FR3163298A3 - Profilé composite thermoplastique, cadre et procédé de fabrication dudit profilé - Google Patents

Profilé composite thermoplastique, cadre et procédé de fabrication dudit profilé

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FR3163298A3
FR3163298A3 FR2406512A FR2406512A FR3163298A3 FR 3163298 A3 FR3163298 A3 FR 3163298A3 FR 2406512 A FR2406512 A FR 2406512A FR 2406512 A FR2406512 A FR 2406512A FR 3163298 A3 FR3163298 A3 FR 3163298A3
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thermoplastic
reinforcing material
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CQFD Composites SARL
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Abstract

Un profilé composite comporte un corps (70) comportant des mèches de fibres unidirectionnelles formant un premier matériau de renfort, le premier matériau de renfort étant enrobé d’une première matrice en matière thermoplastique, le corps (70) étant au moins partiellement recouvert d’une couche externe (71). La couche externe (71) comporte un deuxième matériau de renfort formé de fibres courtes d’orientation aléatoire, le deuxième matériau de renfort étant enrobé d’une deuxième matrice en une deuxième matière thermoplastique. Cadre constitué de tels profilés Procédé de pultrusion pour produire de tels profilés. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Titre de l’invention : Profilé composite thermoplastique, cadre et procédé de fabrication dudit profilé
L’invention concerne un profilé composite à matrice thermoplastique du genre comportant un matériau de renfort enrobé dans une matrice de matière synthétique thermoplastique et un procédé de pultrusion thermoplastique réactive pour la fabrication dudit profilé. Elle vise également un cadre obtenu avec l’assemblage de plusieurs tronçons de profilé obtenus par le procédé.
Dans le domaine de la fabrication des panneaux solaires photovoltaïques ou thermiques, il est d’usage de réaliser un cadre entourant une plaque de verre servant de support aux cellules ou de vitre permettant d’obtenir un effet de serre.
Pour la réalisation des cadres, on trouve une technique fréquente d’utilisation de profilés comportant une partie tubulaire surmontée d’une gorge. La gorge est destinée à recevoir la plaque de verre, laquelle est alors en appui sur la partie tubulaire et retenue dans la gorge.
Le document EP 4 258 542 A1 montre un exemple d’un tel profilé réalisé par un procédé de pultrusion à matrice thermodurcissable. Les profilés sont coupés en onglet pour former un cadre avec des équerres insérées dans les parties tubulaires. Le profilé incorpore de fines nappes de textile en surface à des fins de renfort et de facilitation de l’accrochage des équerres. Ces nappes sont introduites dans l’outillage de pultrusion en même temps que des mèches de fibres longitudinales. Des exemples de nappes sont connus sous le nom « Unifilo » par Owens Corning. Le raccord de nappes lorsqu’un rouleau est épuisé crée une discontinuité dans le profil qu’il peut être nécessaire de supprimer, ce qui génère des contraintes importantes lors de la production. De plus, les nappes sont fournies avec des largeurs prédéterminées, il est nécessaire de les refendre, ce qui laisse toujours une chute.
L’assemblage des équerres et des profilés utilise des clous, ce qui induit des contraintes mécaniques à l’intérieur des profilés et a tendance à fragiliser ceux-ci. De plus, de tels profilés sont réalisés en résine thermodurcissable, de telle sorte que la recyclabilité des panneaux réalisés avec de tels profilés est faible.
Il a déjà été proposé de réaliser de la pultrusion en utilisant de la matière synthétique thermoplastique. Des précurseurs à l’état liquide sont mélangés pour former un mélange liquide réactif qui est introduit dans un outillage contenant les fibres défilant en continu. La température à l’intérieur de l’outillage est contrôlée pour provoquer une réaction de polymérisation du mélange réactif qui génère la matrice thermoplastique. Bien que la recyclabilité soit améliorée, la question de la fragilité dans le sens transverse n’est pas résolue.
