LU100157B1 - Procédé de production d'un préimprégné thermoplastique - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de production d'un préimprégné thermoplastique qui est mis au point afin d'être utilisé en tant que matériau structurel et visuel dans tous les domaines industriels, principalement l'aviation, l'industrie de la défense et l'automobile, et qui permet à la résine thermoplastique d'être imprégnée dans le tissage formé avec un fil de renfort (A). L'objectif de la présente invention est de fournir un procédé de production d'un préimprégné thermoplastique qui permet d'appliquer une quantité de résine plus précise sur les tissages comprenant un fil de renfort (A) et un fil thermoplastique (B), et d'être traité plus facilement.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D’UN PREIMPREGNE THERMOPLASTIQUE
Domaine de l’invention
La présente invention concerne un procédé de production d’un préimprégné thermopiastique qui est mis au point afin d’être utilisé en tant que matériau structurel et visuel dans tous les domaines industriels, principalement l’aviation, l’industrie de la défense et l’automobile, et qui permet à la résine thermoplastique d’être imprégnée dans le tissage formé avec un fil qui est fabriqué à partir de fibres de renfort.
Contexte de l’invention
Les préimprégnés se divisent en deux catégories principales, à savoir thermodurcis et thermoplastiques. Le préimprégné thermoplastique est une structure composée de fils imprégnés de résine thermoplastique fabriqués à partir de fibres de renfort. Les préimprégnés thermoplastiques sont très populaires aujourd’hui du fait de la légèreté de leur poids, de leur potentiel de recyclage et de leurs propriétés de résistance à la corrosion.
Aujourd’hui, la résine utilisée dans la production d’un préimprégnés thermoplastique est appliquée en tant que poudre, film ou granule. Les préimprégnés thermoplastiques qui sont obtenus sont ensuite transformés en matériau composite qui est le produit final avec des procédés de production tels que le thermoformage, le moulage par compression via la chaleur ou la pression ou le surmoulage.
Dans la production d’un préimprégné thermoplastique, des matériaux tels que les polyamides (PA), (le polyamide 6 (PA6), le polyamide 6,6 (PA66), le polyphtalamide (PPA)), le sulfure de polyphénylène (PPS), la polysulfone (PSU), la polyarylèneéthersulfone, les polyoléfines (le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), etc.), le polyimide (PI), les polyesters, de préférence tels que le polyéthylène téréphtalate (PET) ou le polybutylène téréphtalate (PBT), la polyétheréthercétone (PEEK) peuvent être utilisés.
Les procédés manuels ou automatiques sont préférés dans l’alimentation de la résine sous forme de poudre, de film et de granule dans le système. En particulier les applications en poudre et granules utilisées dans la production d’un préimprégné thermoplastique génèrent un problème d’homogénéisation dans la distribution de résine, une difficulté dans l’utilisation de la matière première optimale et une grande quantité de déchets survenant pendant la production.
La production d’un préimprégné thermoplastique est réalisée avec des procédés discontinus ou continus. Dans les procédés discontinus et continus, même dans le cas où l’alimentation de la résine sous forme de poudre est automatique, le rapport résine thermoplastique/fibres de renfort ne peut pas être appliqué avec la précision souhaitée. Des variations se produisent dans les quantités de poudre utilisées dans une unité de surface. Dans le cas où elles sont fournies sous forme de granules, dans la mesure où les tailles des particules sont trop grandes, des accumulations se produisent dans la mesure où une fusion homogène ne peut pas être fournie sur le préimprégné thermoplastique. L’imprégnation de la résine dans la structure de fibres n’est pas facile pour la même raison. En d’autres termes, la résine ne peut pas pénétrer dans la structure composée de fil fabriqué à partir de fibres de renfort de manière homogène.
Le document de brevet des Etats-Unis n° US5445701, une demande connue dans l’état de l’art, divulgue un procédé de résine thermoplastique sous forme de film. Toutefois, ce procédé est onéreux, et des difficultés dans la fourniture du film compatible pour le matériau thermoplastique souhaité peuvent être rencontrées.
