L'invention se rapporte au domaine des fibres de verre, plus particulièrement pour une utilisation en tant que renfort de matrices du type thermoplastique ou thermodurcissable, de préférence thermoplastique. Plus particulièrement l'invention concerne l'utilisation de fils de verre de renforcement, par exemple de stratifils ou roving selon le terme anglais, dans des procédés continus de fabrication d'éléments composites. Dans la suite de la description, on parlera indifféremment de fil, de roving ou de stratifil.

Suivant la nature des propriétés mécaniques recherchées dans un matériau composite, comprenant typiquement une matrice plastique renforcée de fibres de verre, il est connu que celles-ci peuvent se présenter sous diverses formes, notamment en fonction de leur mode d' introduction dans la matrice. On distingue ainsi le roving, encore appelé roving direct, constitué par un ensemble de filaments parallèles, assemblés sans torsion. Les filaments de verre obtenus par étirage mécanique ne sont pas torsadés mais maintenus parallèles pour former un ruban plus ou moins large et aplati. Le fil de base est enduit au cours de sa production d'un ensimage ayant pour principales fonctions de renforcer la protection du fil contre l'abrasion, de maintenir une liaison entre les filaments et d'assurer la compatibilité et le bon accrochage entre la matrice et le renfort lors de phases ultérieures d'imprégnation.

Le roving se présente en général après fabrication en pelote avec ou sans tube. Dans le cadre de la présente invention, indistinctement, le roving peut être de dévidage intérieur ou extérieur. Par exemple, il se présente sous la forme de pelote avec dévidage intérieur ou de bobine lorsque l'on effectue le dévidage par l'extérieur, la présentation de la bobine étant le plus souvent avec tube. Selon les procédés pour lesquels ils sont destinés, les rovings peuvent être divisés en deux groupes principaux, à savoir : les rovings pour coupe, c'est à dire destinés à être coupés au cours d'opérations ultérieures, par exemple dans des procédés de projection, de fabrication de préforme, de mat préimprégné, de moulage en continu etc., et les rovings pour enroulement, c'est à dire destinés après bobinage à être directement utilisés sans être coupés dans le procédé ultérieur de fabrication d'une pièce composite (par exemple dans des procédés de pultrusion) ou de transformation aval du roving

(par exemple dans des procédés de tissage, de fabrication de surface textile tel que le tricotage, le tissage ou de fabrication de mat à fil coupé ou continu.

En particulier, on peut citer dans cette dernière utilisation les procédés dits « Hot-melt », selon le terme anglais, dans lesquels on cherche par exemple à obtenir des granulés fibres longues selon un procédé du type pultrusion thermoplastique ou les procédés dits fibres longues directs souvent appelés D-LFT qui ne nécessite pas l'utilisation de semi-produits. Ces procédés directs D-LFT permettent l'obtention de matériaux composites à fibres longues par injection ou compression. Selon ces procédés, on introduit directement le fil continu au sein d'une extrudeuse, permettant la coupe de celui-ci et son imprégnation par la matrice thermoplastique. Les procédés D-LFT comprennent ensuite une étape d'injection ou de compression de ce mélange obtenu, aboutissant à l'obtention directe d'une pièce en matériau composite. Pour

plus de précision sur ces procédés et leur mise en œuvre, on pourra par exemple se reporter aux ouvrages de référence « Techniques de l'ingénieur, Traité plastiques et composites, A 3720 » ou encore « Technologie des composites, M. Reyne, éd. Hermès, 1998 ».

Sans qu'elle y soit limitée, la présente invention trouve particulièrement son application dans ces derniers procédés . En particulier et tel que cela sera décrit dans la suite de la description, l'invention présente de nombreux avantages lors de la mise en œuvre de tels procédés.

Plus particulièrement, le procédé selon l'invention permet d'obtenir une rattache entre deux fils de verre, par exemple entre deux enroulements de roving et ainsi le passage d'un enroulement à un autre sans arrêter le procédé de fabrication ou de transformation dans lequel il intervient.

Pour obtenir une telle attache, deux procédés sont connus et utilisés à l'heure actuelle.

Selon un premier procédé, le plus couramment utilisé, les rattaches entre deux enroulements de fibres de verre

(textile, roving...) sont obtenues grâce à un système pneumatique. Ce système est plus largement utilisé dans l'industrie textile sous le nom de « air splice » selon le terme anglais et est commercialisé en France par exemple par la société Mesdan.

