JM dévoile Neomera : nouvelle gamme d'organosheets polymérisés réactivement boostant les opportunités marché

Cet automne, Johns Manville (JM, Denver, Colorado, États-Unis) prévoit d'introduire les premiers produits de sa gamme Neomera. Les offres initiales seront des organosheets en fibre de verre tissée renforcée polyamide 6 (PA6) polymérisés in situ, mais la gamme s'étendra bientôt pour inclure des nappes sans ondulation (NCF) et fibres longues hachées. JM indique également que des matrices thermoplastiques polymérisées réactivement additionnelles sont évaluées, ainsi que des structures de renforcement hybrides (ex: combinaison fibres carbone et verre) ou même renforts non-verre. L'entreprise note qu'en raison de la méthode différente utilisée pour fabriquer ces matériaux versus les organosheets et composites 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 pour produire des organosheets

L'organosheet conventionnel – généralement une forme spécialisée de composite thermoplastique à nappe de verre (GMT) renforcé de tissu tissé – est produit avec une matrice soit polypropylène (PP) soit polyamide 6 ou 6/6 (PA6, PA6/6). Les composites organosheet sont le plus souvent utilisés dans des composants semi-structuraux et structuraux dans les industries automobile, poids lourds, bâtiment/construction et articles de sport.

Plusieurs aspects différencient la gamme Neomera de JM de ce qui est déjà sur le marché. Premièrement, au lieu d'imprégner les fibres à la résine PA6 pleinement polymérisée, l'entreprise polymérise anioniquement le monomère caprolactame en PA6 après l'étape d'imprégnation. Comme le caprolactame fondu a une viscosité très faible (~5 centipoises), il mouille les fils ou tissus bien plus efficacement que les thermoplastiques pleinement polymérisés, qui ont des chaînes polymères bien plus longues et une viscosité bien plus élevée. Cela signifie que le système de résine polymérisé réactivement de JM atteint un bien meilleur mouillage – plus comme des thermodurcissables liquides – que ce qui est possible avec des thermoplastiques pleinement polymérisés comme le PA6. En retour, cela réduit grandement les vides et offre l'opportunité 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 traitement de surface réactif propriétaire avant imprégnation au caprolactame. Cela renforce à nouveau la liaison fibre-résine et résulte en propriétés mécaniques plus élevées à FVF comparables versus d'autres produits organosheet avec le même type et pourcentage de charge en fibres et matrice.

L'organosheet innovant à fibres longues offre une distribution aléatoire des fibres, un mouillage complet des fibres et une excellente liaison fibre-résine, comme montré dans les images ci-dessus. À gauche, les faisceaux de fibres de verre sont montrés de bout, et à droite on voit que les faisceaux individuels, vus de dessus, sont entièrement enrobés de résine.

« Ce que nous voulons que les gens comprennent, c'est que nous n'introduisons pas un autre produit organosheet me-too », explique Mingfu Zhang, responsable recherche senior - R&D corporate chez JM. « Parce que nous partons du caprolactame, nous pouvons mouiller les fibres bien plus facilement que ceux utilisant des polymères thermoplastiques. En résultat, 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 de spécialité qui ne sont même pas atteignables dans l'organosheet conventionnel. »

L'an dernier, JM a annoncé avoir développé la technologie et l'échantillonnait stratégiquement. Le plan est un lancement en douceur de Neomera en septembre puis un lancement dur le mois suivant au salon 2021 Composites & Advanced Materials Expo (CAMX, 18-21 octobre, Dallas, Texas, États-Unis).

Déploiement par phases

Le produit initial Neomera – la série OS-6 – sera renforcé de tissus tissés. « Nous prévoyons de lancer notre gamme de produits en offrant une architecture sergé dans des FVF de 45 à 50%, car nous voyons beaucoup de demande pour ces types de composites », note Dana Miloaga, responsable produit - composites, R&D corporate chez JM. « Parce que c'est un tissage équilibré et offre une bonne drapabilité et des propriétés orthotropes, c'est plus facile pour les ingénieurs habitués à spécifier des métaux de travailler avec pour atteindre des pièces plus légères, plus performantes. »

Les formes tissées de la nouvelle famille d'organosheet seront suivies par la série NCF-6 avec NCF plus lourds, qui ont traditionnellement prouvé être difficiles à imprégner avec les thermoplastiques conventionnels. Finalement, une version à fibres discontinues mais encore longues (>25 mm) est prévue. Appelée série CR-6 et censée posséder des longueurs de fibres constantes qui aident à maintenir des propriétés pseudo-isotropes, cette gamme de produits concurrencera les technologies thermoplastiques à fibres longues telles que GMT et thermoplastique à fibres longues direct (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 consistant en une bande ou feuille d'organosheet tissé ou NCF pourrait renforcer les chemins de charge, tandis qu'un organosheet à fibres discontinues pourrait être utilisé dans les zones où une géométrie plus complexe comme nervures ou bossages est positionnée. « En tests, nos produits CR-6 à fibres discontinues ont montré une meilleure moulabilité que le GMT à fibres hachées traditionnel », ajoute Zhang.

