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MATERIAUX Mission : renforcer leurs performances

LES DEUX FAMILLES DE MATRICES POLYMERES (THERMODURS ET THERMOPLASTIQUES) ET LES DEUX TYPES DE FIBRES (VERRE ET CARBONE) MULTIPLIENT LEURS FONCTIONNALITES POUR OPTIMISER LES PROPRIETES D'USAGE DES PIECES.
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Constitués d'une matrice et d'un renfort, les composites ont par conséquent deux fois plus de possibilités d'innover que les autres matériaux. En fait, les choses sont bien plus complexes et l'amélioration des performances de ces matériaux passe aussi par l'innovation dans les additifs et autres agents de mise en Å“uvre. L'objectif est de continuer de concurrencer les métaux, qui, de leur côté ne cessent d'optimiser leurs propres caractéristiques. Car si les composites sont gagnants dès qu'on parle d'allègement et de tenue à la corrosion, ils peuvent encore progresser, notamment en termes de propriétés mécaniques et de résistance au feu.

1) Les matrices

Résines thermodurcissables traditionnellement utilisées dans le secteur des composites, les époxydes et les polyesters insaturés ne peuvent pas se passer d'innover. Non seulement vis-à-vis des métaux, mais aussi des polymères thermoplastiques. Huntsman a par exemple mis au point des résines époxydes multifonctionnelles adaptées à toute une gamme de procédés, y compris l'injection de résine sous vide, l'infusion de film de résine, les pré-imprégnés et l'enroulement filamentaire.

L'Araldite MY 0600 est une résine époxyde à base de méta-aminophénol qui donne une matrice structurale présentant un module plus élevé et une ténacité supérieure aux autres époxydes. Huntsman la destine aux applications en électronique. Sa gamme présente aussi l'époxyde XB 9721 conçue pour des applications industrielles exposées à de hautes températures. Sika propose par ailleurs des résines époxydes Biresin aux performances bien ciblées. Par exemple, le grade CR80, à faible viscosité, se destine à une mis en Å“uvre par RTM (moulage par transfert de résine) ou par infusion, tandis que le CR170 se distingue par sa tenue aux températures élevées (jusqu'à 170 °C). 

De son côté, la toute jeune société NanoResins (spin-off du groupe allemand Hanse Chemie) développe des additifs permettant de repousser les limites des époxydes. L'entreprise propose notamment d'améliorer leur comportement aux chocs en y incorporant ses copolymères Albipox ou ses particules «core-shell» Albidur. La start-up propose une autre solution à base de nanotechnologies pour augmenter le module et la résistance à la flexion des époxydes. La modification de la résine par les nanoparticules Nanopox autorise une transformation par injection, selon le procédé RTM notamment, et donne accès à des pièces de bonne qualité de surface (classe A).

Chez Byk Chemie, plusieurs solutions ont été conçues pour améliorer la mise en Å“uvre des composites à matrice polyester insaturé, comme les SMC (sheet molding compound) et les BMC (bulk molding compound). Son offre vise en particulier à améliorer l'état de surface de ces composites après moulage. Son additif P 9080 permet de produire des pièces de classe A et améliore le comportement de la surface à la peinture ou au collage. Deux autres formulations, P 9050 et LP W 20784,  ont été conçues pour améliorer l'état de surface et le démoulage de pièces exigeantes comme les dômes réflecteurs de phares automobiles.

Après cinq années de R&D, le groupe Mäder lance un système global « résine + peinture » qui présente un très bon comportement au feu et à la fumée. Constitué d'une résine polyester, d'un gelcoat et d'une peinture hydrodiluable, ce système atteint des performances au feu et à la fumée M1F1 (suivant NF F 16-101). Il répond notamment aux spécificités du secteur ferroviaire et donne accès à des pièces finies décorées : parois, sièges, plafonds... Sa résistance au feu et à la fumée provient du greffage de particules minérales ignifugeantes sur les chaînes polymères.  La peinture à l'eau limite par ailleurs les rejets de COV et ne contient ni métaux lourds ni chromates.

Chez l'américain Axel, un agent démoulant vise la production de grandes pièces automobiles en SMC et BMC. Son MoldWiz 1970JB est tellement efficace selon son producteur qu'il n'a pas à être appliqué dans le moule à chaque cycle production, mais au maximum tous les trois cycles. D'où une productivité accrue et autant d'économie pour le transformateur et le client final.

La société Telene (Drocourt), lance quant à elle une version renforcée de fibres de verre de sa résine thermodurcissable à base de dicyclopentadiène. Ce système à deux composants est destiné à être mis en Å“uvre par le procédé RIM (Reactive injection molding) et convient à la production de grandes pièces comme des receveurs de douche ou des pare-chocs. La société Hexcel innove du côté des résines bismaléimides. En les renforçant de fibres de carbone, le producteur a conçu le matériau HexTool conçu pour la fabrication de moules. Avec ce produit, Hexcel se positionne sur le créneau de l'alliage métallique Invar, caractérisé par son très faible coefficient de dilatation thermique. Mais l'HexTool apporte en plus sa légèreté et sa rapidité de chauffage/refroidissement assurant des gains d'énergie et de temps.