Les mèches des enroulements devant être liées sont composées d'une multitude de filaments. Les deux mèches sont placées l'une contre l'autre sur une longueur de 10 cm environ, et l'application d'air comprimé sous pression permet d'entremêler les deux mèches entre elles et d'obtenir ainsi le lien.

Selon un deuxième procédé, le lien est assuré au cours d'une première étape en utilisant le système précédent. La différence vient du fait qu'on effectue ensuite un guipage de

ce lien initial composé des mèches entremêlées, avec un autre élément tel qu'un ou plusieurs fils textile, par exemple de polypropylène ou de polyamide. Le guipage effectué permet d'une part de protéger le lien notamment contre l'abrasion et d'autre part d'augmenter sensiblement sa résistance à la traction.

Dans ces deux cas les propriétés mécaniques obtenues après liaison par entremêlement des filaments des deux mèches sont insuffisantes pour résister aux sollicitations sur les fils de verre dans les différents procédés dans lesquels elle doit être utilisée sous tension et en continue dans lesquels le passage d'un enroulement de fibres de verre à un autre doit se faire sans arrêt du procédé de fabrication du composite ou de transformation de la fibre.

Les insuffisances observées sont de trois ordres :

a) une trop faible résistance à la contrainte, c'est à dire une valeur de contrainte à la rupture en traction insuffisante pour l'application recherchée :

Un « simple » entremêlement des filaments des deux mèches de fibres de verre que l'on lie entre elles donne lieu à une résistance à la traction au niveau du lien inférieure à 40% de la résistance à la traction de la mèche de fibres de verre elle-même, c'est à dire sans ledit lien. De manière générale, on a observé que la résistance à la traction obtenue est le plus souvent de l'ordre de 30% de la résistance de la fibre. Le deuxième procédé dans lequel on effectue un guipage supplémentaire ne permet pas d'améliorer la résistance à la traction dans des proportions suffisantes pour permettre une utilisation dans les procédés précédemment décrits. Ainsi, on a pu mesurer que la

résistance traction du lien, ne permet d'atteindre au mieux que 45% de la résistance traction du fil initial.

En outre, plus la longueur du lien obtenu par système pneumatique et entremêlement des filaments est court, plus la résistance traction du lien sera faible, ce qui occasionne de fortes longueurs de joints.

b) la présence d'une sur-épaisseur importante:

La réalisation d'un lien par entremêlement induit au minimum un doublement de l'épaisseur du lien par rapport à l'épaisseur initiale du roving. On observe en effet une augmentation sensible de volume en raison de la désorganisation des fibres sous l'effet de l'air comprimé.

Cette sur-épaisseur peut entraîner la rupture du lien dans les procédés de transformation du fil de verre nécessitant un certain trajet de celui-ci lors de sa transformation, par exemple entre des rouleaux d'un dispositif d'embarrage ou dans des filières, notamment lors de l'obtention du composite. Par exemple, ce problème est particulièrement critique dans un procédé Hot-Melt tel que précédemment décrit, lors de passage du lien dans la filière d'imprégnation des fibres par la matrice, filière dont le diamètre est le plus souvent proche du double de l'épaisseur de la mèche initiale d'un enroulement de fibres de verre.

c) la présence de filaments de verre libres aux deux extrémités du lien :

Ces filaments libres sont sources de casses de filaments et d'amorce de rupture du lien par exemple lors de passage sur les rouleaux d'embarrage ou dans des filières d' imprégnation .

En outre, ces filaments s'accumulent par la suite dans la filière d'imprégnation, sont alors une source

supplémentaire d'abrasion de la fibre et modifient localement la viscosité de la matière plastique fondue.

Le guipage effectué selon le second procédé autour du lien obtenu par entremêlement des filaments permet de limiter la présence des filaments libres aux extrémités des liens . Cependant, ce guipage augmente à nouveau l'épaisseur du lien au niveau de l'épissure et ne permet pas en principe d'obtenir une épaisseur régulière du lien, l'opération devant être en général manuelle. La présente invention se rapporte selon un premier aspect à un procédé d'obtention d'un lien utilisable dans l'ensemble des procédés continus de transformation de la fibre de verre sans rencontrer les problèmes précédemment décrits se rapportant à la liaison des fils de verre, c'est à dire répondant à l'ensemble des contraintes mécaniques, physiques et chimiques imposées par lesdits procédés.

