La résine polymérisée réactivement étend le marché des feuilles organiques, des opportunités

Cet automne, Johns Manville (JM, Denver, Colorado, États-Unis) prévoit de lancer les premiers produits de sa gamme Neomera. Les offres initiales seront in situ -une feuille organique de polyamide 6 (PA6) renforcé de fibre de verre et polymérisée, mais la gamme s'étendra bientôt pour inclure des tissus non frisés (NCF) et des fibres longues coupées. JM indique également que des matrices thermoplastiques polymérisées réactivement supplémentaires sont en cours d'évaluation, de même que des structures de renfort hybrides (par exemple, combinant des fibres de carbone et de verre) ou même des renforts sans verre. La société note qu'en raison de la méthode différente utilisée pour fabriquer ces matériaux par rapport aux composites organo-feuillets et thermoplastiques à fibres longues conventionnels, les produits Neomera offriront des propriétés mécaniques plus élevées à moindre coût. Voici ce que nous savons actuellement sur ces matériaux.

Une nouvelle méthode de production d'organosheet

La feuille organique conventionnelle - généralement une forme spécialisée de composite thermoplastique à mat de verre (GMT) renforcé de tissu tissé - est produite avec une matrice en polypropylène (PP) ou en polyamide 6 ou 6/6 (PA6, PA6/6). Les composites organosheet sont le plus souvent utilisés dans les composants semi-structurels et structurels dans les industries de l'automobile, des camions commerciaux, du bâtiment/construction et des articles de sport.

Plusieurs aspects rendent la gamme Neomera de JM différente de ce qui est déjà disponible sur le marché. Tout d'abord, plutôt que d'imprégner par fusion des fibres avec de la résine PA6 entièrement polymérisée, la société polymérise par voie anionique le caprolactame monomère en PA6 après l'étape d'imprégnation. Parce que le caprolactame fondu a une très faible viscosité (~ 5 centipoises), il mouille les mèches ou le tissu beaucoup plus efficacement que les thermoplastiques entièrement polymérisés, qui ont des chaînes polymères beaucoup plus longues et une viscosité beaucoup plus élevée. Cela signifie que le système de résine polymérisée réactivement de JM atteint une bien meilleure mouillabilité - plus comme des thermodurcissables liquides - qu'il n'est possible avec des thermoplastiques entièrement polymérisés comme le PA6. À son tour, cela réduit considérablement les vides et offre la possibilité de créer des fractions volumiques de fibres (FVF) plus élevées - de l'ordre de 50 % ou plus - ce qui, en soi, améliore les propriétés mécaniques.

Deuxièmement, JM traite également les fibres de verre - qu'elles soient hachées, tissées ou NCF - avec son propre encollage de verre réactif exclusif avant de les imprégner de caprolactame. Ceci, encore une fois, renforce la liaison fibre-résine et se traduit par des propriétés mécaniques plus élevées à des FVF comparables par rapport à d'autres produits organosheet avec le même type et le même pourcentage de charge de fibres et de matrice.

La feuille organique innovante à fibres longues offre une distribution aléatoire des fibres, un mouillage complet des fibres et une excellente liaison fibre-résine, comme le montrent les images ci-dessus. Sur la gauche, les faisceaux de fibres de verre sont affichés de bout en bout, et la droite montre que les faisceaux de fibres individuels, de haut en bas, sont entièrement recouverts de résine.

"Ce que nous voulons que les gens comprennent, c'est que nous ne présentons pas un autre moi aussi organosheet », explique Mingfu Zhang, directeur de recherche senior de JM - R&D d'entreprise. « Parce que nous commençons avec le caprolactame, nous pouvons mouiller les fibres beaucoup plus facilement que ceux utilisant des polymères thermoplastiques. En conséquence, nous obtenons une meilleure imprégnation, des fractions volumiques de fibres plus élevées et de meilleures performances. En fait, cela nous permet de créer des produits spécialisés qui ne sont même pas réalisables en feuille organique conventionnelle. "

L'année dernière, JM a annoncé qu'il avait développé la technologie et l'échantillonnait stratégiquement. Le plan est de faire un lancement en douceur de Neomera en septembre, puis un lancement en dur le mois suivant à l'exposition 2021 Composites &Advanced Materials (CAMX, 18-21 octobre, Dallas, Texas, États-Unis).

Déploiement progressif

Le produit Neomera initial - la série OS-6 - sera renforcé avec des tissus tissés. « Nous prévoyons de lancer notre gamme de produits en proposant une architecture à armure sergée dans des FVF allant de 45 à 50 %, car nous constatons une forte demande pour ces types de composites », note Dana Miloaga, chef de produit JM - composites, R&D d'entreprise . « Parce que c'est un tissage équilibré et qu'il offre une bonne drapabilité et des propriétés orthotropes, il est plus facile pour les ingénieurs habitués à spécifier les métaux avec lesquels travailler afin d'obtenir des pièces plus légères et plus performantes. »

Les formes tissées de la nouvelle famille d'organosheet seront suivies par la série NCF-6 comportant des NCF plus lourds, qui se sont traditionnellement avérés difficiles à imprégner avec des thermoplastiques conventionnels. Enfin, une version à fibre discontinue mais toujours plus longue (>25 millimètres) est prévue. Appelée la série CR-6 et censée posséder des longueurs de fibres constantes qui aident à maintenir les propriétés pseudo-isotropes, cette gamme de produits sera en concurrence avec les technologies thermoplastiques à fibres longues telles que le GMT et le thermoplastique direct à fibres longues (D-LFT). JM rapporte que les mouleurs pourront utiliser chaque produit Neomera seul ou en combinaison avec d'autres types. Par exemple, une structure hybride moulable par compression constituée d'une bande ou d'une feuille de feuille organique tissée ou NCF pourrait être utilisée pour renforcer les chemins de charge, tandis que la feuille organique renforcée de fibres discontinues pourrait être utilisée dans des endroits où une géométrie plus complexe comme des nervures ou des bosses est positionnée. « Lors des tests, il a été démontré que nos produits CR-6 à fibres discontinues offrent une meilleure aptitude au moulage que le GMT traditionnel à fibres hachées », ajoute Zhang.