C’est donc un objectif de l’invention de proposer un profilé composite qui soit recyclable et avec une résistance dans le sens transverse améliorée. C’est un autre objectif de proposer un cadre utilisant un tel profilé et un procédé de fabrication du profilé.
Avec ces objectifs en vue, l’invention a pour objet un profilé composite comportant un corps comportant des mèches de fibres unidirectionnelles formant un premier matériau de renfort, le premier matériau de renfort étant enrobé d’une première matrice en une première matière thermoplastique, le corps étant au moins partiellement recouvert d’une couche externe, caractérisé en ce que la couche externe comporte un deuxième matériau de renfort formé de fibres courtes d’orientation aléatoire, le deuxième matériau de renfort étant enrobé d’une deuxième matrice en une deuxième matière thermoplastique.
Le corps est ainsi fabriqué selon une méthode classique de pultrusion thermoplastique réactive, et il lui est adjoint une couche externe qui vient ajouter une résistance importante dans le sens transverse, du fait qu’une part importante des fibres courtes du deuxième matériau de renfort se trouvent orientées dans d’autres directions que la direction longitudinale du profilé. L’avantage d’utiliser un procédé de pultrusion thermoplastique réactive est qu’il est possible d’utiliser un corps ayant une très forte densité de matériau de renfort, ce qui permet d’obtenir un profilé ayant des caractéristiques mécaniques très intéressantes. La couche externe est facile à appliquer par un procédé de coextrusion par-dessus le corps déjà formé. On peut utiliser pour les fibres du premier et du deuxième matériau de renfort toutes les natures de fibres qui sont utilisées de manière classique comme renfort de composite, telles que des fibres de verre, de carbone, d’aramide ou des fibres naturelles telles que du chanvre ou du lin. Il n’est plus nécessaire d’alimenter le procédé avec des nappes à découper et rabouter, le procédé est continu et ne nécessite pas de gérer des discontinuités.
Selon une caractéristique avantageuse, le deuxième matériau de renfort représente au moins 20 % de la couche externe en volume. Une telle proportion est significative et ajoute une forte résistance en comparaison avec la deuxième matière thermoplastique pure. La proportion pourrait être supérieure à 30 %, voire supérieure à 40 % pour augmenter les caractéristiques mécaniques.
Selon un mode de réalisation, le corps comporte au moins une chambre de telle sorte que le corps est creux. On peut ainsi obtenir un profilé creux qui a de très bonnes caractéristiques mécaniques pour une masse limitée, ou qui peut servir également de conduit.
Selon une caractéristique avantageuse du profilé creux, la chambre étant délimitée par des parois de tube, l’épaisseur de la couche externe est comprise entre 10 % et 60 % de l’épaisseur totale des parois de tube. La couche représente une part significative des parois de manière à être déterminante dans les caractéristiques mécaniques de la paroi.
Selon une caractéristique avantageuse, l’épaisseur de la couche externe est comprise entre 0,2 mm et 2 mm. Même si ces limites peuvent être dépassées, c’est dans cette plage d’épaisseur qu’on obtient les meilleurs caractéristiques globales du profilé.
Selon un perfectionnement, la couche externe comporte un additif de protection anti-ultraviolets. Seule la partie en surface exposée à l’extérieur reçoit l’additif, ce qui évite d’ajouter l’additif dans la masse du corps qui est suffisamment protégé par la couche externe.
Selon un mode de réalisation, le profilé comporte une face d’appui sensiblement plane, une première aile s’étendant à la limite de ladite face d’appui dans une direction sensiblement perpendiculaire à la face d’appui et comportant un retour s’étendant parallèlement et en regard de la face d’appui pour délimiter une gorge. On obtient directement dans le profilé une gorge apte à recevoir et retenir un élément plan. Cette disposition est particulièrement intéressante dans l’utilisation du profilé pour la fabrication d’un cadre, les faces d’appui alignées dans le même plan permettant de maintenir l’élément plan.
