WO2010072975A1 - Fibre composite a base de pekk, son procede de fabrication et ses utilisations - Google Patents

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Definitions

  • PEKK-based composite fiber its manufacturing process and its uses
  • the present invention relates to a composite fiber, in particular a conductive fiber, consisting of a thermoplastic polymer matrix comprising a polyetherketoneketone (PEKK), in which multiwall nanotubes, in particular carbon, are dispersed. It also relates to a method of manufacturing this composite fiber, as well as its uses.
  • PEKK polyetherketoneketone
  • Conductive fibers are also of interest in applications where the heating effect is not sought, for their antistatic properties, in particular in the manufacture of aeronautical or automotive parts or for the electromagnetic shielding of electronic equipment, for example to dissipate electrical charges resulting from friction, induced in particular during the circulation of a fluid in a thermoplastic pipe.
  • the conductive fibers known in the prior art include: metallic wires, which have the disadvantage of being heavy and liable to oxidize,
  • the intrinsically conductive polymer fibers which are poorly resistant to washing and are not very stable, insofar as they are sensitive to oxidation and also to heat released by the Joule effect which can chemically degrade (for example crosslink) the polymer and / or altering its mechanical properties beyond a certain temperature, - the polymer fibers made conductive by deposition of conductive particles on their surface, such as silver fibers, whose coating is likely to deteriorate by friction and wear, and
  • OXFORD PERFORMANCE MATERIALS, INC. markets, under the trade names
  • OXXPEKK ® various temperature stable PEKK grades, some of which (OXPEEK ® -IG and OXPEEK ® -MG grades 230C and 240C) are reinforced with glass or carbon.
  • These composites are however not convertible into fibers within the meaning of the invention. Indeed, given the diameter (of the order of 5 to 10 microns) carbon fibers, they are difficult to disperse homogeneously in the composite fibers and can therefore create defects likely to clog filters or dies orifices used in the formation of composite fibers.
  • the subject of the present invention is therefore a composite fiber, in particular a conducting fiber, consisting of a thermoplastic polymer matrix comprising a polyetherketoneketone (PEKK), in which multiwall nanotubes, in particular carbon-based nanotubes, are dispersed.
  • PEKK polyetherketoneketone
  • composite fiber means a fiber consisting of a strand the diameter of which is between 100 nm and 300 ⁇ m, preferably between 1 and 100 ⁇ m and better still between 2 and 50 ⁇ m. .
  • PEKK is meant in the context of this description a polymer comprising, and preferably consisting of, monomers corresponding to the following general formula (A):
  • Ph represents a 1,4-phenylene group (in which case the -CO-Ph-CO- unit designates a terephthalyl (T)) group) and / or monomers of formula (I) in wherein Ph represents a 1,3-phenylene group (in which case the -CO-Ph-CO- unit refers to an isophthalyl group (I)).
  • the phenyl groups may optionally be substituted with C 1 -C 6 alkyl groups.
  • the polymer comprises, and is advantageously composed of, a combination of the aforementioned monomers.
  • the molar ratio (T) / (I) may be between 80:20 and 20:80, preferably between 60:40 and 50:50 inclusive.
  • the PEKK that may be used according to the invention may be crystalline, semi-crystalline or amorphous. However, it is preferred to use an amorphous PEKK which makes it possible to obtain a more favorable orientation of the polymer chains in the axis of the composite fibers formed from PEKK, and therefore of the better mechanical properties of these composite fibers. It is furthermore preferred that PEKK has a glass transition temperature (Tg) of between 150 and 170 ° C. (inclusive). Its melting point, when it exists, may for example be between 280 and 400 ° C., preferably between 300 and 370 ° C., limits included.
  • Tg glass transition temperature
  • PEKK suitable for use in the present invention are in particular available from the company Oxford Performance Materials under the trade names OXPEKK ® -SP, -C OXPEKK ® and OXPEKK ® -CE.
  • the present invention also relates to a composite fiber containing a polymeric matrix mainly containing an especially amorphous polyaryletherketone (PAEK) in which are dispersed multiwall nanotubes of at least one chemical element of the column IHa, IVa or Va of the periodic table of the elements.
  • PAEK amorphous polyaryletherketone
  • the polymer matrix used according to the invention may also contain at least one adjuvant chosen in particular from plasticizers, anti-oxygen stabilizers, light stabilizers, dyes, anti-shock agents, antistatic agents, flameproofing agents, lubricants, and mixtures thereof, insofar as these do not interfere with obtaining a conductive fiber.
  • the polymeric matrix may alternatively or additionally comprise at least one other thermoplastic polymer compatible with PEKK or made compatible therewith.
  • the second constituent of the composite fiber according to the invention is a dispersion of multiwall nanotubes, which advantageously consist of at least one chemical element chosen from the elements of columns IHa, IVa and Va of the periodic table.
  • the multiwall nanotubes can thus be based on boron, carbon, nitrogen, phosphorus, silicon or tungsten. They may for example contain, for example consist of carbon, carbon nitride, boron nitride, boron carbide, boron phosphide, phosphorus nitride or carbon boronitride or silicon or tungsten .
  • the advantage of using multiwall nanotubes lies in the fact that when they undergo a surface treatment in particular to facilitate their implementation or their compatibility with the matrix, they retain their conductive properties unlike single-wall nanotubes as a result of the alteration of their surface.
  • multiwall carbon nanotubes are used. These are graphitic carbon fibrils, hollow, each having several graphitic tubular walls oriented along the axis of the fibril.
  • Multilayer multiwall nanotubes may be prepared by a chemical vapor deposition (CVD) process.
  • the multiwall nanotubes may for example comprise from 3 to 15 sheets and more preferably from 3 to 10 sheets.