Dans sa forme la plus générale, la présente invention se rapporte à un procédé de liaison entre les extrémités d'au moins deux fils de verre ou roving, dans lequel on imprègne lesdites extrémités par un matériau comprenant une matière thermoplastique ou thermodurcissable ou par un mélange d'une matière thermoplastique et d'une matière thermodurcissable dans une zone de recouvrement calibrée par des moyens de calibrage tels qu'un ensemble moule/contre-moule, ledit matériau étant introduit dans les moyens de calibrage sous une forme fondue ou sous une forme solide, ledit matériau et les extrémités des fils étant ensuite soumis dans la zone de recouvrement à des moyens de fusion au moins partielle et de préférence totale du matériau.

De manière non limitative, lesdits moyens de fusion sont par exemple compris dans le groupe des moyens de chauffage lasers, électriques, Infra-rouge et de manière générale tout moyen de chauffe par convexion, conduction ou radiation. Selon un mode préféré, la présente invention se rapporte à un procédé de liaison entre au moins deux fils de verre dans lequel on applique sur les extrémités des fils à raccorder, dans une zone de recouvrement, une accroche constituée par ou comprenant une matière thermoplastique ou thermodurcissable ou un mélange d'une matière thermoplastique et d'une matière thermodurcissable sensible aux ultrasons, puis on soumet ladite accroche et les extrémités des fils, dans la zone de recouvrement, à des vibrations mécaniques dans la gamme des ultrasons dont la fréquence, l'amplitude et la durée permettent la fusion au moins partielle et de préférence totale de l'accroche et la jonction des fils.

Par sensible aux ultrasons, il est entendu au sens de la présente description que le matériau lui même absorbe les ultrasons ou comprend au moins un composant absorbant les ultrasons et s'échauffe sous l'action de telles ondes, dans une proportion susceptible d'entraîner la fusion au moins partielle du matériau thermoplastique.

Le système de rattache obtenu, résultant d'un procédé incorporant l'ajout d'une matière supplémentaire et de manière préférée l'utilisation d'une technologie de soudage par ultrason, permet d'obtenir selon l'invention un lien de nature «matériau composite» ou lien composite, ayant des caractéristiques et propriétés mécaniques étonnamment performantes, tel que cela sera décrit par la suite. On entend en particulier par lien composite un assemblage dont la structure est celle d'un matériau composite, c'est à dire se caractérisant par un couplage fibre/matrice garantissant les propriétés mécaniques recherchées. Le lien ainsi réalisé peut être de très faible longueur, n'engendre pas de

filaments libres aux extrémités du lien et présente des caractéristiques mécaniques et d'épaisseur permettant son utilisation dans les procédés précédemment décrits.

De façon surprenante, on a observé que l'utilisation de matrices thermoplastiques fondues par exemple par l'application de vibrations ultrasoniques en présence des filaments de verre permet de générer au niveau de la zone de recouvrement un lien composite comprenant des liaisons particulièrement résistantes et des propriétés mécaniques étonnamment renforcée. L'invention permet ainsi l'obtention de fils continus ayant une résistance à la traction légèrement inférieure mais comparable à celle de la fibre de verre initiale, c'est à dire sans lien. Ainsi, les valeurs de résistance à la traction observées des liens selon l'invention (voir les exemples fournis) sont supérieures ou égales à 70% de la valeur de résistance à la traction du roving lui-même, le plus souvent supérieures ou égales à 80% et plus particulièrement proche de, voire supérieures à 85% lorsque des vibrations ultrasoniques sont utilisées.

Sans que cela puisse être relié à ou interprété comme une quelconque théorie, les valeurs étonnamment élevées de résistance à la traction du fil continu incorporant l'attache selon l'invention, quelque soit le moyen de fusion utilisé, pourrait s'expliquer par une interaction forte entre au moins l'un des constituants de l'ensimage utilisé lors de la fabrication du roving et du matériau thermoplastique utilisé. Selon une explication possible, lors de la formation du lien, le matériau thermoplastique fondu pourrait réagir avec un ou plusieurs des composants de l'ensimage déjà présent sur la fibre, en particulier les systèmes collants des ensimages comme par exemple le silane ou ses dérivés et permettre ainsi, en plus de l'accroche mécanique, une liaison de nature chimique entre les filaments, qui contribue fortement à

θ

augmenter les propriétés de résistance mécanique du lien finalement obtenu entre les fils ou roving.

