Marchés spécialisés — Fibres bicomposants

Depuis lors, les fibres liantes gaine/âme sont devenues largement acceptées et ont ouvert la voie à l'introduction de fibres discontinues bicomposants, de câbles et de fils de filaments avec une large gamme de caractéristiques de performance améliorées offertes par des technologies bicomposants plus avancées. Un pas en avant important dans la commercialisation de certaines des possibilités les plus avancées a été l'invention par Hills Inc., basée à Melbourne, en Floride, d'un procédé de production de pièces de spin pack utilisant la gravure photochimique. Cette avancée a augmenté la finesse et la précision du contrôle des voies d'écoulement des polymères et l'a fait tout en réduisant simultanément le coût des pièces. Par la suite, Fiber Innovation Technology, Inc. (FIT) a été créée en 1996 à Johnson City, Tennessee, en tant que producteur de fibres spécialisées non contrôlé par un producteur de polymères axé sur un seul polymère. Grâce à l'accès à tous les matériaux thermoplastiques disponibles et à l'utilisation de la technologie Hills, FIT a été en mesure de lancer un grand nombre de types de fibres bicomposants différents dans une grande variété d'applications en un temps relativement court. En conséquence, les consommateurs de fibres ont désormais accès à un approvisionnement commercial d'une variété presque infinie de fibres bicomposants, avec une gamme exponentiellement plus large de caractéristiques de performance que lorsque les fibres bicomposants les plus simples ont été introduites pour la première fois.

Propriétés de fibre hautement personnalisées Aujourd'hui, le choix des polymères utilisés dans une fibre bicomposant ne se limite pas à une poignée de polymères de base tels que le polyéthylène téréphtalate (PET), le nylon et le polypropylène (PP). Au lieu de cela, toute la gamme de polyesters - y compris le téréphtalate de polycyclohexanediméthanol, le téréphtalate de polytriméthylène, le téréphtalate de polybutylène, le PET glycol et une vaste gamme de copolyesters - est complétée par des polyesters aliphatiques tels que l'acide polylactique et les polyhydroxyalcanoates, qui introduisent le nouvel avantage environnemental d'être issus de ressources renouvelables. Une extension de gamme similaire est désormais disponible avec des polyamides et des polyoléfines, notamment le nylon 6, 6,6, 11 et 12 ; les copolyamides; polyéthylène haute densité (PE); PE basse densité linéaire ; PP syndiotactique; et le polyméthylpentène. Mais la nouvelle possibilité la plus intrigante est peut-être l'incorporation de polymères techniques, dont les propriétés sont généralement exceptionnelles mais dont le coût a traditionnellement empêché toute étude d'utilisation dans les applications de fibres de base. La liste de ces polymères est longue et comprend le sulfure de polyphénylène, l'acétal, les ionomères, l'alcool polyvinylique, le polyétherimide et les polyuréthanes thermoplastiques, pour n'en nommer que quelques-uns.

Aux choix de polymères nouvellement élargis s'ajoutent une plus grande variété de sections transversales bicomposant rendues possibles par la technologie Hills et certaines innovations de pièces de pack par FIT. Il est maintenant possible de placer les polymères à peu près partout où on le souhaite dans la section transversale de la fibre (voir la figure 2).

Et il n'est plus nécessaire de limiter le choix aux fibres rondes. Les fibres à section profilée peuvent également être coextrudées à l'aide de deux polymères (voir figure 3).

Figure 3 : Les fibres à deux composants peuvent également être extrudées dans une variété de sections transversales formées, y compris celles illustrées ci-dessus.

Enfin, toute la gamme d'additifs polymères pouvant être utilisés dans les fibres monopolymères peut également être utilisée dans l'un ou les deux polymères d'une fibre bicomposant pour obtenir des caractéristiques de performance ciblées. Ces additifs comprennent des éléments tels que des colorants, des retardateurs de flamme, des antimicrobiens, des matériaux conducteurs et des nanotubes de carbone, entre autres additifs.

Avec cette très large matrice de propriétés des matériaux et les façons de les combiner dans chaque fibre, il sera évident que les fibres bicomposants ne sont plus un poney à un tour. Alors que dans le passé, la conception de tissus signifiait essayer d'optimiser les attributs fixes d'une fibre de base dans chaque application différente, les fibres à deux composants offrent désormais un moyen de concevoir des performances finement réglées dans la fibre. Chaque application peut désormais rechercher une fibre parfaitement adaptée aux besoins spécifiques de cette application.

Utilisations exemplaires des fibres à deux composantsIl y a beaucoup trop d'utilisations finales différentes pour les fibres bicomposants à couvrir dans un bref article, mais quelques exemples illustratifs sont discutés ci-dessous.

Même la fibre de liaison gaine/noyau de base a été mise à jour depuis les premiers jours. On a aujourd'hui accès à une gamme de copolymères de polyesters, polyamides et polyoléfines permettant de cibler précisément le comportement de thermocollage souhaité. La température de liaison peut être réglée d'un minimum d'environ 110°C à un maximum d'environ 180°C. Il est même possible de sélectionner des polymères de liaison en dehors de cette gamme, mais ces options peuvent imposer des mises en garde importantes. Au-delà de la température de collage, le caractère adhésif du polymère de collage peut être ajusté pour mieux adhérer aux surfaces polaires ou non polaires. Et la nature cristalline du polymère peut être ajustée pour donner une plage de température de fusion plus large ou plus étroite. Les fibres liantes pour les non-tissés à gonflant élevé utilisées comme coussins de siège à la place de la mousse de polyuréthane utilisent un polymère de gaine à récupération élastique, de sorte que des contraintes répétées des points de liaison ne rompent pas la liaison.