  • the multiwall nanotubes to which the invention applies have a mean diameter ranging from 3 to 100 nm, more preferably from 4 to 50 nm and better still from 4 to 30 nm and advantageously from 0.1 to 10 ⁇ m in length. Their length / diameter ratio is preferably greater than 10 and most often greater than 100 or even greater than 1000.
  • the multiwall nanotubes are thus differentiated from carbon fibers which are longer and of larger diameter and therefore less suitable for the techniques. conventional extrusion of thermoplastic materials as multiwall nanotubes.
  • Their specific surface area is for example between 100 and 500 m 2 / g (including terminals), generally between 100 and 300 m 2 / g for multiwall nanotubes.
  • Their apparent density may especially be between 0.05 and 0.5 g / cm 3 (inclusive) and more preferably between 0.1 and 0.2 g / cm 3 (inclusive).
  • These multiwall nanotubes may be purified and / or treated (for example oxidized) and / or milled and / or functionalized before being used in the process according to the invention.
  • the grinding of the multiwall nanotubes may especially be carried out cold or hot and be carried out according to known techniques used in devices such as ball mills, hammers, grinders, knives, gas jet or any other system grinding capable of reducing the size of the entangled network of multiwall nanotubes. It is preferred that this grinding step is performed according to a gas jet grinding technique and in particular in an air jet mill.
  • the purification of the raw or milled multiwall nanotubes can be carried out by washing with a sulfuric acid solution, so as to rid them of any mineral and metallic impurities. residuals from their process of preparation.
  • the weight ratio of the multiwall nanotubes to the sulfuric acid may especially be between 1: 2 and 1: 3
  • the purification operation can moreover be carried out at a temperature ranging from 90 to
  • This operation may advantageously be followed by steps of rinsing with water and drying the purified multiwall nanotubes.
  • the oxidation of the multiwall nanotubes is advantageously carried out by putting them in contact with a solution of sodium hypochlorite containing from 0.5 to 15% by weight of NaOCl and preferably from 1 to 10% by weight of NaOCl, by example in a weight ratio of multiwall nanotubes to sodium hypochlorite ranging from 1: 0.1 to 1: 1.
  • the oxidation is advantageously carried out at a temperature below 60 ° C. and preferably at room temperature, for a duration ranging from a few minutes to 24 hours. This oxidation operation can advantageously be followed by filtration and / or centrifugation, washing and drying steps of the oxidized multiwall nanotubes.
  • the functionalization of the multiwall nanotubes can be carried out by grafting reactive units such as vinyl monomers on the surface of the multiwall nanotubes.
  • the constituent material of the multiwall nanotubes is used as a radical polymerization initiator after having been subjected to a heat treatment at more than 900 ° C., in an anhydrous and oxygen-free medium, which is intended to eliminate the oxygenated groups from its surface.
  • a heat treatment of at least 1000 ° C., for example 1200 ° C.
  • Particularly used in the present invention are optionally crushed multiwall nanotubes, that is to say multiwall nanotubes that are not deliberately oxidized, purified or functionalized, and have not undergone any other chemical treatment.
  • the treatment or not (chemical or annealing) of multiwall nanotubes is a function of the end use of the thermoplastic material reinforced by the fibers.
  • the multiwall nanotubes may represent from 0.1 to 50% by weight, and preferably from 1 to 10% by weight, relative to the weight of the composite fiber according to the invention.
  • the present invention also relates to a process for manufacturing the PEKK-based composite fiber described above, comprising the successive steps of:
  • Step (b) converting said composite mixture into fibers.
  • Step (a) which consists of mixing the multiwall nanotubes with PEKK, may be carried out in any apparatus. It is preferred that the multiwall nanotubes and the thermoplastic polymer be mixed by compounding using conventional devices such as twin-screw extruders or co-kneaders. They can be introduced simultaneously or in different places of the extruder. In this process, granules or polymer powder are typically melt blended with the multiwall nanotubes.
  • the multiwall nanotubes may be dispersed by any suitable means in the thermoplastic polymer in solution in a solvent.
  • the dispersion can be improved, according to an advantageous embodiment of the present invention, by the use of dispersion systems (such as ultrasound or a rotor-stator system) or with the aid of special dispersing agents.
  • the dispersing agents may in particular be chosen from plasticizers, in particular cyclized poly (butylene terephthalate) and mixtures containing them, such as the CBT ® 100 resin marketed by CYCLICS CORPORATION.
  • the dispersing agent may be a copolymer comprising at least one hydrophilic anionic monomer and at least one monomer including at least one aromatic ring, such as the copolymers described in document FR-2 766 106, the weight ratio of the dispersing agent with multiwall nanotubes preferably ranging from 0.6: 1 to 1.9: 1.
  • the dispersing agent may be a vinylpyrrolidone homo- or copolymer, the ratio of in this case, the weight of the multiwall nanotubes with the dispersing agent is preferably from 0.1 to less than 2.
  • the dispersing agent may also be selected from synthetic or natural molecules or macromolecules, of an amphiphilic character , such as surfactants, having affinity with both the dispersion medium and the multiwall nanotubes.
  • the multiwall nanotubes used in step (a) are in the form of a masterbatch with a portion of the polymer matrix and are diluted in step (a) with the the remainder of the polymer matrix and the plasticizer such as CBT ® 100 resin marketed by CYCLICS CORPORATION whose concentration will depend on the level of multiwall nanotubes.
  • the multiwall nanotubes may represent from 3% to 30% by weight, relative to the weight of the masterbatch, and preferably from 5% to 20%.
  • the choice of the matrix is preferably amorphous PEKK in powder form and the mixture advantageously made using a BUSS-type co-kneader in the L / D configuration between 11 and 15.