Selon un perfectionnement, une deuxième aile s’étend à l’opposé de la première aile dans le même sens que le retour et parallèlement à la face d’appui. Cette deuxième aile peut être utile à la fixation de l’objet fabriqué avec ce profilé ou au renforcement mécanique du profilé.
Selon des applications, le profilé est utilisé pour réaliser un cadre de panneau solaire photovoltaïque ou thermique, une barrette pour pont thermique, un support de batterie, un cadre ou un seuil de fenêtre ou de porte.
L’invention a aussi pour objet un cadre de panneau, caractérisé en ce qu’il est formé par l’assemblage de tronçons de profilés pultrudés tels que décrit précédemment avec au moins une chambre, avec des équerres insérées dans la chambre des profilés pour raccorder les tronçons entre eux. La forme du cadre peut être rectangulaire ou de toute forme de polygone.
Selon un mode de réalisation, chaque tronçon est soudé avec les équerres qui y sont insérées.
L’invention a aussi pour objet un procédé de pultrusion selon lequel on forme un corps en faisant passer des mèches de fibres unidirectionnelles formant un premier matériau de renfort dans un outillage de pultrusion, et en imprégnant le premier matériau de renfort d’un mélange réactif thermoplastique, le corps étant durci après l’outillage de pultrusion, le corps durci étant recouvert d’une couche externe en passant dans une filière de coextrusion, caractérisé en ce qu’on alimente la filière de coextrusion avec une deuxième matière thermoplastique mélangée à des fibres courtes pour former la couche externe. L’utilisation de la coextrusion permet d’obtenir directement dans la continuité du procédé de pultrusion l’application de la couche externe, de telle sorte qu’on obtient une très bonne adhésion de la couche externe sur le profilé avec une très grande productivité. De plus, il est possible par le procédé d’extrusion d’inclure des formes fonctionnelles plus facilement qu’avec le procédé de pultrusion. De telles formes sont par exemple des rainures prévues pour recevoir des joints dans le cas de profilés de fenêtre.
Selon un mode de réalisation, on recycle des chutes de profilés à matrice thermoplastique pour former au moins en partie la deuxième matière thermoplastique. Dans tout processus de fabrication, il est pratiquement inévitable d’avoir des chutes, par exemple lorsque une barre de profilé est trop courte pour un nouveau tronçon après le débit de la barre en tronçons. De telles chutes peuvent être réutilisées, par exemple après broyage en granulés et insertion dans une extrudeuse qui fait fondre la matière thermoplastique et la mélange avec le matériau de renfort déjà intégré aux chutes. Cette matière recyclée est éventuellement complétée par de la matière neuve.
Selon un mode de réalisation, le mélange réactif produit une matière thermoplastique choisie dans un groupe comprenant le polyamide et le polyméthacrylate de méthyle. Les systèmes réactifs existants pour la pultrusion sont principalement basés sur des mécanismes de polymérisation anionique de monomères comme pour le polyamide 6, à partir d’ε-caprolactame, le polyamide 12, à partir de lauryllactame, ou des polymérisations radicalaires comme avec le PMMA, à partir de méthacrylate de méthyle.
Selon une caractéristique avantageuse, la première matière thermoplastique et la deuxième matière thermoplastique sont choisies pour obtenir une bonne adhésion de la couche externe sur le corps. Comme la première et la deuxième matière peuvent être de natures différentes, il est important de choisir le couple de matières de telle sorte qu’une bonne adhésion soit obtenue entre la couche externe et le corps.
Selon une première option, la deuxième matière thermoplastique est de même nature que la première matière thermoplastique ou est un mélange avec au moins une matière de même nature que la première matière thermoplastique. Il est ainsi pratiquement certain d’obtenir une bonne adhésion.