En outre, les propriétés mécaniques améliorées du lien permettent en conséquence d'en réduire fortement la longueur, jusqu'à une longueur de l'ordre de quelques centimètres, par exemple de 1 à 5 cm, voire de l'ordre du centimètre.

De plus la liaison des filaments de fibres de verre entre eux par le matériau thermoplastique, permet d'éviter toute présence de filaments libres aux extrémités du lien. Avantageusement, pour s'assurer de n'avoir aucun filament libre, la dépose du matériau thermoplastique s'effectue sur une longueur très légèrement supérieure à celle de la superposition des deux mèches des enroulements ainsi joints.

Selon le mode préféré de mise en œuvre du procédé, l'utilisation d'une technologie de soudage par ultrasons pour l'obtention du lien présente en outre de nombreux avantages :

Selon un premier avantage, la force du lien composite entre les enroulements de fibres de verre est encore renforcée par l'utilisation de la technologie de soudure par ultrason appliquée à la fibre de verre. De plus, la technologie ultrason permet de fondre le matériau thermoplastique de manière très rapide et ne comporte pas de risques tant au niveau de la réalisation des liens, qu'au niveau du facteur humain, c'est à dire de la sécurité de l'opérateur. Selon une théorie possible pour expliquer la force encore améliorée du lien obtenu selon ce mode, l'utilisation conjointe des ultrasons et d'un matériau thermoplastique réagissant fortement aux sollicitations ultrasoniques pourrait permettre une meilleure accroche du fait : - de la dissociation partielle des filaments constituant le roving qui en résulte et

de la pénétration de la matrice en fusion jusqu'au cœur du roving pour entourer les filaments en partie dissociés, également sous l'effet des vibrations ultrasoniques .

L'utilisation de vibrations dans la gamme des ultrasons permet ainsi non seulement d'augmenter la surface de contact mais aussi la qualité de l'interface entre le verre et la matière thermoplastique en fusion.

L'utilisation conjointe des ultrasons et d'un matériau thermoplastique favorise la création d'un lien dont les propriétés mécaniques sont améliorées. En particulier, les essais réalisés par le demandeur et reportés dans les exemples qui suivent ont montré que dans ce mode de réalisation, la résistance à la traction est de façon étonnante comparable à celle du roving de fibres de verre initial .

Selon la technique de soudure par ultrason, le matériau thermoplastique est fondu au moins partiellement et de préférence totalement sous l'effet de vibrations à des fréquences dans le domaine de l'ultrason, en général comprises entre 20 et 100 kHz, de préférence entre 20 et 40 kHz et d'amplitude très réduite et adaptée en fonction de la fréquence utilisée, pour ne pas casser ou fissurer les filaments de verre. En pratique, l'amplitude est en général d'autant plus faible que la fréquence de vibration est élevée. En fonction de la fréquence utilisée, l'amplitude de vibration sera typiquement comprise entre 0,1 et 1 mm, de préférence entre 0,1 et 0,5 mm. La durée du traitement aux ultrasons est bien entendu choisie en fonction de la fréquence et de l'amplitude des ultrasons et du temps nécessaire dans ces conditions pour faire fondre au moins partiellement et de préférence en totalité le matériau

thermoplastique. Pour une application industrielle, elle est en général de quelques secondes, de préférence de l'ordre de la seconde.