  • the masterbatch consisting of amorphous PEKK, multiwall nanotubes and plasticizer will be used for formulations based on PEKK, PEEK or any other crystalline PAEK containing or not fibers (carbon, glass) see other mineral charges.
  • step (b) The composite mixture resulting from step (a) is then converted to fibers in step (b).
  • the formation of these fibers can be advantageously carried out by a melt spinning process, preferably by passing through an extruder provided with a small diameter die. It may be advantageous to conduct this step under an inert atmosphere to preserve the structure of the multiwall nanotubes.
  • the fibers may be obtained by a solvent process.
  • the method according to the invention may further comprise an additional step (c) of stretching the obtained fibers at a temperature above the glass transition temperature (Tg) of the PEKK and preferably below its melting point (if exist) .
  • Tg glass transition temperature
  • Such a step described in US Pat. No. 6,331,265, which is incorporated herein by reference, makes it possible to orient the multiwall nanotubes and the polymer substantially in the same direction, along the axis of the fiber, and thus to improve the mechanical properties. the latter, in particular its tensile modulus (Young's modulus) and its toughness (breaking point).
  • the draw ratio defined as the ratio of the length of the fiber after drawing to its length before drawing, may be from 1 to 20, preferably from 1 to 10, inclusive.
  • Stretching can be done in one go, or several times, allowing the fiber to relax slightly between each stretch.
  • This stretching step is preferably conducted by passing the fibers through a series of rolls having different rotational speeds, those which unroll the fiber rotating at a lower speed than those receiving it.
  • the fibers can be passed through ovens arranged between the rolls, or heated rollers can be used. combine these two techniques.
  • This stretching step is made easier by the use of amorphous PEKK.
  • This stretching step makes it possible to consolidate the fiber and to achieve high breaking point stresses.
  • the composite fibers obtained by this process are intrinsically conductive, i.e., have a resistivity which may be less than 10 5 ohms. cm at room temperature, their electrical conductivity can be further improved by heat treatments.
  • these composite fibers are able to withstand high current densities without their mechanical properties and their appearance being substantially altered, due, on the one hand, to the good thermal stability of PEKK and, on the other hand, the ability of multiwall nanotubes to dissipate heat.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing a composite fiber, comprising the following steps: (a) The dispersion of multiwall nanotubes of at least one chemical element of the column IHa, IVa or Va of the periodic table of the elements in a thermoplastic matrix mainly containing a polyaryletherketone (PAEK), (b) converting the resulting mixture to form a fiber and (c) optionally stretching the resulting fiber.
  • a The dispersion of multiwall nanotubes of at least one chemical element of the column IHa, IVa or Va of the periodic table of the elements in a thermoplastic matrix mainly containing a polyaryletherketone (PAEK)
  • PAEK polyaryletherketone
  • the composite fibers according to the invention can be used for the manufacture of nose, wings or cockles of rockets or airplanes; off-shore flexible armor; automotive bodywork elements or engine chassis; antistatic packaging and textiles, in particular for the protection of silos; electromagnetic shielding devices, in particular for the protection of electronic components; heated textiles; conductive cables; sensors, in particular deformation sensors or mechanical stresses; or biomedical devices such as sutures or catheters.
  • the subject of the invention is in particular a composite component of mechanical structure containing composite fibers as previously described (based on PEKK or PAEK).
  • the manufacture of these composite parts can be carried out according to different processes, generally involving a step of impregnating the fibers with a polymeric matrix.
  • This impregnation step may itself be carried out according to various techniques, depending in particular on the physical form of the matrix used (pulverulent or more or less liquid).
  • the impregnation of the fibers is preferably carried out according to a fluidized bed impregnation process, in which the polymeric matrix is in the form of powder.
  • the fibers may themselves be impregnated as such or after a weaving step into a fabric consisting of a bidirectional network of fibers.
  • the fibers according to the invention can be introduced into a thermoplastic material, an elastomeric material or a thermosetting material.
  • the manufacture of the finished part comprises a step of consolidating the polymeric matrix, which is for example melted locally to create zones for fixing the fibers together.
  • a film from the impregnation matrix in particular by means of an extrusion or calendering process, said film having for example a thickness of about 100 ⁇ m, and then to place it between two fiber mats, the assembly then being pressed hot to allow the impregnation of the fibers and the manufacture of the composite.
  • the impregnation matrix may comprise a thermoplastic, elastomeric or thermosetting polymer or a mixture thereof.
  • This polymer matrix may itself contain one or more fillers or fibers.
  • composite fibers according to the invention can be woven or knitted, alone or with other fibers, or be used, alone or in combination with other fibers, for the manufacture of felt or non-woven materials.
  • materials constituting these other fibers include, without limitation:
  • stretched polymer fibers based in particular on: polyamide such as polyamide 6 (PA-6), polyamide
  • PA-II polyamide 12
  • PA-12 polyamide 6.6
  • PA-6.6 polyamide 4.6
  • PA-4.6 polyamide 6.10
  • PA-6.10 polyamide 6.12
  • PA-6.12 copolymer polyamide / polyether block
  • Hytrel ® high density polyethylene, polypropylene or polyester such as polyhydroxyalkanoates and polyesters marketed by Du Pont under the tradename Hytrel ®;
  • glass fibers in particular of the E, R or S2 type

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Abstract

La présente invention concerne une fibre composite renfermant une matrice polymérique thermoplastique comprenant une polyéthercétonecétone (PEKK), dans laquelle sont dispersés des nanotubes multiparois, notamment de carbone. Elle concerne également un procédé de fabrication de cette fibre composite, ainsi que ses utilisations.