Selon une deuxième option, la première matière thermoplastique est à base de polyamide-6 et la deuxième matière thermoplastique est choisie dans un groupe comprenant le polypropylène, le polyéthylène et le polyfluorure de vinylidène, la deuxième matière thermoplastique étant modifiée par le greffage d’acide maléique. On a pu démontrer que la modification de la deuxième matière thermoplastique en polypropylène modifié par adjonction d’anhydre maléique permet d’obtenir aussi une bonne adhésion malgré la nature différente de la première et de la deuxième matière thermoplastique.
 Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels :
- laFIG. 1est une vue en coupe d’un profilé selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- laFIG. 2est une vue d’un cadre réalisé avec des profilés de laFIG. 1;
- laFIG. 3est une vue en coupe d’un profilé selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
- laFIG. 4est une vue schématique d’une installation de production d’un profilé conforme à un mode de réalisation de l’invention.
 Description détaillée
Un profilé 7 composite selon un premier mode de réalisation est représenté sur laFIG. 1.
Le profilé 7 comporte un corps 70 recouvert en totalité d’une couche externe 71.
Le corps 70 comporte un tube 700 délimitant une chambre 72 et duquel font saillie une première et une deuxième aile 701, 702.
Le corps 70 est constitué de mèches de fibres unidirectionnelles formant un premier matériau de renfort, le premier matériau de renfort étant enrobé d’une première matrice en matière synthétique thermoplastique.
La couche externe 71 comporte un deuxième matériau de renfort formé de fibres courtes d’orientation aléatoire, le deuxième matériau de renfort étant enrobé d’une matrice en une deuxième matière thermoplastique.
Le profilé 7 comporte sur le tube 700 une face d’appui 73 sensiblement plane.
La première aile 701 s’étend à la limite de ladite face d’appui 73 dans une direction sensiblement perpendiculaire à la face d’appui 73 et comporte un retour 7010 s’étendant parallèlement et en regard de la face d’appui 73 pour délimiter une gorge 74.
Une deuxième aile 702 s’étend à l’opposé de la première aile 701 dans le même sens que le retour 7010 et parallèlement à la face d’appui 73.
À titre d’exemple, la section du tube 700 est de 30 x 15 mm, la première aile 701 est haute de 10 mm et la deuxième aile 702 est large de 15 mm.
L’épaisseur de la paroi du tube 700 est de 1,2 mm, de même que celle des ailes 701, 702, sans la couche externe 71.
L’épaisseur de la couche externe 71 est par exemple de 1 mm partout, ce qui représente 45 % de l’épaisseur totale de la paroi de tube, mais l’épaisseur peut être modulée selon les endroits de la section profilé 7.
On peut obtenir un profilé avec un module de Young de plus de 10 GPa et une résistance à la flexion de plus de 150 MPa.
Un tel profilé 7 est utilisé pour réaliser un cadre 9 de panneau solaire photovoltaïque ou thermique tel que représenté sur laFIG. 2.
Un tel cadre 9 comporte quatre tronçons 90 du profilé 7 découpés en onglet et réunis sous la forme d’un rectangle.
Au niveau de chaque angle, une équerre 91 comportant deux branches 910 sert à assembler deux tronçons 90 de profilé entre eux.
Pour cela l’une des branches 910 de l’équerre est insérée dans la chambre 72 du tube 700 du profilé 7, de préférence de manière ajustée.
De plus chaque branche 910 est soudée au tronçon de profilé 7 qu’elle reçoit, par exemple avec une soudure par ultrasons à travers la paroi du profilé 7 en contact avec la branche 910 de l’équerre 91.
Dans une variante non représentée, l’équerre comporte des butées droites contre lesquelles les extrémités des tronçons sont en appui.
L’angle du cadre est alors formé par les équerres qui sont ainsi apparentes au moins partiellement.
L’avantage est que les tronçons sont à coupe droite et qu’il n’y a pas de chute comme dans le cas d’une coupe en onglet.
Selon un deuxième mode de réalisation, tel que montré sur laFIG. 3, le profilé 7' a une section en forme de H.
Ainsi, le corps 70’ comporte une âme 75 qui relie deux semelles 76 qui s’étendent parallèlement l’une à l’autre et perpendiculairement à l’âme 75.
