Rubans thermoplastiques haute performance renforcés de fibre de carbone PAN textile

Le défi du coût de la fibre de carbone

Un défi de longue date dans l'industrie des composites avancés est de trouver des moyens de produire de la fibre de carbone à moindre coût pour que toutes les industries qui veulent utiliser ce renfort composite précieux et efficace le puissent. Les coûts de la fibre de carbone ont considérablement baissé grâce à des décennies de travail pour améliorer la productivité via la chimie des précurseurs, l'innovation 기계, les améliorations de procédé et plus.

Précurseurs alternatifs

L'un des domaines qui a montré une grande promesse est l'utilisation de précurseurs alternatifs au PAN aéronautique conventionnel. Par exemple, le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE, Washington, D.C., USA) et le Laboratoire National d'Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, USA) ont développé des méthodes pour produire de la fibre de carbone à partir de précurseurs alternatifs allant des polymères, à la lignine, au charbon.

Le PAN textile : le précurseur le plus prometteur

L'un des plus prometteurs de ces précurseurs, et le plus proche de la commercialisation, est le PAN textile, qui est similaire à la fibre utilisée pour produire des pulls en acrylique. Comme les autres précurseurs alternatifs qu'ORNL a investigués, la fibre de carbone PAN textile (TCF) est différente de la fibre de carbone PAN aéronautique de spécialité de plusieurs façons.

Une des différences est que le précurseur PAN textile, parce qu'il est destiné à l'industrie textile (pensez rideaux, vêtements, tissus d'ameublement), est fourni dans un format à grand brin qui est intrinsèquement moins coûteux que le précurseur PAN aéronautique spécialisé. Pendant la production de fibre de carbone, cela a pour effet d'augmenter le débit et de réduire les coûts de conversion comparé à la fibre PAN conventionnelle. Il tend aussi à produire des fibres de brin beaucoup plus gros — de l'ordre de 300K à 450K sur la ligne à l'installation de technologie de fibre de carbone d'ORNL versus 3K à 50K typique de la fibre de carbone PAN conventionnelle. De plus, bien qu'il faille plus de temps pour traiter le précurseur TCF, puisqu'il ne contient pas d'accélérateurs de réaction comme le PAN conventionnel et est typiquement exécuté à des températures plus basses (une fonction du besoin d'équilibrer le temps de résidence et la température), le fait qu'autant plus de fibre puisse être traitée à un moment donné et que la consommation d'énergie est plus faible sur une base poids ou volume aide à réduire les coûts. En fait, ORNL estime qu'une économie d'énergie totale de ~60 % pour la conversion de fibre et ~50 % d'économie de coûts sont possibles.

Cela fournit à son tour l'opportunité de produire de la fibre moins coûteuse en quantités inhabituellement grandes, et de l'utiliser pour faire des produits avec une empreinte carbone plus petite. Dans des industries comme l'automobile/transport terrestre, l'électronique grand public, les articles de sport, la construction/bâtiment et l'énergie éolienne, le TCF est un renfort attractif car les applications tendent à être pilotées par la rigidité, comparé aux applications pilotées par la résistance dans l'aérospatial. Notamment, les industries non aéronautiques pourraient potentiellement consommer beaucoup de fibre.

Défis de conversion et d'utilisation

Cependant, le TCF est encore un produit différent de la fibre de carbone PAN conventionnelle, donc du travail est nécessaire non seulement pour mieux caractériser cette fibre, mais aussi pour trouver des moyens de la convertir et de l'utiliser. Parce qu'il peut être traité en bande de brin ultra-large, ce précurseur nécessite des modifications d'équipement de procédé tout au long du processus de production de fibre. Cela change aussi la modification de surface post-production et l'emballage, et cela affectera, bien sûr, les procédés de conversion allant de la fabrication de rubans et tissus aux préimprégnés et préformes.

Reconnaissant toutes les façons dont le TCF peut résoudre le problème de coût/disponibilité de la fibre de carbone d'un côté, mais crée aussi de nouveaux problèmes dans la façon de manipuler, convertir et emballer ce matériau de l'autre, l'Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tennessee, USA) a travaillé sur un certain nombre de projets de recherche soutenus par les membres au cours des trois dernières années pour adresser ces problèmes. Un projet intéressant a regardé des façons de convertir la bande de brin ultra-large TCF en rubans composites thermoplastiques.