Description

Fibre composite à base de PEKK, son procédé de fabrication et ses utilisations
La présente invention concerne une fibre composite, notamment conductrice, constituée d'une matrice polymérique thermoplastique comprenant une polyéthercétonecétone (PEKK) , dans laquelle sont dispersés des nanotubes multiparois, notamment de carbone. Elle concerne également un procédé de fabrication de cette fibre composite, ainsi que ses utilisations .
On a recours, pour la fabrication de textiles chauffants tels que des vêtements, couvertures, sièges automobiles ou garnitures protectrices du froid
(destinées par exemple à protéger des cuves de fuel) à des fibres conductrices susceptibles de laisser circuler le courant électrique en leur sein et de générer, par effet Joule, de la chaleur.
Les fibres conductrices trouvent également un intérêt dans des applications où l'effet chauffant n'est pas recherché, pour leurs propriétés antistatiques, en particulier dans la fabrication de pièces aéronautiques ou automobiles ou pour le blindage électromagnétique d'équipements électroniques, par exemple pour dissiper les charges électriques issues de frottements, induites en particulier lors de la circulation d'un fluide dans une conduite thermoplastique.
Les fibres conductrices connues dans l'art antérieur comprennent : - les fils métalliques, qui ont l'inconvénient d'être lourds et susceptibles de s'oxyder,
- les fibres de polymères intrinsèquement conducteurs, qui résistent mal aux lavages et sont peu stables, dans la mesure où ils sont sensibles à l'oxydation et également à la chaleur dégagée par effet Joule qui peut dégrader chimiquement (par exemple réticuler) le polymère et/ou altérer ses propriétés mécaniques au-delà d'une certaine température, - les fibres de polymères rendus conducteurs par dépôt de particules conductrices à leur surface, telles que les fibres argentées, dont le revêtement est susceptible de se dégrader par frottement et usure, et
- de fibres de polymères chargés en leur sein de particules conductrices, à base de carbone ou de métaux.
Dans cette dernière catégorie de fibres conductrices, on peut citer les matrices polymères renforcées par des nanotubes de carbone, telles que décrites dans le brevet US-6,331,265 de la Demanderesse. Ce brevet divulgue ainsi diverses matrices polymères, notamment à base de polyétheréthercétone (ou PEEK) , mais préférentiellement à base de polyoléfines, qui sont renforcées par des nanotubes de carbone selon un procédé permettant d'optimiser les propriétés mécaniques de la fibre, les propriétés de conduction électrique n'étant pas particulièrement recherchées.
Or, il est apparu à la Demanderesse que certains matériaux composites à base d'un autre type de polyéthercétone, à savoir une polyéthercétonecétone (ou
PEKK) , et de nanotubes multiparois - notamment de carbone présentaient non seulement de bonnes propriétés mécaniques (notamment module d'Young et résistance à la rupture) , mais également des propriétés de conduction de l'électricité alliées à une très bonne stabilité thermique, leur permettant de véhiculer une grande densité de courant sans que la chaleur dégagée par effet Joule ne les détériore chimiquement de manière à altérer sensiblement leur aspect et/ou leurs propriétés mécaniques. Ces matériaux composites présentent également une bonne aptitude au filage par voie fondue. Cette combinaison de propriétés rend ces matériaux bien adaptés à la fabrication de fibres conductrices pour la fabrication de textiles chauffants ou d'autres matériaux conducteurs tels que décrits précédemment, en en particulier de matériaux antistatiques soumis à d'importantes contraintes thermiques et/ou mécaniques. Ils présentent en outre une biocompatibilité permettant d'envisager leur utilisation dans des applications biomédicales, notamment pour la réalisation de sutures.
II est, certes, connu de la demande WO 2005/081781 de fabriquer des composites à base de polymères, tels que le PEEK ou le PEKK, et de nanotubes de carbone. Ces composites sont utilisés pour fabriquer des articles moulés destinés à l'emballage de composants électroniques ou à la réalisation de plaques bipolaires pour cellules électrochimiques. Il n'est toutefois pas envisagé d'en faire des fibres.
De même, la société OXFORD PERFORMANCE MATERIALS, INC. commercialise, sous les dénominations commerciales
OXXPEKK®, différents grades de PEKK stables en température, dont certains (OXPEEK®-IG et OXPEEK®-MG grades 230C et 240C) sont renforcés par des fibres de verre ou de carbone. Ces composites ne sont toutefois pas transformables en fibres au sens de l'invention. En effet, compte tenu du diamètre (de l'ordre de 5 à 10 μm) des fibres de carbone, celles-ci sont difficiles à disperser de façon homogène dans les fibres composites et peuvent donc créer des défauts susceptibles d'obstruer les filtres ou orifices de filières utilisés dans la formation des fibres composites.
La présente invention a donc pour objet une fibre composite, notamment conductrice, constituée d'une matrice polymérique thermoplastique comprenant une polyéthercétonecétone (PEKK) , dans laquelle sont dispersés des nanotubes multiparois, en particulier à base de carbone.
Par "fibre composite", on entend, au sens de la présente invention, une fibre constituée d'un brin dont le diamètre est compris entre 100 nm et 300 μm, de préférence entre 1 et 100 μm, mieux, entre 2 et 50 μm.
Par "PEKK", on entend dans le cadre de cette description un polymère comprenant, et de préférence constitué, de monomères répondant à la formule générale (A) suivante :
Figure imgf000005_0001
dans laquelle Ph représente un groupe 1, 4-phénylène (auquel cas le motif -CO-Ph-CO- désigne un groupe téréphtalyle (T))) et/ou de monomères de formule (I) dans laquelle Ph représente un groupe 1, 3-phénylène (auquel cas le motif -CO-Ph-CO- désigne un groupe isophtalyle (I)) . Les groupes phényle peuvent éventuellement être substitués par des groupements alkyle en Ci à Cs.