Les semelles 76 et l’âme 75 sont recouverts par la couche externe 71’.
Dans ce mode de réalisation, le corps 70’ est plein.
Un tel profilé 7' est utilisable comme élément de structure dans tout type de construction.
Une installation de fabrication d’un profilé 7 par pultrusion va maintenant être décrite en lien avec laFIG. 4.
L’installation de pultrusion comprend successivement :
- une unité de dévidage 1 pour dévider des mèches M de fibres formant le premier matériau de renfort, appelés également « rovings » en anglais,
- une unité de préchauffage 3 des mèches M qui permet de sécher les fibres issues de l'unité de dévidage 1 et de les amener à une température favorable à la polymérisation ;
- un outillage de pultrusion 4 droit composé d’une unité d’imprégnation 41 pour imprégner les mèches M avec un mélange réactif et d’une unité de polymérisation 42 de laquelle sort le corps 70 du profilé ;
- une unité de mélange 5 pour mélanger des précurseurs et fournir le mélange réactif à l’état liquide à l’unité d’imprégnation 41 ;
- une unité de coextrusion 2 qui dépose la couche externe 71 sur le corps 70 du profilé ;
- une unité de calibrage 6 refroidie qui détermine la section finale du profilé 7 ;
- et une unité de tirage 8 pour tirer le profilé 7 hors de l’unité de calibrage 6, entraînant les mèches M à travers l’installation depuis leur dévidage.
Dans l’unité de mélange 5, des précurseurs sont stockés sous forme liquide dans des réservoirs A, B, C.
Les précurseurs sont conduits jusqu’à l’unité de mélange 5 selon un débit contrôlé, et mélangés pour former le mélange réactif liquide.
Le mélange réactif est injecté dans l'unité d’imprégnation 41 pour mouiller les mèches M dans toute leur section et former un matériau composite intermédiaire 7a.
Dans l’unité de polymérisation 42, le matériau composite intermédiaire 7a est monté et maintenu en température.
Le mélange réactif réagit sous l'effet de la température et polymérise au moins partiellement pour former la première matière thermoplastique.
Le corps 70 sort de l’unité de polymérisation 42 et entre suffisamment durci dans la filière de coextrusion 20 faisant partie de l’unité de coextrusion 2.
L’unité de coextrusion 2 comporte une extrudeuse 21 apte à préparer un mélange de la deuxième matière thermoplastique et des fibres courtes formant le deuxième matériau de renfort et à délivrer le mélange sous pression à la filière de coextrusion 20.
La filière de coextrusion 20 dépose alors la couche externe 71 autour du corps 70 du profilé.
L’unité de calibrage 6 est un bloc régulé en température comprenant un passage de section constante.
Ce passage impose la section au profilé 7 qui se fige sous l'effet du refroidissement.
L’unité de tirage 8 entraîne le profilé 7 et les fibres à travers l’installation en exerçant une traction.
Une unité de découpe, non représentée, permet de couper le profilé 7 en barres, non représentées.
Après le débit des profilés 7, les barres sont stockées dans une enceinte dont la température est régulée, de sorte que la polymérisation peut se poursuivre.
L’unité de tirage 8 comporte par exemple une paire de chenilles qui enserrent le profilé 7 pendant le tirage.
L’extrudeuse peut être alimentée en partie au moins avec des chutes de profilés 7 à matrice thermoplastique broyées sous forme de granulés pour former la couche externe 71.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d’être décrits uniquement à titre d’exemple.
La couche externe pourrait être modulée en épaisseur en fonction de l’endroit dans la section du profilé.
Elle pourrait même être interrompue, de telle sorte que des parties du corps resteraient à nu.
L’unité de calibrage 6 est optionnelle, de telle sorte que le refroidissement serait naturel.