Dans le document de brevet des Etats-Unis n° US20140030582, une demande connue dans l’art, l’épaisseur de paroi des préimprégnés thermoplastiques de la présente invention peut être produite dans la plage de 0,3 et 6,0 mm. Ladite invention peut fonctionner dans un domaine limité dans la mesure où elle n’est pas destinée à des préimprégnés thermoplastiques avec une épaisseur de paroi plus grosse.
Le document de brevet des Etats-Unis n° US5464684, une demande connue dans l’état de l’art, divulgue un procédé de production du fil hybride à base de polyamide. Dans ce procédé, le fil thermoplastique et le fil de renfort sont produits en les mélangeant l’un à l’autre par application d’air. En fonction de la complexité du processus de mélange de fils et de l’application du processus de torsion sur une fibre de carbone qui est très cassante, génère une diminution de la résistance linéaire de la fibre de carbone. Résumé de l’invention L’objectif de la présente invention est de fournir un procédé de production d’un préimprégné thermoplastique qui permet à la résine utilisée dans l’application de préimprégnés pour pénétrer davantage dans le tissage par rapport aux applications conventionnelles, en d’autres termes qui permet la mouillabilité du tissage.
Un autre objectif de la présente invention est de fournir un procédé de production d’un préimprégné thermoplastique qui permet d’appliquer une quantité plus précise de résine sur les tissages comprenant un fil de renfort et un fil thermoplastique et également de fournir plus facilement leur traitement.
Description détaillée de l’invention
Le « procédé de production d’un préimprégné thermoplastique » remplissant les objectifs de la présente invention est illustré sur les figures d’accompagnement, sur lesquelles :
La figure 1 est la vue du type de tissage à croisé 2 x 2 qui est soumis au procédé d’application de préimprégnés thermoplastiques de l’invention ; un préimprégné thermoplastique simple.
La figure 2 est la vue du type de tissage à croisé 2 x 2 qui est soumis au procédé d’application de préimprégnés thermoplastiques de l’invention ; un préimprégné thermoplastique à croisé 2x2.
La figure 3 est la vue du satiné de harnais à tissage de type 4 qui est soumis au procédé d’application de préimprégnés thermoplastiques de l’invention ; un préimprégné thermoplastique à satiné de harnais de type 4.
La figure 4 est la vue du panier à type tissage qui est soumis au procédé d’application de préimprégnés thermoplastiques de l’invention ; un préimprégné thermoplastique simple.
Les composants montrés sur les figures se voient chacun donner des numéros de référence de la manière suivante : A. Fil de renfort B. Fil thermoplastique
Un procédé de production d’un préimprégné thermoplastique comprend les étapes : i) obtenir un tissage en tissant un fil thermoplastique de tissage avec un fil de renfort, ii) imprégner ledit fil thermoplastique dans ledit tissage par fusion ou assouplissement.
Le procédé de production d’un préimprégné thermoplastique de l’invention, qui permet à la résine de pénétrer dans le tissage de manière homogène et en profondeur dans le processus d’imprégnation de résine réalisé afin de renforcer le tissage formé, comprend les étapes : tisser le fil thermoplastique et les fils de renfort déterminés pour le préimprégné thermoplastique, augmenter la température du tissu de tissage au-dessus du point d’assouplissement ou de fusion du fil thermoplastique, appliquer une pression (0-100 bar) sur le tissu de tissage à cette température, appliquer un prétensionnement (0-5 g/tex) sur le tissu de tissage sur le tissu de tissage à cette température, permettre à la résine thermoplastique sous forme de fil de pénétrer entre les fibres du fil de renfort à l’intérieur du tissage par fusion, appliquer une température et une pression pendant une durée dans une plage de 2-120 minutes, obtenir le produit final prêt à l’emploi par refroidissement jusqu’à ce qu’il atteigne une température inférieure à la température de transition vitreuse (Tg) de la résine sans pression ou sous pression.