Selon une forme d'exécution préférée de l'invention, le polymère comprend, et est avantageusement constitué, d'une combinaison des monomères précités. Dans ce cas, le rapport molaire (T) /(I) peut être compris entre 80:20 et 20:80, de préférence entre 60:40 et 50:50, bornes incluses .
Le PEKK utilisable selon l'invention peut être cristallin, semi-cristallin ou amorphe. On préfère toutefois utiliser un PEKK amorphe, qui permet d'obtenir une orientation plus favorable des chaînes polymères dans l'axe des fibres composites formées à partir du PEKK, et donc de meilleures propriétés mécaniques de ces fibres composites. On préfère par ailleurs que le PEKK présente une température de transition vitreuse (Tg) comprise entre 150 et 1700C (bornes comprises) . Son point de fusion, lorsqu'il existe, peut par exemple être compris entre 280 et 4000C, de préférence entre 300 et 370°C, bornes incluses.
Des PEKK convenant à une utilisation dans la présente invention sont notamment disponibles auprès de la société OXFORD PERFORMANCE MATERIALS sous les dénominations commerciales OXPEKK®-SP, OXPEKK®-C et OXPEKK®-C-E.
La présente invention a par ailleurs pour objet une fibre composite renfermant une matrice polymérique contenant principalement une polyaryléther cétone (PAEK) notamment amorphe dans laquelle sont dispersés des nanotubes multiparois d'au moins un élément chimique de la colonne IHa, IVa ou Va du tableau périodique des éléments.
Outre le PEKK ou le PAEK, la matrice polymérique utilisée selon l'invention peut par ailleurs contenir au moins un adjuvant choisi notamment parmi les plastifiants, les stabilisants anti-oxygène, les stabilisants à la lumière, les colorants, les agents anti-chocs, les agents antistatiques, les agents ignifugeants, les lubrifiants, et leurs mélanges, pour autant que ceux-ci ne nuisent pas à l'obtention d'une fibre conductrice. La matrice polymérique peut, en variante ou en plus, comprendre au moins un autre polymère thermoplastique compatible avec le PEKK ou rendu compatible avec celui-ci.
Le second constituant de la fibre composite selon l'invention est une dispersion de nanotubes multiparois, qui sont avantageusement constitués d' au moins un élément chimique choisi parmi les éléments des colonnes IHa, IVa et Va du tableau périodique. Les nanotubes multiparois peuvent ainsi être à base de bore, de carbone, d'azote, de phosphore, de silicium ou de tungstène. Ils peuvent par exemple contenir, par exemple être constitués, de carbone, de nitrure de carbone, de nitrure de bore, de carbure de bore, de phosphure de bore, de nitrure de phosphore ou de boronitrure de carbone ou encore de silicium ou de tungstène. L'avantage d'utiliser des nanotubes multiparois réside dans le fait que lorsqu' ils subissent un traitement de surface notamment en vue de faciliter leur mise en œuvre ou leur compatibilité avec la matrice, ils conservent leurs propriétés conductrices contrairement aux nanotubes monoparois par suite de l'altération de leur surface.
Selon une forme d'exécution préférée de l'invention, on utilise des nanotubes multiparois de carbone (ou "NTC") . Il s'agit de fibrilles de carbone graphitique, creuses, comportant chacune plusieurs parois tubulaires graphitiques orientées selon l'axe de la fibrille. Les nanotubes multiparois à parois multiples peuvent être préparés selon un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour "Chemical Vapour Déposition") . Les nanotubes multiparois peuvent par exemple comprendre de 3 à 15 feuillets et plus préférentiellement de 3 à 10 feuillets .
Les nanotubes multiparois auquels s'appliquent l'invention ont un diamètre moyen allant de 3 à 100 nm, plus préférentiellement de 4 à 50 nm et, mieux, de 4 à 30 nm et avantageusement une longueur de 0,1 à 10 μm. Leur rapport longueur/diamètre est de préférence supérieur à 10 et le plus souvent supérieur à 100 voire supérieur à 1000. Les nanotubes multiparois se différencient ainsi des fibres de carbone qui sont plus longues et de plus grand diamètre et se prêtent donc moins bien aux techniques classiques d'extrusion de matériaux thermoplastiques que les nanotubes multiparois. Leur surface spécifique est par exemple comprise entre 100 et 500 m2 /g (bornes comprises), généralement entre 100 et 300 m2 /g pour les nanotubes multiparois. Leur densité apparente peut notamment être comprise entre 0,05 et 0,5 g/cm3 (bornes comprises) et plus préférentiellement entre 0,1 et 0,2 g/cm3 (bornes comprises) .
Un exemple de nanotubes multiparois de carbone mutiparois bruts est notamment disponible dans le commerce auprès de la société ARKEMA France sous la dénomination commerciale Graphistrength C100.
Ces nanotubes multiparois peuvent être purifiés et/ou traités (par exemple oxydés) et/ou broyés et/ou fonctionnalisés, avant leur mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention.
Le broyage des nanotubes multiparois peut être notamment effectué à froid ou à chaud et être réalisé selon les techniques connues mises en oeuvre dans des appareils tels que broyeurs à boulets, à marteaux, à meules, à couteaux, à jet de gaz ou tout autre système de broyage susceptible de réduire la taille du réseau enchevêtré de nanotubes multiparois. On préfère que cette étape de broyage soit pratiquée selon une technique de broyage par jet de gaz et en particulier dans un broyeur à jet d'air.