Plus récents dans ce milieu, les polyuréthannes continuent leur percée dans l'industrie des composites. Avantages : ces matrices polymères sont disponibles sous différentes formes (mousse ou élastomère, souple ou rigide) autorisant diverses applications. En outre, leur chimie ne fait pas intervenir de styrène, composé organique volatil qui accompagne la mise en Å“uvre d'autres polymères. Spécialiste mondial de ces matériaux, Bayer mise notamment sur son système polyuréthanne projetable Multitec : après le secteur du sanitaire, son offensive porte actuellement sur le secteur de l'automobile. Mis en Å“uvre selon le procédé de projection simultanée PUR CSM de Hennecke (voir aussi PAGE XXX). Ce qui permet de produire des modules de toit, d'aile, de tableau de bord ou d'habillage latéral de porte. Selon Bayer, le système convient à la production de pièces de surface de classe A mais aussi à l'obtention d'un effet « soft touch ». 

Enfin, l'industrie des composites tend aussi à bénéficier des caractéristiques des polymères hautes performances. Ainsi, les PEEK (polyétheréthercétones) sont connus pour leur très bon comportement aux températures élévées. La société Victrex propose ainsi un composite PEEK/carbone capable de supporter des températures d'utilisation en continu jusqu'à 260 °C. Un tel matériau peut en outre supporter de très grands chocs thermiques : son coefficient de dilatation thermique est inférieur à celui de l'acier. Le PEEK combine par ailleurs une très grande résistance à l'hydrolyse et au contact de produits chimiques, ainsi qu'une ténacité et une rigidité élevées. Victrex propose son PEEK en quatre viscosités pour les applications composites. Les grades 90 et 150 à faible viscosité se destinent à la fabrication de composites fortement renforcés : ils se dispersent très bien dans les textiles en fibres de verre ou de carbone.

2) Les renforts 

Pour schématiser, les fibres utilisées pour renforcer les matrices polymères sont de deux types. Le verre se destine aux pièces techniques, notamment dans le domaine de l'automobile ; le carbone vise quant à lui les secteurs de hautes performances comme l'aéronautique. L'un des leaders mondiaux de la fibre de verre, Saint-Gobain Reinforcements vient par exemple de compléter sa gamme de renforts pour le procédé RTM (moulage par transfert de résine). L'Uniconform est un mat constitué à 100 % de fils de verre continus. Ce renfort obtenu par cohésion mécanique, non chimique, ne présente pas de fils de couture. Déformable, conformable et repositionnable, il épouse les formes souhaitées par l'industriel, même relativement complexes. En outre, ce mat 100 % verre confère aux pièces moulées un aspect translucide. Saint-Gobain le destine à l'agro-alimentaire, au nautisme et aussi à l'automobile pour de petites séries.

Chez Owens Corning, l'innovation majeure est le renfort en fibres de verre HiPer-tex destiné en particulier à la fabrication de réservoirs de gaz naturel comprimé pour véhicules. Cette solution donnerait accès à des réservoirs 50 % plus légers qu'en acier et à un coût réduit de 40 % par rapport à l'utilisation de fibres hautes performances. Par comparaison à un renfort de verre classique, le fournisseur annonce un gain de 35 % en résistance et de 17 % en rigidité ainsi qu'une meilleure tenue aux chocs et au vieillissement. Pour le marché de l'automobile toujours, le groupe américain a également a développé à partir de ses fibres de verre longues un composite thermoplastique aux propriétés acoustiques améliorées. L'AcoustiMax est  constitué de 45 % de polypropylène et 55 % de verre : il vise certaines applications actuelles des polyuréthannes et polyesters comme les garnitures de portières ou les plafonds.

L'autre américain PPG propose des rovings (constitués de fibres de verre continues reliées lâchement entre elles) permettant de réaliser des préformes sans avoir à utiliser de liant. Les rovings PF7009B et PF7024A) simplifient donc le processus, réduisant d'autant le cycle de fabrication de la préforme. L'allemand Johns Manville développe également de nouveaux types de rovings. Ainsi, le MultiStar 267 est conçu pour produire des pièces en SMC combinant état de surface et performances mécaniques, en particulier pour l'automobile. Tandis que le roving StarRov 086, destiné au secteur des sports et loisirs et à la fabrication de pales d'éoliennes, est surtout résistant à la fatigue.

Enfin, pour les applications exigeant de très hautes performances, les fibres de carbone apportent des caractéristiques mécaniques et électriques supérieures. C'est notamment le cas des nontissés conçus par l'américain Hollingworth & Vose pour des applications de protection contre les interférences électromagnétiques ou contre la foudre. Sa technologie est basée sur des fibres de carbone revêtues de nickel ou de cuivre. Ces produits ont passé avec succès le test « Zone 1A » relatif à la protection contre la foudre en aéronautique.

En Suède, la société Biteam s'est fait une spécialité du tissage 3D de fibres de carbone. L'une de ses dernières applications est une préforme de longeron destiné notamment à soutenir des éléments de moteurs d'avions, comme des aubes de guidage. L'avantage de la solution composite est de combiner allègement et moindre encombrement. Un autre suédois, Oxeon, innove quant à lui au niveau de la facilité d'utilisation de ses fibres hautes performances (en carbone, mais aussi en aramide). Disponibles en rouleau de quelques cm de large, les produits TeXero permettent de créer des renforts unidirectionnels améliorant la rigidité dans la direction désirée.

Michel Le Toullec
 

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