La section transversale fondamentale gaine/noyau est également utile dans de nombreuses applications exigeant des polymères techniques. Typiquement, une telle application dépend entièrement des propriétés de surface du polymère plus exotique et plus cher. Dans ces cas, le noyau de la fibre peut être fabriqué avec un polymère à moindre coût approprié pour offrir tous les avantages du polymère plus cher à un coût des matériaux bien inférieur à celui d'une fibre fabriquée à partir du polymère de surface seul.

Les fibres bicomposants côte à côte reposent généralement sur la différence de retrait entre les deux polymères. À tout moment du processus de formation du tissu, si les fibres ne sont pas physiquement contraintes, un rétrécissement peut être induit par l'application de chaleur. Étant donné que les deux polymères se rétractent à des vitesses différentes, la fibre résout la tension résultante en s'enroulant en une hélice. Ce comportement permet à un tissu d'être aplati puis gonflé quand et où cela convient à l'application.

Les sections transversales en coin de tarte sont généralement utilisées pour fabriquer des microfibres. Le filage direct des microfibres est difficile - et pratiquement impossible en dessous d'environ 0,3 à 0,5 denier par filament (dpf) - et coûteux, car les débits sont faibles. Mais une fibre pie-wedge de 2 à 3 dpf ne souffre pas de limitations de débit et est robuste grâce aux processus de production de fibres et de tissus. Une fois qu'une nappe non tissée est formée à partir de ces fibres, elle peut être soumise à une agitation mécanique - généralement un processus d'hydro-enchevêtrement - qui divisera les segments en microfibres - généralement environ 16 segments par fibre bicomposant. Le résultat est un tissu en microfibre à un coût considérablement réduit par rapport à celui fabriqué à partir de microfibres filées directement. Les versions creuses et partiellement enroulées de cette section transversale sont des raffinements qui permettent d'ajuster la capacité relative de division de la fibre.

La section mer/îles génère également des microfibres. Dans ce cas, le polymère marin peut être facilement éliminé par dissolution dans un solvant approprié - généralement, un bain caustique léger et chaud ou de l'eau tiède. Un tissu fait de fibres de mer/îles est passé à travers le solvant, et le résultat est un tissu en microfibre. Cette approche entraîne une pénalité de coût car une partie de la fibre est évacuée par les égouts. Mais les plus petites microfibres issues de la technologie mer/îles sont beaucoup plus petites que celles réalisables en utilisant la technologie de séparation mécanique.

La section transversale taggant est celle que FIT a initialement développée juste pour montrer ses capacités. Mais depuis lors, la société a découvert que l'inclusion d'un logo ou d'une autre forme complexe dans la section transversale de la fibre peut être utile dans les fibres de marquage pour les applications dans lesquelles une protection contre la responsabilité est souhaitée. Le logo peut même être un code-barres bidimensionnel qui peut être lu par un système de vision artificielle, incorporant ainsi furtivement de grandes quantités d'informations dans un produit. Le produit étiqueté n'a pas besoin d'être un produit fibreux, mais peut inclure des produits électroniques, des produits pharmaceutiques, des pierres précieuses, des explosifs ou pratiquement tout ce qui est utilisé dans une application dans laquelle l'identification médico-légale pourrait être utile.

Directions futures Bien sûr, ce n'est pas la fin de l'histoire. L'innovation se poursuivra et s'appuiera sur les avancées qui ont amené la technologie à ce stade. Déjà, des systèmes de filage à trois composants sont en cours de développement pour coextruder trois polymères différents dans chaque fibre plutôt que deux seulement. Et certaines des sections transversales à deux composants les plus simples apparaissent dans les tissus filés-liés, dans lesquels les filaments sont extrudés directement dans une nappe non tissée sans former de fibres comme produit intermédiaire. La précision du contrôle du polymère pour former la section transversale continue également de progresser. Lorsque FIT a été formé pour la première fois, l'état de l'art était de 37 îles dans une fibre mer/îles, ce qui pouvait produire des microfibres aussi fines que 0,02 dpf. Au cours des dernières années, Hills a produit des packs de spin capables de bourrer des centaines d'îlots dans chaque section transversale de fibre, ce qui permet la production de microfibres submicroniques. Il y a même une coupe mer/îles avec près de 10 000 îles. Et avant même que la technologie d'électrofilage ne sorte du berceau, les chercheurs commencent à expérimenter des filaments électrofilés à deux composants, en utilisant des solutions de polymères plutôt que des polymères fondus.

Il faudra attendre que certaines de ces avancées soient largement disponibles, mais avec l'état de la technologie bicomposant disponible aujourd'hui pour la production commerciale, il n'est peut-être plus nécessaire d'attendre une fibre discontinue ou un fil de filament qui offre les performances exactes requises par une application particulière.

Note de l'éditeur : Jeffrey S. Dugan est vice-président, recherche, de Fiber Innovation Technology Inc.

Juillet/Août 2010