La purification des nanotubes multiparois bruts ou broyés peut être réalisée par lavage à l'aide d'une solution d'acide sulfurique, de manière à les débarrasser d'éventuelles impuretés minérales et métalliques résiduelles, provenant de leur procédé de préparation. Le rapport pondéral des nanotubes multiparois à l'acide sulfurique peut notamment être compris entre 1 :2 et 1 :3
(bornes incluses) . L'opération de purification peut par ailleurs être effectuée à une température allant de 90 à
1200C, par exemple pendant une durée de 5 à 10 heures.
Cette opération peut avantageusement être suivie d'étapes de rinçage à l'eau et de séchage des nanotubes multiparois purifiés.
L'oxydation des nanotubes multiparois est avantageusement réalisée en mettant ceux-ci en contact avec une solution d' hypochlorite de sodium renfermant de 0,5 à 15% en poids de NaOCl et de préférence de 1 à 10% en poids de NaOCl, par exemple dans un rapport pondéral des nanotubes multiparois à l' hypochlorite de sodium allant de 1:0,1 à 1:1. L'oxydation est avantageusement réalisée à une température inférieure à 600C et de préférence à température ambiante, pendant une durée allant de quelques minutes à 24 heures. Cette opération d'oxydation peut avantageusement être suivie d'étapes de filtration et/ou centrifugation, lavage et séchage des nanotubes multiparois oxydés.
La fonctionnalisation des nanotubes multiparois peut être réalisée par greffage de motifs réactifs tels que des monomères vinyliques à la surface des nanotubes multiparois. Le matériau constitutif des nanotubes multiparois est utilisé comme initiateur de polymérisation radicalaire après avoir été soumis à un traitement thermique à plus de 9000C, en milieu anhydre et dépourvu d'oxygène, qui est destiné à éliminer les groupes oxygénés de sa surface. Afin d'éliminer les résidus métalliques de catalyseur, il est également possible de soumettre les nanotubes multiparois à un traitement thermique d'au moins 10000C, par exemple de 12000C.
On utilise notamment dans la présente invention des nanotubes multiparois bruts éventuellement broyés, c'est- à-dire des nanotubes multiparois qui ne sont ni volontairement oxydés, ni purifiés, ni fonctionnalisés, et qui n'ont subi aucun autre traitement chimique.
Le traitement ou non (chimique ou recuit) des nanotubes multiparois est fonction de l'utilisation finale du matériau thermoplastique renforcé par les fibres .
Les nanotubes multiparois peuvent représenter de 0,1 à 50% en poids, et de préférence de 1 à 10% en poids, par rapport au poids de la fibre composite selon l'invention.
La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication de la fibre composite à base de PEKK décrite précédemment, comprenant les étapes successives consistant à :
(a) disperser les nanotubes multiparois, éventuellement sous forme de mélange-maître dans une partie de la matrice polymère, dans tout ou l'autre partie de la matrice polymère, pour obtenir un mélange composite,
(b) transformer ledit mélange composite en fibres. L'étape (a), qui consiste à mélanger les nanotubes multiparois au PEKK, peut être conduite dans un appareillage quelconque. On préfère que les nanotubes multiparois et le polymère thermoplastique soient mélangés par compoundage à l'aide de dispositifs usuels tels que des extrudeuses bi-vis ou des co-malaxeurs . Ils peuvent être introduits simultanément ou en des endroits différents de l' extrudeuse . Dans ce procédé, des granulés ou de la poudre de polymère sont typiquement mélangés à l'état fondu avec les nanotubes multiparois.
En variante, les nanotubes multiparois peuvent être dispersés par tout moyen approprié dans le polymère thermoplastique se trouvant en solution dans un solvant. Dans ce cas, la dispersion peut être améliorée, selon une forme d'exécution avantageuse de la présente invention, par l'utilisation de systèmes de dispersion (tels que des ultrasons ou un système rotor-stator) ou encore à l'aide d'agents dispersants particuliers.
Les agents dispersants peuvent être notamment choisis parmi les plastifiants, en particulier le poly (butylène téréphtalate) cyclisé et les mélanges en contenant, tels que la résine CBT® 100 commercialisée par CYCLICS CORPORATION. En variante, l'agent dispersant peut être un copolymère comprenant au moins un monomère hydrophile anionique et au moins un monomère incluant au moins un cycle aromatique, tels que les copolymères décrits dans le document FR-2 766 106, le rapport en poids de l'agent dispersant aux nanotubes multiparois allant de préférence de 0,6:1 à 1,9:1. Dans une autre forme d'exécution encore, l'agent dispersant peut être un homo- ou un copolymère de vinylpyrrolidone, le rapport en poids des nanotubes multiparois à l'agent dispersant allant dans ce cas de préférence de 0,1 à moins de 2. D'une manière générale, l'agent dispersant peut également être sélectionné parmi les molécules ou macromolécules synthétiques ou naturelles, à caractère amphiphile, telles que les tensioactifs, présentant une affinité à la fois avec le milieu de dispersion et avec les nanotubes multiparois .
Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, les nanotubes multiparois utilisés dans l'étape (a) se trouvent sous forme de mélange-maître avec une partie de la matrice polymère et sont dilués, dans l'étape (a) avec le reste de la matrice polymère et le plastifiant tel que la résine CBT® 100 commercialisée par CYCLICS CORPORATION dont la concentration dépendra du taux de nanotubes multiparois. Dans ce mode de réalisation, les nanotubes multiparois peuvent représenter de 3% à 30% en poids, par rapport au poids du mélange-maître, et préférentiellement de 5% à 20%. Dans ce mode préféré, le choix de la matrice est préférentiellement le PEKK amorphe sous forme de poudre et le mélange avantageusement fait à l'aide d'un co-malaxeur type BUSS dans la configuration L/D entre 11 et 15. Dans un deuxième mode préféré de l'invention le mélange maître constitué de PEKK amorphe, de nanotubes multiparois et de plastifiant sera utilisé pour des formulations à base de PEKK, PEEK ou tout autre PAEK cristallin contenant ou non des fibres (carbone, verre) voir d'autres charges minérales.
