Préimprégnés en fibre de verre ignifuges et sur mesure | Weihai Dushi

Classification principale : division précise selon l'orientation des performances et les scénarios d'application

Le système de catégorisation des préimprégnés en fibre de verre est riche et diversifié, pouvant être divisé en quatre catégories principales selon le type de résine, l'agencement des fibres, les caractéristiques fonctionnelles et le type de fibre de verre. Chaque type de produit cible des scénarios d'application différenciés, avec un contrôle strict de la redondance inférieur à 50 %, permettant ainsi une adaptation précise aux besoins des différents secteurs industriels.

1. Division fonctionnelle par type de résine : thermodurcissable et thermoplastique

Le système de résine est l'élément central qui détermine les caractéristiques de moulage et le domaine d'application du préimprégné en fibre de verre, pouvant être divisé en deux catégories fondamentales. Les deux présentent des différences marquées au niveau du mécanisme de durcissement et de l'orientation des performances :

• Préimprégné en fibre de verre thermodurcissable : À base de résine époxy, de résine phénolique, de résine polyester, etc., il nécessite une réticulation et un durcissement irréversibles par chauffage et pression. Il représente actuellement la catégorie dominante sur le marché, représentant plus de 82 % en 2024. Parmi ceux-ci, les produits à base de résine époxy sont largement utilisés dans les composants structurels aérospatiaux, les boîtiers d'équipements électroniques haut de gamme et autres applications, en raison de leurs propriétés mécaniques équilibrées (la résistance à la traction peut dépasser 320 MPa) et de leur excellente adhérence ; les produits à base de résine phénolique présentent comme principal avantage une excellente résistance au feu, avec une faible densité de fumée et une faible toxicité lors de la combustion, ce qui en fait le choix privilégié pour la décoration intérieure des wagons de transport ferroviaire et les composants ignifugés des navires ; les produits à base de polyester/ester vinylique ont un coût inférieur et conviennent aux applications générales sensibles au coût, telles que les ponts marins et les réservoirs de stockage industriels. Les caractéristiques principales de ce type de préimprégné en verre sont une structure stable et une grande précision dimensionnelle après durcissement, mais le cycle de moulage est relativement long (généralement 30 à 90 minutes) et difficile à recycler.
• Préimprégné de fibre de verre thermoplastique : Composé de résines thermofusibles telles que le polyétheréthercétone (PEEK), le polypropylène (PP) et le polyamide (PA), il présente des propriétés réversibles de « ramollissement par chauffage et durcissement par refroidissement » et connaît une croissance rapide ces dernières années, avec une part de marché de 18 % en 2024. Son principal avantage réside dans son efficacité élevée de moulage, qui réduit le temps de cycle de plus de 60 % par rapport aux produits thermodurcissables. Le temps de moulage par lot peut être contrôlé entre 10 et 20 minutes, et le matériau peut être recyclé et réutilisé, répondant ainsi aux besoins de production à grande échelle de pièces automobiles pour véhicules électriques, de boîtiers d'appareils électroménagers et d'autres produits. Par exemple, les panneaux de porte automobile fabriqués en préimprégné de fibre de verre à base de PP présentent une réduction de poids de 40 % par rapport aux composants métalliques traditionnels, et peuvent réparer certains dommages par chauffage après une collision, améliorant ainsi leur durée de vie.

2. Disposition des fibres : Conception différenciée des performances mécaniques unidirectionnelles et tressées

L'agencement des fibres de verre détermine directement la directionnalité des propriétés mécaniques des préformes en fibre de verre, formant deux catégories principales pour différents scénarios de contrainte :