Réduction des coûts par imprégnation en ligne

L'intérêt pour les rubans composites thermoplastiques a grandi dans de nombreuses industries, mais ces produits tendent à être chers, car un équipement spécialisé et un savoir-faire sont requis pour imprégner avec succès n'importe quelle fibre avec des résines thermoplastiques pré-polymérisées, à haut poids moléculaire et haute viscosité versus leurs homologues thermodurcissables non réagis, à faible viscosité. Il est trop facile de produire des rubans avec beaucoup de vides et un mauvais mouillage des fibres, aboutissant à des pièces finales qui non seulement ont l'air terribles, mais courent le risque de défaillance prématurée.

Le Dr Uday Vaidya, professeur et chaire du gouverneur pour la Fabrication de Composites Avancés, Université du Tennessee-Knoxville (UTK, Knoxville, Tennessee, USA) et CTO d'IACMI, a collaboré sur des programmes de composites thermoplastiques depuis le début des années 2000 avec George Husman, président de Husman Consulting Inc. (Cape Coral, Floride, USA) et ancien directeur et CTO de Zoltek Co. Inc. (St. Louis, Missouri, USA). Leurs nombreuses interactions ont mené à l'idée d'imprégnation en ligne de fibres de carbone à gros brin conventionnelles (24K à 50K) pour produire des rubans composites thermoplastiques au bout de la ligne de production de fibre. Produire des rubans immédiatement après la production de fibre éliminerait une étape de procédé intermédiaire séparée et tout l'expédition et la manipulation que cela implique. On espère que cela aiderait à réduire les coûts des rubans et des pièces faites de ces rubans.

Réaliser ce concept a requis du développement dans le procédé et l'équipement pour faire des rubans thermoplastiques renforcés de fibre de carbone en différentes tailles de brin. Vaidya et Husman ont déposé un brevet provisoire en conjonction avec la Fondation de Recherche de l'Université du Tennessee (UTRF, Knoxville, Tennessee, USA) en 2018 couvrant un procédé pour la production en ligne de rubans thermoplastiques renforcés avec jusqu'à 50K de fibre de carbone. L'année suivante, Vaidya et son équipe UTK ont étendu ce travail pour inclure l'imprégnation thermoplastique de TCF à bande ultra-large (300K à 450K brin) avec un second dépôt.

Rubans TP TCF : surmonter les défis techniques

Comme on s'y attendait, il n'y a pas eu de pénurie de défis techniques à adresser en cours de route. L'alimentation et la manipulation des fibres nécessitaient une modification significative d'équipement, car le TCF tend à être plus large et impliquer plus de filaments que la fibre de carbone conventionnelle. Il est aussi sujet au comportement caténaire pendant l'étape d'imprégnation de fibre de la production de ruban. Cela signifie qu'une onde sinusoïdale se forme alors que les brins alimentent la filière d'imprégnation, causant une séparation inégale des brins et leur entrée dans la filière sous différentes tensions, menant à des rubans qui se tordent, se déforment et atteignent un mauvais mouillage des fibres.

« Trouver un moyen de maintenir un équilibre entre la tension de la fibre et la flexibilité s'est avéré vraiment difficile et a requis beaucoup de travail », explique Vaidya. « Notre équipe a compris à quel point il était important de maintenir l'intégrité du brin afin d'écarter les filaments et d'atteindre un haut degré de mouillage, ce qui, bien sûr, est critique pour produire des rubans de qualité. »

Puis il y a eu le problème de l'ennoblissement. Les bandes de brin TCF sont fortement enduites pour aider la fibre à bouger en douceur de la crémaillère à la filière d'imprégnation où elle est mouillée avec de la résine pour produire le ruban. Cependant, une fois à la filière, des recherches précédentes avaient montré que pour atteindre un bon mouillage avec des thermoplastiques à viscosité plus élevée, la présence d'ennoblissement impedait en fait l'imprégnation, la rendant hautement souhaitable à enlever. Essais-erreurs ont finalement mené l'équipe à développer une technique pour brûler l'ennoblissement juste avant que les brins entrent dans la filière d'imprégnation.