Dans ladite invention, les fils thermoplastiques utilisés dans la formation du tissage sont utilisés sous la forme d’un fil thermoplastique (B) sélectionné dans un groupe comprenant les polyamides (tels que le polyamide 6 (PA6), le polyamide 6,6 (PA66), le polyphtalamide (PPA)), le sulfure de polyphénylène (PPS), la polysulfone (PSU) (telle que la polyéthersulfone (PES), la polyarylèneéthersulfone), le sulfure de polyarylène, le fluoropolymère, le polyacétal, le polycarbonate, le polymère styrénique, les polyoléfines (telles que le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polyimide (PI), le polyétherimide, les polyesters, de préférence le polyéthylène téréphtalate (PET) ou le polybutylène téréphtalate (PBT), la polyétheréthercétone (PEEK), la polyéthercétone (PEK) ou des combinaisons de ceux-ci.
Dans ladite invention, en tant que fil de renfort (A) utilisé dans la formation du tissage, un fil produit à partir d’un matériau sélectionné dans le groupe comprenant la fibre de verre, la fibre de carbone, la fibre d’aramide, la fibre naturelle ou une combinaison de celles-ci est utilisé.
Le terme « tissage » utilisé dans l’invention est défini en tant que système ou motif formé par l’intersection de fils de trame et de chaîne. Ce sont trois tissages bidimensionnels de base : simple, croisé et satiné. Tous les autres types de tissage sont dérivés d’un ou plusieurs de ces types.
Le terme « tissages » utilisé dans l’invention est le procédé de production ou le processus d’entrelacement de deux fils à partir de matériaux similaires de telle sorte qu’ils se croisent à angles droits pour produire un tissu. Des fils ou extrémités de chaîne s’étendent le long du tissu, et les fils de trame s’étendent dans la direction horizontale. Le tissage peut être réalisé dans une machine ou un métier à main ou par plusieurs procédés manuels.
Le terme « tissage simple » utilisé dans l’invention est l’un des trois types de tissage principaux, à savoir simple, satiné et croisé. Chaque fil de trame passe successivement sur et sous chaque fil de chaîne.
Le terme « tissage satiné » utilisé dans l’invention est l’un des trois types de tissage principaux, à savoir simple, satiné et croisé. La surface de tissu est composée presque complètement de chaîne ou de trame produites dans la répétition du tissage. Les points d’intersection sont répartis de manière uniforme et sont séparés largement autant que possible. La propriété caractéristique du tissu de tissage satiné réside dans le fait qu’il a une surface lisse et brillante.
Le terme « tissage croisé » utilisé dans l’invention est l’un des types de tissage principaux et il est caractérisé par des lignes en diagonale produites par une série de fils flottés alternés dans la direction de la chaîne. Un croisé de face de chaîne est un tissage dans lequel les fils de chaîne produisent l’effet de diagonale.
Le terme « dtex » utilisé dans l’invention est le poids en grammes pour 10 000 mètres de fil. Le terme « tex » utilisé dans l’invention est le poids en grammes pour 1 000 mètres de fil.
Dans le procédé de production d’un préimprégné thermoplastique de l'invention, la résine se présentant sous forme de fil fabriqué à partir d’une fibre thermoplastique permet à la quantité de rapport résine/fibre de renfort dans le préimprégné thermoplastique d’être ajustée facilement.
Dans la présente invention, l’épaisseur de paroi des préimprégnés thermoplastiques qui sont les produits finaux formés en faisant pénétrer la résine dans les tissages est ajustée pour être dans une plage de 0,25 et 8 mm. L’épaisseur de paroi des préimprégnés thermoplastiques à une seule couche dépend du type du fil de renfort utilisé, du poids de surface du tissu de tissage et de la pression qui est appliquée dans la production. L’épaisseur de paroi des préimprégnés thermoplastiques obtenus en plaçant au moins deux couches de tissage l’une sur l’autre dépend du nombre de couches, du type du fil de renfort utilisé, du poids de surface du tissu de tissage et de la pression qui est appliquée dans la production.