Le mélange composite résultant de l'étape (a) est ensuite transformé en fibres dans l'étape (b) . La formation de ces fibres peut être avantageusement effectuée suivant un procédé de filage par voie fondue, de préférence par passage dans une extrudeuse pourvue d'une filière de faible diamètre. Il pourra être avantageux de conduire cette étape sous atmosphère inerte pour préserver la structure des nanotubes multiparois. Selon une autre variante, les fibres peuvent être obtenues suivant un procédé par voie solvant.
Le procédé selon 1 ' invention peut en outre comprendre une étape supplémentaire (c) consistant à étirer les fibres obtenues, à une température supérieure à la température de transition vitreuse (Tg) du PEKK et de préférence inférieure à sa température de fusion (si elle existe) . Une telle étape, décrite dans le brevet US- 6,331,265 qui est incorporé ici par référence, permet d'orienter les nanotubes multiparois et le polymère sensiblement dans la même direction, selon l'axe de la fibre, et d'améliorer ainsi les propriétés mécaniques de cette dernière, notamment son module de traction (module d'Young) et sa ténacité (seuil de rupture) . Le rapport d'étirage, défini comme le rapport de la longueur de la fibre après étirage à sa longueur avant étirage, peut être compris entre 1 et 20, de préférence entre 1 et 10, bornes incluses. L'étirage peut se faire en une seule fois, ou en plusieurs fois en laissant la fibre relaxer légèrement entre chaque étirage. Cette étape d'étirage est de préférence conduite en faisant passer les fibres dans une série de rouleaux ayant des vitesses de rotation différentes, ceux qui déroulent la fibre tournant à plus faible vitesse que ceux qui la réceptionnent. Pour atteindre la température d'étirage voulue, on peut soit faire passer les fibres dans des fours disposés entre les rouleaux, soit utiliser des rouleaux chauffants, soit combiner ces deux techniques. Cette étape d'étirage est rendue plus aisée par l'utilisation de PEKK amorphe.
Cette étape d'étirage permet de consolider la fibre et d'atteindre des contraintes au seuil à la rupture élevées .
En outre, bien que les fibres composites obtenues selon ce procédé soient intrinsèquement conductrices, c'est-à-dire présentent une résistivité qui peut être inférieure à 105 ohm. cm à température ambiante, leur conductivité électrique peut encore être améliorée par des traitements thermiques.
Enfin, ces fibres composites sont capables de supporter de fortes densités de courant sans que leurs propriétés mécaniques et leur aspect ne se trouvent sensiblement altérés, en raison, d'une part, de la bonne stabilité thermique du PEKK et, d'autre part, de la capacité des nanotubes multiparois à dissiper la chaleur.
La présente invention a encore pour objet un procédé de fabrication d'une fibre composite, comprenant les étapes suivantes : (a) La dispersion de nanotubes multiparois d'au moins un élément chimique de la colonne IHa, IVa ou Va du tableau périodique des éléments dans une matrice thermoplastique contenant principalement une polyaryléther cétone (PAEK), (b) La transformation du mélange obtenu pour former une fibre et (c) éventuellement l'étirage de la fibre obtenue. Compte tenu des propriétés avantageuses décrites ci- dessus, les fibres composites selon l'invention peuvent être utilisées pour la fabrication de nez, d'ailes ou de carlingues de fusées ou d'avions ; d'armures de flexible off-shore ; d'éléments de carrosserie automobile ou de châssis moteur ; d'emballages et de textiles antistatiques, notamment pour la protection de silos ; de dispositifs de blindage électromagnétique, notamment pour la protection de composants électroniques ; de textiles chauffants ; de câbles conducteurs; de capteurs, notamment de capteurs de déformation ou de contraintes mécaniques ; ou de dispositifs biomédicaux tels que des fils de suture ou des cathéters.
L'invention a en particulier pour objet une pièce composite de structure mécanique contenant des fibres composites telles que décrites précédemment (à base de PEKK ou de PAEK) .
La fabrication de ces pièces composites peut être réalisée suivant différents procédés, impliquant en général une étape d'imprégnation des fibres par une matrice polymérique. Cette étape d'imprégnation peut elle-même être effectuée suivant différentes techniques, en fonction notamment de la forme physique de la matrice utilisée (pulvérulente ou plus ou moins liquide) . L'imprégnation des fibres est de préférence réalisée suivant un procédé d'imprégnation en lit fluidisé, dans lequel la matrice polymérique se trouve à l'état de poudre. Les fibres peuvent elles-mêmes être imprégnées telles quelles ou après une étape de tissage en un tissu constitué d'un réseau bidirectionnel de fibres. Les fibres selon l'invention peuvent être introduites dans un matériau thermoplastique, un matériau élastomère ou un matériau thermodurcissable .
Ces semi-produits sont ensuite utilisés dans la fabrication de la pièce composite recherchée. Différents tissus de fibres pré-imprégnés, de composition identique ou différente, peuvent être empilés pour former une plaque ou un matériau stratifié, ou en variante soumis à un procédé de thermoformage. Dans tous les cas, la fabrication de la pièce finie comprend une étape de consolidation de la matrice polymérique, qui est par exemple fondue localement pour créer des zones de fixation des fibres entre elles.