Du côté des mouleurs ou outilleurs, les nouveaux produits de JM se traiteront comme l'organosheet ou GMT conventionnel. Les exigences de construction de moule sont aussi similaires. Le seul ajustement nécessaire est de préchauffer et mouler l'organosheet Neomera à matrice PA6 à température plus élevée que typique pour le PP en raison des températures de fusion et moulage plus basses de ce dernier. Intéressant, contrairement à certains produits GMT, il n'y a pas de gonflement des fibres de verre après préchauffage dû au retour élastique, donc le matériau reste pleinement consolidé. Cela est permis, dit Zhang, par le fait que les fibres sont pleinement imprégnées de caprolactame et que – puisque le monomère est ensuite polymérisé in situ – ils atteignent un poids moléculaire bien plus élevé que l'organosheet conventionnel avec matrices PA.

Les chercheurs de JM ont également conduit des caractérisations matériaux de base pour aider les ingénieurs conception à simuler plus précisément la performance des pièces. « Nous avons travaillé étroitement avec les clients pour identifier les données les plus importantes dont ils auront besoin initialement pour faire un travail de simulation plus détaillé », explique Miloaga. « Nous prévoyons de générer des blocs de construction qu'ils pourront utiliser tôt, car il faut généralement six mois pour faire la caractérisation nécessaire pour développer une fiche matériau complète. »

Pour chaque gamme de produits introduite, l'entreprise dit qualifier deux fournisseurs mondiaux pour assurer une chaîne d'approvisionnement robuste et un accès et constance globaux. La ligne de production à échelle du JM dans la région de Denver a produit des quantités d'échantillons pour les clients, mais la production commerciale initiale aura lieu à Trnava, Slovaquie.

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

Un aspect intéressant du procédé de JM est qu'il peut produire des feuilles épaisses en continu. « Un des défis avec l'organosheet existant est qu'il est typiquement produit en feuilles de demi-millimètre d'épaisseur, donc pour fournir un client avec un produit de 3 mm d'épaisseur, ils doivent post-consolider plusieurs feuilles pour faire un stratifié », explique Zhang. « Nous pouvons sauter toute cette étape de post-consolidation puisque nous pouvons faire une feuille de 3 mm d'épaisseur directement. En fait, c'est un des aspects les plus uniques de notre technologie. Nous savions que le caprolactame avait une viscosité proche de l'eau, mais nous étions encore surpris par à quel point notre technologie est adaptée pour produire des 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. »

Ce qui était difficile était de contrôler le procédé de fabrication pour gérer la polymérisation anionique du caprolactame sensible à l'humidité. « Avant de commencer ce projet, la polymérisation anionique du caprolactame en PA6 n'avait vraiment été faite que dans des moules fermés, donc l'adapter à un procédé continu pour produire un produit très constant a demandé beaucoup de travail », ajoute Zhang.

Quelle suite ?

Interrogé sur pourquoi un fournisseur de verre comme JM voudrait fabriquer des produits intermédiaires plutôt que simplement licencier la technologie, Klaus Gleich, scientifique recherche senior - R&D corporate chez JM dit : « Donnée la nature de notre procédé de fabrication, il n'y a vraiment pas beaucoup de gens qui seraient capables de faire le matériau. Nous connaissons la chimie très bien et connaissons ses défis, donc nous sommes les mieux positionnés pour l'industrialiser et la commercialiser. Au-delà, notre groupe R&D a spécifiquement développé cette technologie innovante pour étendre notre activité et retourner plus de valeur à nos propriétaires chez Berkshire Hathaway [Omaha, Nebraska, États-Unis]. Nous voulons être innovateurs et créer de nouvelles opportunités de marché. »

« Nous voyons la tendance des composites thermoplastiques vers des applications semi-structurelles et structurelles vraies pour faire des composants légers et durables comme très alignée avec notre nouvelle technologie d'organosheet », ajoute Miloaga. En fait, elle dit que les premières applications commerciales utilisant la famille Neomera ne sont pas loin. JM a testé des matériaux en sport automobile, et il y a aussi de l'intérêt dans d'autres segments transport comme automobile et poids lourds plus articles de sport. « La clé est que nous résolvons des problèmes », ajoute-t-elle. « La concurrence est coûteuse et a un portefeuille limité. Nous pouvons produire des produits plus performants et pourtant plus rentables – une combinaison gagnant-gagnant. »