La présente invention comprend l’application de 0-100 bar, de préférence dans la plage de 1-40, de pression sur la résine lors de l’étape de chauffage de la résine.
Dans la présente invention, le refroidissement de la résine pénétrant dans le tissage est réalisé sous 0-100 bar de pression, de préférence dans la plage de 1-40 barde pression.
Dans la présente invention, le poids de la résine thermoplastique se situe dans la plage de 10 % à 90 %, de préférence de 30 % à 70 % du poids du fil fabriqué à partir de fibres de renfort.
Dans le mode de réalisation préféré de l’invention, les propriétés physiques du tissage peuvent être obtenues de manière similaire ou différente en utilisant différents types de fils dans les directions de la trame et de la chaîne.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, afin de fournir une production d’un préimprégné thermoplastique unidirectionnel (UD), les fils thermoplastiques (B) sont utilisés en tant que fils de trame dans le tissage.
Les préimprégnés thermoplastiques de l’invention peuvent être utilisés en tant que matériau structurel et visuel dans tous les domaines industriels, principalement l’aviation, l’industrie de la défense et l’automobile. Le produit final qui est obtenu est le semi-produit appelé préimprégné thermoplastique ou feuille organique.
Dans la production d’un préimprégné thermoplastique, des procédés discontinus ou continus peuvent être utilisés. Le principe principal utilisé dans les deux procédés consiste à appliquer une pression (0-100 bar) à une température supérieure au point d’assouplissement ou de fusion de la résine thermoplastique et à permettre à la résine d’être imprégnée dans les fibres de renfort de cette manière. Le processus de refroidissement est appliqué après qu’une température et une pression ont été appliquées pendant une durée déterminée comprise entre 2 minutes et 120 minutes. Un processus de refroidissement peut être appliqué sans pression ou sous pression (0-100 bar) en fonction de la structure du polymère. La température de refroidissement est inférieure à la température de transition vitreuse (Tg) de la résine. La machine dans laquelle les thermoplastiques de l’invention sont produits peut être chauffée jusqu’à 450°C en fonction de la structure du plastique. La plage de températures qui peut être utilisée dans le processus de refroidissement se situe entre 25°C et 200°C. L’épaisseur de paroi des préimprégnés thermoplastiques de l’invention se situe dans la plage de 0,25 mm à 8 mm. Les applications connues dans l’état de l’art ne peuvent pas fournir la résine à imprégner de manière homogène dans les fibres. D’un autre côté, dans le procédé de l’invention, dans la mesure où la résine est utilisée sous forme de fil, le rapport résine/fibre de renfort peut être ajusté avec précision. En résumé, avec le procédé nouvellement mis au point, une homogénéisation de résine en quantité est fournie avant le démarrage du processus. Afin de rendre le rapport résine/fibre de renfort homogène selon un rapport souhaité partout, le dtex différent, le diamètre de filaments différent et le nombre de fils produits à partir de fibres thermoplastiques peuvent être utilisés. Avec l’application des fils thermoplastiques, l’augmentation de l’aire de surface plastique et l’orientation de matériau régulière permettent à la résine d’être fondue plus facilement par rapport en particulier aux applications de poudre et de granules. De ce fait, un produit avec une qualité supérieure peut être obtenu dans une machine qui a une précision plus basse. Dans le même temps, les défauts associés au poids de surface de la résine sont empêchés.
Les thermoplastiques utilisés dans une application de tissage sont appliqués en forme de fil qui est une partie de trame et/ou de chaîne du tissage. Les fils fabriqués à partir de fibres de renfort (fibre de verre, de carbone, d’aramide, naturelle, etc.) sont appliqués dans la direction de la trame et/ou de la chaîne de la même manière, et on permet aux tissages hybrides obtenus d’être appropriés pour la production d’un préimprégné thermoplastique. Deux types ou plus de fils de renfort (A) peuvent être utilisés dans des tissages hybrides. Par exemple, des fils en carbone, en verre et thermoplastique (B) peuvent être utilisés dans le même tissage.