Claims (17)

  1. Profilé composite comportant un corps (70) comportant des mèches de fibres unidirectionnelles formant un premier matériau de renfort, le premier matériau de renfort étant enrobé d’une première matrice en matière thermoplastique, le corps (70) étant au moins partiellement recouvert d’une couche externe (71), caractérisé en ce que la couche externe (71) comporte un deuxième matériau de renfort formé de fibres courtes d’orientation aléatoire, le deuxième matériau de renfort étant enrobé d’une deuxième matrice en une deuxième matière thermoplastique.
  2. Profilé selon la revendication 1, dans lequel le deuxième matériau de renfort représente au moins 20 % de la couche externe (71) en volume.
  3. Profilé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le corps (70) comporte au moins une chambre (72) de telle sorte que le corps (70) est creux.
  4. Profilé selon la revendication 3, dans lequel la chambre (72) est délimitée par des parois de tube, l’épaisseur de la couche externe (71) est comprise entre 10 % et 60 % de l’épaisseur totale des parois de tube.
  5. Profilé selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’épaisseur de la couche externe (71) est comprise entre 0,2 mm et 2 mm.
  6. Profilé selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la couche externe (71) comporte un additif de protection anti-ultraviolets.
  7. Profilé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une face d’appui (73) sensiblement plane, une première aile (701) s’étendant à la limite de ladite face d’appui (73) dans une direction sensiblement perpendiculaire à la face d’appui (73) et comportant un retour (730) s’étendant parallèlement et en regard de la face d’appui (73) pour délimiter une gorge (74).
  8. Profilé selon la revendication 7, dans lequel une deuxième aile (702) s’étend à l’opposé de la première aile (701) dans le même sens que le retour (730) et parallèlement à la face d’appui (73).
  9. Profilé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est utilisé pour réaliser un cadre de panneau solaire photovoltaïque ou thermique, une barrette pour pont thermique, un support de batterie, un cadre ou un seuil de fenêtre ou de porte.
  10. Cadre de panneau, caractérisé en ce qu’il est formé par l’assemblage de tronçons (90) de profilés (7) pultrudés selon l’une des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 3, avec des équerres (91) insérées dans la chambre (72) des profilés (7) pour raccorder les tronçons (90) entre eux.
  11. Cadre selon la revendication 10, dans lequel chaque tronçon (90) est soudé avec les équerres (91) qui y sont insérées.
  12. Procédé de pultrusion selon lequel on forme un corps (70) en faisant passer des mèches (M) de fibres unidirectionnelles formant un premier matériau de renfort dans un outillage de pultrusion (4), et en imprégnant le premier matériau de renfort d’un mélange réactif thermoplastique, le corps (70) étant durci après l’outillage de pultrusion (4), le corps (70) durci étant recouvert d’une couche externe (71) en passant dans une filière de coextrusion (20), caractérisé en ce qu’on alimente la filière de coextrusion (20) avec une deuxième matière thermoplastique mélangée à des fibres courtes pour former la couche externe (71).
  13. Procédé selon la revendication 12, selon lequel on recycle des chutes de profilés (7) à matrice thermoplastique pour former au moins en partie la deuxième matière thermoplastique.
  14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, selon lequel le mélange réactif produit une matière thermoplastique choisie dans un groupe comprenant le polyamide et le polyméthacrylate de méthyle.
  15. Procédé selon l’une des revendications 13 à 14, selon lequel la première matière thermoplastique et la deuxième matière thermoplastique sont choisies pour obtenir une bonne adhésion de la couche externe (71) sur le corps (70).
  16. Procédé selon la revendication 15, selon lequel la deuxième matière thermoplastique est de même nature que la première matière thermoplastique ou est un mélange avec au moins une matière de même nature que la première matière thermoplastique.
  17. Procédé selon la revendication 15, selon lequel la première matière thermoplastique est à base de polyamide-6 et la deuxième matière thermoplastique est choisie dans un groupe comprenant le polypropylène, le polyéthylène et le polyfluorure de vinylidène, la deuxième matière thermoplastique étant modifiée par le greffage d’acide maléique.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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