Pour prédire avec précision la rhéologie de la résine et l'alimentation polymère à travers la filière d'imprégnation et faire de bons rubans, de nouveaux travaux de simulation et validation étaient nécessaires. L'équipe s'est concentrée sur la production de rubans TCF avec du polypropylène (PP) ainsi que du polyamide 6 (PA6) — deux thermoplastiques largement utilisés dans l'automobile pour leur ténacité et abordabilité. L'équipe a utilisé le logiciel de conception de filière d'extrusion PolyXtrue de Plastic Flow LLC (Hancock, Michigan, USA), qui est basé sur le modèle Williams-Landel-Ferry (WLF) et a fourni une excellente corrélation avec la rhéologie mesurée et les résultats de taux de cisaillement.

La conception de la filière elle-même était un autre domaine de recherche important, surtout quand l'équipe est passée des brins standard 12K à 50K, et puis aux brins TCF à bande ultra-large. À ce stade, la filière a dû être complètement redessinée et un processus à deux étapes adapté. Pendant la première étape, la fibre est imprégnée ; pendant la deuxième étape, des angles de rupture optimisés pour les goupilles de tension/imprégnation — qui contrôlent la tension à laquelle la fibre de carbone est tirée, la fraction massique de fibre (FWF), ainsi que le contrôle qualité — sont définis afin d'atteindre les propriétés désirées dans les rubans terminés. Présentement, l'équipe a produit des rubans 30-50% FWF en PP et PA6, même avec les brins plus lourds.

Pour refroidir rapidement les rubans après sortie de la filière, un système de refroidissement par air post-imprégnation a été développé. L'équipe a même dû trouver une méthode pour reprendre les rubans terminés sur crémaillères/bobines, en raison de la largeur des produits et des défis d'utilisation en aval de ces rubans.

Vaidya dit que l'équipe est actuellement focalisée sur l'intégration électronique, qui inclut la construction d'une interface utilisateur graphique formelle et le développement d'un système basé sur contrôleur logique programmable (PLC). Ultimement, l'objectif de l'équipe est de développer un module de production de rubans thermoplastiques qui peut être ajouté au bout d'une ligne de production de TCF ou fibre de carbone conventionnelle pour faciliter la production de rubans thermoplastiques secondaires/intermédiaires.

« Notre équipe a fait face à de nombreux défis techniques, mais nous avons aussi eu des accomplissements », explique Vaidya. « Manipuler une telle bande de brin large et imprégner les fibres avec succès — et rapidement — pour atteindre des rubans thermoplastiques de qualité sans vides a été difficile. Cependant, notre équipe a exploré un certain nombre de paramètres de procédé, incluant de multiples itérations de conception de filière ; simulations d'écoulement polymère à travers la filière ; et divers aspects de l'alimentation fibre, tensionnage et préchauffage. Non seulement nous avons prouvé certaines des revendications de notre brevet, mais nous avons aussi atteint des vitesses de ligne d'imprégnation de 12 pieds/minute [3,7 mètres/minute] en produisant des rubans polypropylène et PA6 30% FWF. »

Prochaines étapes

Vaidya dit que les protections de propriété intellectuelle entourant cette technologie de ruban ont été déposées auprès de la Fondation de Recherche UT — une avec les fibres traditionnelles 24K et 50K et une avec les fibres à grand brin. La commercialisation, dit-il, se focalisera sur l'imprégnation en ligne au sein d'une ligne de fibre de carbone. « Cela réduira grandement le post-traitement et s'adaptera aisément, abaissant encore le coût global de l'intermédiaire », dit-il.

Comment ces rubans pourraient-ils être appliqués ? Vaidya dit que les options sont nombreuses : « Par exemple, le matériau peut être haché en forme de fibres longues, utilisé comme matière première pour pultrusion, bobinage de filaments pour grands réservoirs, surmoulage (similaire à l'organosheet) en moulage par compression, stock de feuille dans des procédés hybrides — ex., avec LFT [thermoplastique fibres longues], SMC [composé de moulage en feuille] et autres matériaux synergiques. » Cela ouvre une gamme de types de produits qui bénéficieraient d'améliorations de rigidité, ténacité aux chocs élevée et processabilité améliorée comme les formes, tirages et courbures, recyclage et chimies réversibles.

Les applications, dit-il, incluent l'automobile, camions, pales éoliennes, infrastructures (ponts), construction, articles de sport, marine et produits offshore. « L'intermédiaire thermoplastique fibre de carbone grand brin peut maintenant offrir des voies pour considérer la fibre de carbone où c'était trop cher auparavant », conclut Vaidya.