En ce qui concerne les mouleurs ou les moulistes, les nouveaux produits de JM seront traités comme des feuilles organiques conventionnelles ou GMT. Les exigences de construction du moule sont également similaires. Le seul ajustement nécessaire est de préchauffer et de mouler la feuille organique Neomera avec la matrice PA6 à une température plus élevée que ce qui est typique pour le PP en raison des températures de fusion et de moulage plus basses de ce dernier. Fait intéressant, contrairement à certains produits GMT, il n'y a pas de gonflement des fibres de verre après le préchauffage en raison du retour élastique, de sorte que le matériau reste entièrement consolidé. Ceci est rendu possible, dit Zhang, par le fait que les fibres sont entièrement imprégnées de caprolactame et que — puisque le monomère est ensuite polymérisé in situ — ils atteignent un poids moléculaire beaucoup plus élevé que les feuilles organiques conventionnelles avec des matrices PA.

Les chercheurs de JM ont également mené une caractérisation de base des matériaux pour aider les ingénieurs de conception à simuler plus précisément les performances des pièces. « Nous avons travaillé en étroite collaboration avec les clients pour identifier les données les plus importantes dont ils auront initialement besoin pour effectuer un travail de simulation plus détaillé », explique Miloaga. « Nous prévoyons de générer des blocs de construction qu'ils pourront utiliser dès le début, car il faut généralement six mois pour effectuer la caractérisation nécessaire au développement d'une carte de matériau complète. »

Pour chaque gamme de produits introduite, la société affirme qu'elle qualifie deux fournisseurs mondiaux pour assurer une chaîne d'approvisionnement solide ainsi qu'un accès et une cohérence mondiaux. La ligne de production à grande échelle de JM dans la région de Denver a produit des échantillons de matériaux pour les clients, mais la production commerciale initiale aura lieu à Trnava, en Slovaquie.

Les produits Neomera seront proposés en noir, avec l'option « naturel » (blanc cassé) et la possibilité de couleurs personnalisées. Initialement, à mesure que la production commerciale s'intensifie, le produit sera fabriqué et coupé sur commande bien qu'à plus long terme, le plan soit de stocker des tailles standard.

Un aspect intéressant du processus de JM est qu'il peut produire des feuilles épaisses dans un processus continu. « L'un des défis des feuilles organiques existantes est qu'elles sont généralement produites en feuilles d'un demi-millimètre d'épaisseur. Ainsi, afin de fournir à un client un produit de 3 millimètres d'épaisseur, il doit post-consolider plusieurs feuilles pour en faire un stratifié, », explique Zhang. « Nous pouvons ignorer toute cette étape de post-consolidation puisque nous pouvons fabriquer directement une feuille de 3 millimètres d'épaisseur. En fait, c'est l'un des aspects les plus uniques de notre technologie. Nous savions que le caprolactame avait une viscosité semblable à celle de l'eau, mais nous avons quand même été surpris de voir à quel point notre technologie est adaptée à la production de stratifiés épais. Cela nous donne beaucoup de flexibilité dans ce que nous pouvons offrir aux clients. De plus, en sautant l'étape de post-consolidation, nos produits évitent un autre cycle de chauffe. »

Le défi était de contrôler le processus de fabrication afin de gérer la polymérisation anionique sensible à l'humidité du caprolactame. « Avant de commencer à travailler sur ce projet, la polymérisation anionique du caprolactame en PA6 n'avait été effectuée que dans des moules fermés, donc l'adapter à un processus continu pour produire un produit très cohérent demandait beaucoup de travail », ajoute Zhang.

Quelle est la prochaine étape ?

Lorsqu'on lui a demandé pourquoi un fournisseur de verre comme JM voudrait fabriquer des produits intermédiaires plutôt que de simplement licencier la technologie, Klaus Gleich, chercheur scientifique principal de JM - R&D d'entreprise, a déclaré :« Compte tenu de la nature de notre processus de fabrication, il n'y a vraiment pas beaucoup de les gens qui seraient capables de faire le matériel. Nous connaissons très bien la chimie et connaissons ses défis, nous sommes donc les mieux placés pour la développer et la commercialiser. Au-delà de cela, notre groupe de R&D a spécifiquement développé cette technologie innovante pour développer notre activité et offrir une plus grande valeur à nos propriétaires de Berkshire Hathaway [Omaha, Neb., États-Unis]. Nous voulons être des innovateurs et créer de nouvelles opportunités de marché. »

« Nous voyons la tendance des composites thermoplastiques évoluer vers des applications semi-structurelles et structurelles véritables pour fabriquer des composants légers et durables, tout à fait en phase avec notre nouvelle technologie de feuille organique », ajoute Miloaga. En fait, dit-elle, les premières applications commerciales utilisant la famille Neomera ne sont pas loin. JM a testé des matériaux dans les sports motorisés, et il existe également un intérêt pour d'autres segments de transport tels que les camions automobiles et commerciaux ainsi que les articles de sport. « La clé est que nous résolvons les problèmes », ajoute-t-elle. « La concurrence est chère et a un portefeuille limité. Nous pouvons fabriquer des produits plus performants et pourtant plus rentables — une combinaison gagnant-gagnant. »