En variante, il est possible de préparer un film à partir de la matrice d'imprégnation, notamment au moyen d'un procédé d'extrusion ou de calandrage, ledit film ayant par exemple une épaisseur d'environ 100 μm, puis de le placer entre deux mats de fibres, l'ensemble étant alors pressé à chaud pour permettre l'imprégnation des fibres et la fabrication du composite.
Dans ces procédés, la matrice d'imprégnation peut comprendre un polymère thermoplastique, élastomérique ou thermodurcissable ou un mélange de ceux-ci. Cette matrice polymère peut elle-même contenir une ou plusieurs charges ou fibres.
Par ailleurs, les fibres composites selon l'invention peuvent être tissées ou tricotées, seules ou avec d'autres fibres, ou être utilisées, seules ou en association avec d'autres fibres, pour la fabrication de feutres ou de matériaux non-tissés. Des exemples de matériaux constitutifs de ces autres fibres comprennent, sans limitation :
- les fibres de polymère étiré, à base notamment : de polyamide tel que le polyamide 6 (PA-6) , le polyamide
11 (PA-Il), le polyamide 12 (PA-12), le polyamide 6.6 (PA-6.6), le polyamide 4.6 (PA-4.6), le polyamide 6.10 (PA-6.10) ou le polyamide 6.12 (PA-6.12), de copolymère bloc polyamide/polyéther (Pebax®) , de polyéthylène haute densité, de polypropylène ou de polyester tel que les polyhydroxyalcanoates et les polyesters commercialisés par DU PONT sous la dénomination commerciale Hytrel® ;
- les fibres de carbone ;
- les fibres de verre, notamment de type E, R ou S2 ;
- les fibres d'aramide (Kevlar®) ;
- les fibres de bore ;
- les fibres de silice ;
- les fibres naturelles telles que le lin, le chanvre, le sisal le coton ou la laine ; et
- leurs mélanges, tels que les mélanges de fibres de verre, carbone et aramide.
Exemple 1 :
On introduit dans une extrudeuse bi-vis (L/D= 40) chauffée à 380 0C le PEKK (96 % en poids), grade OXPEKK®- SP de la société OXFORD PERFORMANCE MATERIAL ainsi que les nanotubes de carbone multiparois Graphistrength de
(R) la société Arkema (3 % en poids) et le plastifiant CBT 100 (1 % en poids), à l'aide d'une trémie d'alimentation. Le jonc que l'on obtient en sortie de filière est refroidit dans un bac à eau puis granulé et séché.
Exemple 2 :
On introduit les granulés obtenus dans l'exemple 1 dans une extrudeuse monovis (L/D= 16) chauffée à 3900C équipée avec une filière avec des trous de 0.5 mm. Les fibres obtenues sont étirées sur le banc d'étirage de telle sorte que le diamètre final s'établisse à lOOμm, refroidies à l'air puis elles sont enroulées sur une bobine à l'aide d'un dispositif adapté.

Claims

REVENDICATIONS
1. Fibre composite notamment conductrice constituée d'une matrice polymérique thermoplastique comprenant une polyéthercétonecétone (PEKK) , dans laquelle sont dispersés des nanotubes multiparois.
2. Fibre composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que les nanotubes multiparois contiennent, notamment sont constitués, de carbone, de nitrure de carbone, de nitrure de bore, de carbure de bore, de phosphure de bore, de nitrure de phosphore, de boronitrure de carbone, de silicum ou de tungstène.
3. Fibre composite selon la revendication 2, caractérisée en ce que les nanotubes multiparois sont des nanotubes multiparois de carbone.
4. Fibre composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les nanotubes multiparois représentent de 0,1 à 50% en poids et de préférence de 1 à 10% en poids, par rapport au poids de la fibre.
5. Fibre composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le PEKK est amorphe .
6. Fibre composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le PEKK présente une température de transition vitreuse (Tg) comprise entre 150 et 1700C (bornes incluses) .
7. Utilisation d'une fibre composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour la fabrication de nez, d'ailes ou de carlingues de fusées ou d'avions ; d'armures de flexible off-shore ; d'éléments de carrosserie automobile ou de châssis moteur ; d'emballages et de textiles antistatiques ; de dispositifs de blindage électromagnétique, notamment pour la protection de composants électroniques ; de textiles chauffants ; de câbles conducteurs; de capteurs, notamment de capteurs de déformation ou de contraintes mécaniques ; ou de dispositifs biomédicaux tels que des fils de suture ou des cathéters.
8. Procédé de fabrication d'une fibre composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant les étapes successives consistant à :
(a) disperser les nanotubes multiparois, éventuellement sous forme de mélange-maître dans une partie de la matrice polymère, dans tout ou l'autre partie de la matrice polymère, pour obtenir un mélange composite,
(b) transformer ledit mélange composite en fibres, de préférence suivant un procédé de filage par voie fondue .
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire (c) consistant à étirer les fibres obtenues, à une température supérieure à la température de transition vitreuse du PEKK et de préférence inférieure à sa température de fusion .
10. Fibre composite renfermant une matrice polymérique contenant principalement une polyaryléther cétone (PAEK) notamment amorphe dans laquelle sont dispersés des nanotubes multiparois d'au moins un élément chimique de la colonne IHa, IVa ou Va du tableau périodique des éléments.
11. Procédé de fabrication d'une fibre composite, comprenant les étapes suivantes : a) La dispersion de nanotubes multiparois d'au moins un élément chimique de la colonne IHa, IVa ou Va du tableau périodique des éléments dans une matrice thermoplastique contenant principalement une polyaryléther cétone (PAEK) , b) La transformation du mélange obtenu pour former une fibre et c) éventuellement l'étirage de la fibre obtenue.
12. Pièce composite de structure mécanique contenant des fibres composites selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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