Avantageusement, la soudure par la technologie des ultrasons peut permettre de calibrer l'épaisseur du joint. Pour cela on utilise avantageusement un dispositif à vibration permettant de générer des vibrations à une fréquence ultrasonore, habituellement utilisé pour la réalisation de lien entre matériaux plastiques, tels que ceux développés et commercialisés par les sociétés Rinco ultrasonic et Branson ultrasonics . Le dispositif comprend de façon connue une sonotrode mise en vibration par un transducteur piézoélectrique. Le piézoélectrique permet la transformation de l'énergie électrique en vibrations mécaniques, dans la gamme des ultrasons. Avantageusement, le dispositif employé selon l'invention est formé de deux parties : un support usiné et calibré pour présenter en position sensiblement centrale une veine de forme sensiblement hémicylindrique de rayon défini et une partie supérieure, comprenant également une veine de même forme hémicylindrique. Les deux parties sont montées de telle façon que l'assemblage du support et de la partie supérieure forment ainsi une goulotte de forme cylindrique et de diamètre sensiblement égal au diamètre du lien finalement obtenu. Le support et la partie supérieure du dispositif forment ainsi un moule et un contre-moule calibrés, permettant de contrôler la forme et la régularité du lien obtenu. Au final, le procédé permet d'obtenir une surépaisseur minime et régulière qui avantageusement peut être inférieure à 2 fois l'épaisseur du fil initial. La partie supérieure du dispositif est en liaison avec un transducteur piézoélectrique permettant d'appliquer l'onde ultrasonique sur la portion des fibres et le matériau thermoplastique à fondre.

Le matériau thermoplastique utilisé est de préférence sélectionné en fonction du procédé ultérieur de transformation de la fibre ou de fabrication d'un composite, par exemple en tenant compte de la compatibilité dudit matériau avec les matrices utilisées dans les procédés de transformation .

Selon un autre exemple, dans le cadre des procédés d'imprégnation dits « Hot-Melt » pour la réalisation de granulés thermoplastiques renforcés de fibres de verre, les matières thermoplastiques utilisées pour effectuer le lien sont sélectionnées pour avoir une forte compatibilité avec la matrice utilisée dans le composite et également un point de fusion légèrement supérieur à celle-ci, par exemple supérieur d'au moins 5 ⁰ C et de préférence supérieur d'au moins 1O ⁰ C, de manière à ce que le lien conserve l'ensemble de ses qualités et caractéristiques lors de la transformation de la fibre de verre.

Selon l'invention, le matériau thermoplastique utilisé comme lien comprend par exemple une matrice à base d'un polymère choisi parmi les polypropylènes (PP) , les polyamides (PA) , les polyéthylènes téréphtalate (PET) , les polybutylène téréphtalate (PBT) , les acrylonitrile-butadiène-styrènes (ABS) .

Il est connu que les matériaux thermoplastiques sont plus ou moins sensibles aux ultrasons, par exemple en fonction de la longueur des chaînes moléculaires. Selon l'invention, la gamme de fréquence et d'amplitude est adaptée à l'utilisation d'un matériau thermoplastique. Ledit matériau thermoplastique est lui-même adapté à son utilisation en temps que lien, selon des techniques bien connues de la soudure thermoplastique par ultrason. En particulier, le matériau en question présente avantageusement une forme particulièrement adaptée à une utilisation rapide, c'est à dire un temps de

soudure le plus faible possible. En général l'accroche thermoplastique est de forme plate et de faible épaisseur et largeur. Par exemple, la longueur de l'accroche est d'environ 0,1 cm à 3 cm, et plus précisément entre 0,5 cm et 1 cm. Sa largeur est avantageusement plus importante que celle des fils de verre à souder pour faciliter sa mise en place. Le surplus est par exemple découpé par les moule et contre-moule utilisés lors de la soudure ultrason, et prévu à cet effet. L'épaisseur de l'accroche varie de 50 μm à 2 mm et de manière préférée de 100 μm à lmm.

Les avantages liés à la mise en œuvre de la présente invention sont illustrés par l'exemple qui suit, fourni à titre purement illustratif. Il est bien entendu que cet exemple ne doit, sous aucun des aspects décrits, être considéré comme limitatif de l'invention.

