment d'améliorer la tenue en température lors de l'étape d'injection pour fabriquer la pièce composite. La cohésion entre les fils du renfort, améliorée par cette réticulation partielle, permet également la tenue de la pièce composite elle-même lors de son utilisation ultérieure, si cette dernière se passe à des températures élevées. Le phénomène de réticulation demeure minoritaire et n'altère pas le caractère essentiellement thermoplastique du composé d'imprégnation. La réticulation partielle peut notamment être réalisée par cuisson à la suite de de l'étape de chauffage permettant d'éliminer l'eau provenant de la so lution aqueuse .

L'agent réticulant peut notamment être choisi dans le groupe comprenant les aminés, mélamines, les epoxy, les esters méthacryliques et acryliques. L'imprégnation du complexe multicouche permet d'obtenir un produit textile semi-fini présentant des canaux drainants dont la qualité et la régularité sont obtenues par fixation de la structure autodrainante. Ainsi, la présence du composé thermoplastique permet de maintenir la structure autodrainante jusqu'à la fusion des particules de composé thermoplastique, par la résine injectée ultérieurement.

Dans le produit textile semi-fini imprégné, le composé thermoplastique est en fait déposé au cœur des fils. Le composé thermoplastique et la résine thermoplastique d'injection remplissant des fonctions distinctes, diverses combinaisons composé thermoplastique/résine thermoplastique peuvent donc être envisagées.

Par exemple, la résine peut présenter de fortes propriétés de collage afin de créer des liaisons entre fils et éviter toute micro-contrainte et tout délaminage entre fils.

Quoi qu'il en soit, le composé thermoplastique d'imprégnation et la résine thermoplastique d'injection doivent être compatibles afin de limiter les risques de délaminage à la surface des fibres. La présente invention permet d'améliorer et rendre plus compatible l'interface le renfort et la résine. Ceci permet d'accroître les performances mécaniques du composite final. En outre, le composé thermoplastique imprégné à cœur du renfort permet de maintenir les fils dans leur position initiale et de limiter la déformation du renfort sous la pression d'injection.

Le procédé objet de l'invention permet l'imprégnation des filaments au cœur des fils, ce qui n'est pas possible avec la résine thermoplastique lors de l'injection car cette dernière présente une viscosité trop élevée. D'autre part, la rapidité du procédé d'injection ne favorise pas cette imprégnation à cœur de la fibre.

Le procédé selon l'invention permet ainsi de réduire la porosité du cœur des renforts et donc d'améliorer les propriétés mécaniques de la pièce composite résultante.

Produit textile semi-fini

De manière avantageuse, le produit textile semi-fini obtenu à l'issue du procédé décrit ci-dessus comprend entre 2 et 40 % de composé thermoplastique retenu après imprégnation, en poids sec par rapport au poids sec du produit textile semi-fini, plus avantageusement encore entre 5 et 15%. La présence de cette quantité de composé thermoplastique au sein du produit textile semi-fini permet de compléter la quantité nécessaire à la fabrication améliorée de la pièce lors du procédé d'injection.

Comme déjà dit, le complexe multicouche peut présenter une pluralité d'éléments unitaires couche de renfort/couche drainante.

Par conséquent, le produit textile semi-fini peut comprendre un empilement de n couches drainantes et de n+1 couches de renfort, chaque couche drainante étant intercalée entre deux couches de renforts, n étant un nombre entier supérieur ou égal à 2.

De manière avantageuse, chaque couche drainante est associée (mécaniquement solidaire) à au moins un des renforts avec lesquels elle est en contact.

En d'autres termes, selon ce mode de réalisation particulier, le produit est constitué d'un empilement multiplis de renfort/drainant.

Le produit textile semi-fini ainsi obtenu présente des propriétés de déformabilité. Dans la pratique, certaines applications requièrent une déformabilité plus limitée du complexe, l'association entre la ou les couches drainantes et la ou les couches de renfort peut s'obtenir par combinaison du collage caractéristique avec un assemblage par couture ou tricotage des différentes couches entre elles. Ceci permet de conserver une déformabilité de l'ensemble appréciable dans le cas de réalisation de pièces de géométrie complexe, tout en augmentant la résistance à la délamination. Ce type d'assemblage permet de ne pas comprimer trop fortement les couches tout en assurant une bonne liaison de ces dernières.

Cet aspect peut s'avérer particulièrement important notamment lorsque le renfort est préformé à chaud.

Lorsque l'injection finale est terminée et la résine véhiculée (par la structure autodrainante) dans toute la pièce, la fusion des particules de la dispersion libère les filaments de renforts et permet ainsi un étalement des fils de renforts et ainsi une optimisation des performances mécaniques par la suppression de zones riches en résine et non renforcées.

Ce phénomène sera d'autant plus marqué que la température du moule est maintenue à la température de fusion des particules de dispersion

L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples suivants donnés afin d'illustrer l'invention et non de manière limitative.

EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION

Exemple 1 :

Un complexe multicouche comprenant deux tissus de renfort de 600 g/m ² armure toile à base de fils de verre de titre unitaire 1200 Tex disposés de part et d'autre d'un filet drainant formé d'un tricot, d'une masse surfacique de 110 g/m ² , d'une épaisseur de 0,7 mm (mesurée sous pression de 0,6 bar), et réalisé à partir de fils de polyester de type monofïlament de titre unitaire de 280 dTex est préparé. Les trois couches sont cousues avec du fil de polyester de titre 167 dTex. Ce complexe multicouche est ensuite immergé pendant 30 s dans une solution aqueuse contenant une dispersion de copolyamide dont la concentration (20%) permet d'obtenir un produit textile semi-fini contenant 10%> en poids sec de composé thermoplastique. Le tout est ensuite séché dans un four à 150°C pour évacuer toute l'eau présente dans le produit textile semi-fini pendant une durée approximative de quelques minutes. Ces phases d'imprégnation et séchage se font en continu à partir de rouleaux de complexe multicouche. Exemple 2 :

Un complexe analogue à celui de l'exemple 1 est imprégné avec une dispersion aqueuse de résine styrène-butadiène réticulée avec 10 % en poids de résine mélamine par rapport à la quantité de styrène butadiène. La concentration en matière sèche de la dispersion aqueuse est de 26% ceci afin d'atteindre un taux de 20% en poids de résine styrène-butadiène par rapport au poids total. L'ensemble est ensuite séché dans un four pour évacuer l'eau résiduelle présente sur le produit. La vitesse de ce procédé continu à partir de rouleau de complexe est de 2 m/mn.