• Préimprégné en fibre de verre unidirectionnelle : Les fibres de verre sont disposées parallèlement dans une seule direction, avec une cohérence directionnelle supérieure à 99,5 %, ce qui confère au matériau des propriétés mécaniques optimales selon l'axe des fibres. Le module de traction peut atteindre plus de 28 GPa, tandis que les performances latérales sont relativement faibles. Ce type de produit est principalement utilisé pour des composants structurels capables de supporter des charges unidirectionnelles, comme les nervures de renfort d'aile d'avion, les poutres principales des pales d'éoliennes, les couches de renfort de pont, etc. Grâce à un design de stratification multidirectionnelle, des exigences de contraintes complexes peuvent être satisfaites. Sa masse surfacique varie de 80 g/m² à 450 g/m² et peut être choisie précisément en fonction de l'intensité de la charge. Par exemple, la poutre principale d'une pale d'éolienne de 10 MW utilise un préimprégné en fibre de verre unidirectionnel de 300 g/m², permettant ainsi une réduction de poids de 25 % tout en augmentant la rigidité de 30 %.
• Préimprégné en fibre de verre tissé : Les fibres de verre sont tissées et formées en armure toile, armure sergé, armure satin et autres méthodes, avec une distribution équilibrée multidirectionnelle des propriétés mécaniques ainsi qu'une meilleure drapabilité et résistance aux chocs. Les produits en armure toile possèdent une structure dense, une forte résistance à l'usure, et conviennent aux revêtements anti-corrosion de pipelines et aux carénages de protection pour équipements électroniques ; les produits en armure sergé offrent une excellente flexibilité et s'adaptent aux surfaces courbes complexes, utilisés pour les coques de bateaux et les carrosseries automobiles ; les produits en armure satin se distinguent par une haute résistance au choc, avec une résistance à la traction pouvant atteindre 280 MPa, adaptés aux pièces intérieures aérospatiales et aux équipements sportifs haut de gamme. Des produits aux méthodes de tissage variées peuvent être associés à des spécifications de faisceau de fibres allant de 1K à 24K, offrant un large éventail de choix allant des textures délicates aux structures robustes.

3. Catégories dérivées personnalisées pour scénarios spécifiques selon les caractéristiques fonctionnelles

Pour des environnements extrêmes ou des besoins spécifiques, Glass fiber prepreg a développé plusieurs sous-catégories fonctionnelles, devenant ainsi la clé d'extension des limites d'application :

• Préimprégné en fibre de verre résistant aux hautes températures : utilisant une résine époxy modifiée ou une résine polyimide, la température d'utilisation prolongée peut atteindre 150-350 °C, et le taux de rétention des propriétés mécaniques à haute température dépasse 85 %. Par exemple, les produits de la série BMS 8-139 d'Hexcel utilisent le système de résine HexPy® F161, avec une température de polymérisation de 350 °F, adaptés à des scénarios à haute température tels que les composants périphériques de moteurs d'avion et les composants structurels de fours industriels.
• Préimprégné en fibre de verre ignifuge : Ajouté avec un agent ignifuge sans halogène, phosphore et azote, les performances ignifuges peuvent atteindre le niveau UL94 V0. Certains produits ont obtenu des certifications aéronautiques telles que BMS 8-80, comme le produit TY6 CL1 GR A de Solvay, qui utilise la résine polyester Cycom® 4102 spécialement conçue pour des scénarios aux exigences extrêmement élevées en matière de sécurité incendie, tels que les intérieurs d'avions et les wagons de transport ferroviaire.
• Préimprégné en fibre de verre à résistance aux intempéries : la résine est enrichie avec des additifs anti-UV et antivieillissement, offrant une durée de vie supérieure à 15 ans en environnement extérieur et humide, et l'indice de densité de fumée (SDR) est inférieur à 20. Il convient aux panneaux publicitaires extérieurs, panneaux de protection de ponts, équipements d'énergie éolienne offshore et autres applications similaires.
• Préimprégné en fibre de verre pour isolation haute fréquence : optimise les propriétés diélectriques de la résine, avec une constante diélectrique ≤ 3,2 et une tangente de perte diélectrique ≤ 0,005, devenant ainsi le matériau principal pour les couvercles d'antenne des stations de base 5G et les couvercles de radar. Par exemple, l’Air Preg PE CF 6550 utilise une fibre de verre S-2, spécifiquement adaptée aux applications de couvercle de radar aéronautique.

4. Différenciation des performances de base selon le type de fibre de verre

Les propriétés matérielles de la fibre de verre elle-même fournissent des substrats de performance différents pour les préimprégnés en fibre de verre, qui se divisent principalement en trois catégories :

• Préimprégné à base de fibre de verre E : la catégorie de base la plus couramment utilisée, offrant une excellente isolation électrique et une stabilité chimique, un coût modéré, adaptée à la plupart des scénarios courants tels que les équipements électroniques et les réservoirs industriels, représentant plus de 75 % des ventes totales de préimprégnés en fibre de verre.
• Préimprégné à base de fibre de verre S-2 : Type à haute résistance, avec une résistance à la traction augmentée de plus de 30 % par rapport à la fibre de verre E, et une meilleure résistance aux chocs. Il est principalement utilisé dans les composants structurels aérospatiaux, les pales d'éoliennes haut de gamme et autres applications exigeant une grande résistance.
• Préimprégné à base de fibre de verre C : Ayant comme caractéristique principale une excellente résistance à la corrosion, il peut résister à l'érosion par des milieux acides et alcalins forts, et convient aux environnements fortement corrosifs tels que les canalisations chimiques et les composants structurels de plates-formes offshore.