Dans le cadre du procédé de l’invention, une matière première du préimprégné thermoplastique est obtenue à partir du tissage comprenant un fil de renfort (A) et un fil thermoplastique (B) à partir de la machine de tissage qui est utilisée à l’heure actuelle. De ce fait, il n’y a pas d’étape de processus supplémentaire requise en tant que production d’un préimprégné thermoplastique conventionnel pendant l’application d’un revêtement en poudre, en film ou en granules, et ainsi la production est réalisée plus rapidement.
Dans la production d’un préimprégné thermoplastique, des tissages comprenant un fil de renfort (A) et un fil thermoplastique (B) peuvent être traités dans des quantités de résine plus précises, et ils peuvent être traités plus facilement. La structure composite qui est ambitionnée comme étant le produit final à obtenir peut facilement atteindre les valeurs de résistance requises avec la sélection du type de tissage. Comme on peut le voir à partir des figures 1, 2, 3 et 4, au moyen des types de tissage conçus différemment, des prépimprégnés thermoplastiques avec des propriétés mécaniques différentes peuvent être obtenus. Par ce moyen la structure composite peut varier pour être compatible avec le domaine d’utilisation de l’utilisateur final. Le fil à base de polymère à utiliser dans la production d’un préimprégné thermoplastique peut être appliqué dans la direction de la trame et/ou de la chaîne. Par exemple, en sélectionnant un croisé 2 x 2 en tant que type de tissage sur la figure 1, le préimprégné thermoplastique produit comprend des fils fabriqués à partir de fibres de renfort à 0 et 90 degrés dans un type de tissage simple.

Claims (11)

1. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique caractérisé par les étapes : i) obtenir un tissage en tissant un fil thermoplastique et un fil de renfort l’un avec l’autre, ii) imprégner ledit fil thermoplastique dans ledit tissage en fondant ou en assouplissant ledit fil thermoplastique.
2. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comprend l’application d’une pression sur ledit tissage pendant ledit processus de fusion ou d’assouplissement dudit fil thermoplastique.
3. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le procédé comprend en outre le refroidissement d’un tissu imprégné qui est obtenu après imprégnation dudit fil thermoplastique dans ledit tissage à une température inférieure à la température de transition vitreuse (Tg) dudit fil thermoplastique.
4. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits fils thermoplastiques sont composés de polyamide, de polyoléfine, de polyéthercétone, de polyétheréthercétone, de polyimide, de polyétherimide, de polyarylènecétone, de polyarylènesulfone, de polyarylèneéthersulfone, de sulfure de polyarylène, de fluoropolymère, de polyacétal, de polycarbonate, de polymère styrénique, de polyester ou de combinaisons de ceux-ci.
5. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que iesdits fils de renfort (A) utilisés dans la formation dudit tissage sont fabriqués à partir d’un matériau sélectionné dans le groupe comprenant le verre, le carbone, une fibre aramide ou naturelle, ou une combinaison de ceux-ci.
6. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mêmes types ou des types différents de fils sont utilisés dans les directions de trame et de chaîne dudit tissage.
7. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’un préimprégné unidirectionnel est obtenu en utilisant Iesdits fils thermoplastiques (B) en tant que fils de trame dans ledit tissage.
8. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’une pression située dans la plage de 0-100 bar est appliquée sur ledit tissage lors d’une étape de fusion dudit fil thermoplastique.
9. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’une pression située dans la plage de 0-100 bar est appliquée sur ledit tissage lors d’une étape de refroidissement dudit matériau thermoplastique imprégné dans ledit tissage.
10. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est permis audit matériau thermoplastique d’être imprégné dans ledit tissage sous la forme d’un fil.
11. Procédé de production d’un préimprégné thermoplastique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre le poids dudit fil thermoplastique et le poids dudit fil de renfort est d’au moins 10 %.
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