Exemple 1 :

Dans cet exemple, on a réalisé selon l'invention une liaison entre deux enroulements de fils de verre sous forme de roving, de diamètre 17 μm et de titre 2400 tex. Le lien a été réalisé en utilisant un dispositif à vibrations ultrasoniques commercialisé par la société Rinco ultrasonic et tel que précédemment décrit. Les deux extrémités ou mèches des enroulements ont été dans un premier temps superposées sur une longueur de 1 cm au contact d'un matériau thermoplastique comprenant une matrice de polypropylène commercialisé par la société 3M sous la référence Thermo-bond film 845 ® d'épaisseur lOOμm. La largeur de l'accroche a été fixée dans cet exemple à 1 cm et sa longueur à 2 cm, au niveau de la veine hémisphérique du support. Après positionnement de la partie supérieure, l'ensemble est ensuite soumis à des ondes ultrasons de fréquence 35 kHz avec une amplitude de vibration de 0,5 mm. La durée du traitement

est de 1 seconde. Après traitement, on retire du système moule/contre-moule un lien uniforme de longueur 1 cm ± 2mm et de diamètre sensiblement égal, voire inférieur à deux fois celui du fil initial. On n'observe visuellement pas de filaments de verre libres aux deux extrémités du lien.

Au total, 10 essais successifs ont été réalisés pour mesurer la contrainte à la rupture en traction selon la méthode ISO 3341

Exemple 2 (comparatif) : Dans cet exemple, un roving de même nature que celui décrit dans l'exemple 1 a été utilisé, ne comportant pas de lien. La contrainte à la rupture en traction a été mesurée de la même façon que pour l'exemple 1.

Exemple 3 (comparatif) : Dans cet exemple, deux fils de même nature que celui décrit dans l'exemple 1 ont été raccordés sur une longueur de 10 cm en utilisant la technique « air splice » de l'art antérieur, précédemment décrite. La contrainte à la rupture en traction a été mesurée de la même façon que pour l'exemple 1. Le diamètre du lien est de 2,5 à 3 mm et ne présente pas d'aspect régulier, en raison de l'augmentation de volume du fil due à la technique d'utilisation de l'air comprimé.

Exemple 4 (comparatif) :

Dans cet exemple, deux fils de même nature que celui décrit dans l'exemple 1 ont été attachés en utilisant la technique

« air splice » de l'art antérieur précédemment décrite suivant le même protocole, puis le lien obtenu a été guipé par des fils polyamide pour en augmenter la résistance à la traction. La contrainte à la rupture en traction a ensuite été mesurée de la même façon que pour l'exemple 1.

Exemple 5 :

Dans cet exemple, on a réalisé une liaison entre deux enroulements de fils de verre sous forme de roving selon les mêmes conditions que celles décrites dans l'exemple 1 avec pour exception qu'une attache comprenant un mélange de matériau thermoplastique et de matériau thermodurcissable, commercialisé par la société 3M sous la référence Scotchweld

583® a été cette fois utilisé pour établir le lien.

L'épaisseur de l'accroche thermoplastique/thermodurcissable est de 0,15 mm.

Exemple 6 :

Dans cet exemple, une matrice thermoplastique a été introduite à chaud dans un dispositif moule/contre-moule au contact des extrémités des fils, tel que précédemment décrit. Le matériau est introduit sous forme liquide au moyen d'un système de dépose du type « Hot-melt » (c'est à dire permettant de déposer le matériau thermoplastique fondu) . Le matériel utilisé est commercialisé par la société Nordson sous le nom « dispensing gun - classic hotmelt ». Le thermoplastique utilisé est un polypropylène, commercialisé sous forme de poudre, granulés ou bâtonnets.

Le tableau 1 donnent les valeurs expérimentales de résistance à la traction des différents fils, obtenues pour les six exemples précédemment décrits :

Tableau 1 : Valeur de la résistance traction moyenne déterminée sur différents liens

On voit que le fil continu obtenu selon l'invention est extrêmement résistant à la traction, la valeur moyenne obtenue étant plus de deux fois supérieure à celle obtenue pour la méthode « air spice » et très supérieure à celle obtenue pour la méthode « air spice + guipage », quelle que soit la méthode d'imprégnation de la fibre par l'accroche. Les résultats obtenus démontrent l'étonnante résistance du lien obtenu selon l'invention, par comparaison avec la résistance du roving initial, sans lien. De telles caractéristiques permettent, sans crainte de rupture du fil continu constitué par des rovings reliés par des attaches selon l'invention, une application dudit fil continu dans les

procédés précédemment décrits et de manière général dans tous les procédés dans lequel le fil est soumis à une forte tension et/ou un passage en filière calibrée. En outre, le lien ainsi réalisé peut être de très faible longueur et n'engendre pas de problèmes liés à la présence de filaments libres aux extrémités des liens entre rovings .