Avantage principal : Six caractéristiques clés qui redéfinissent la valeur applicative des matériaux

La raison pour laquelle le préimprégné de fibre de verre se démarque parmi de nombreux matériaux composites et devient un « matériau incontournable » pour la fabrication haut de gamme réside dans ses avantages globaux en termes de propriétés mécaniques, d'adaptation aux procédés, d'adaptation environnementale et d'autres dimensions. Ces caractéristiques confèrent ensemble une position sur le marché qui lui est irremplaçable.

1. Propriétés mécaniques équilibrées et avantages liés à la légèreté

Le préimprégné en fibre de verre combine parfaitement les avantages de performance de la fibre de verre et de la résine, offrant un équilibre entre « haute résistance + légèreté ». La résistance à la traction du préimprégné à base de fibre de verre E ordinaire peut atteindre 280-350 MPa, soit 1,2 à 1,5 fois celle de l'acier ordinaire, tandis que sa densité est seulement de 1,8-2,0 g/cm³, inférieure au quart de celle de l'acier et aux deux tiers de celle de l'alliage d'aluminium. Dans le domaine du transport ferroviaire, les panneaux intérieurs et les structures de sièges fabriqués en préimprégné en fibre de verre permettent de réduire le poids d'une seule voiture de plus de 250 kg, économisant environ 42 000 kWh d'électricité par train et par an ; dans le domaine aérospatial, le capot radar de l'avion utilise un préimprégné à base de fibre de verre S-2, ce qui réduit le poids de 55 % par rapport aux capots métalliques traditionnels et améliore le taux de pénétration du signal de 15 %. En outre, son module de flexion peut atteindre 25-30 GPa, il ne se déforme pas facilement après une utilisation prolongée et convient à divers scénarios structurels porteurs.

2. Excellente adaptabilité environnementale et durabilité

Le préimprégné en fibre de verre offre une résistance environnementale largement supérieure à celle des matériaux traditionnels, ce qui en fait un choix fiable pour des conditions de travail complexes. En termes de résistance à la corrosion, après avoir trempé du préimprégné à base de fibre de verre C dans une solution d'acide sulfurique à 5 % pendant 1000 heures, le taux de dégradation des performances mécaniques est inférieur à 5 %, bien meilleur que le taux de dégradation de 40 % de la tôle d'acier galvanisé, ce qui le rend adapté aux environnements fortement corrosifs tels que les industries marines et chimiques ; en termes de résistance aux intempéries, les produits contenant des additifs anti-UV conservent plus de 90 % de leur couleur après 5 ans d'exposition en extérieur, sans fissuration ni poudroiement ; en termes de résistance à la fatigue, sous cycles de charge dynamique (comme les cahots de voiture ou la rotation des pales d'éolienne), le taux de rétention de la résistance à la fatigue atteint plus de 88 %, soit 10 points de pourcentage de plus que la moyenne industrielle. L'utilisation de préimprégné en fibre de verre pour les pales d'éoliennes permet d'étendre la durée de vie à plus de 20 ans.

3. Capacité de personnalisation hautement flexible

Le préimprégné en fibre de verre permet une personnalisation complète des paramètres dimensionnels, s'adaptant précisément aux besoins spécifiques de différents secteurs industriels. Le système de résine peut être ajusté selon l'application, par exemple une résine phénolique résistante aux hautes températures pour l'aéronautique ou une résine époxy à durcissement rapide pour l'automobile ; la précision du contrôle de la teneur en résine atteint ± 0,5 %, garantissant une cohérence constante des performances du produit ; la largeur peut être personnalisée de 0,5 m à 2,0 m, et les coques de grands navires peuvent utiliser des produits de 2,0 m de large, réduisant ainsi le nombre de joints de plus de 50 % ; les caractéristiques fonctionnelles peuvent être combinées et superposées, telles que des fonctions composites comme « ignifuge + antistatique » ou « résistance aux hautes températures + résistance à la corrosion ». Par exemple, le préimprégné en fibre de verre utilisé dans les composants de caisse de trains de transport ferroviaire répond non seulement aux exigences d'ignifugation UL94 V0, mais possède également une performance antistatique avec une résistance de surface ≤ 10 Ω.

4. Excellente adaptation du processus et efficacité de moulage

La préforme en fibre de verre est compatible avec les procédés courants de mise en forme des matériaux composites tels que les autoclaves à pression chaude, le moulage par compression, le sac sous vide et l'enroulement filamentaire, et convient à divers besoins allant de la personnalisation unitaire à la production de masse. Le procédé de moulage par compression convient aux composants standardisés (comme les cadres de sièges automobiles), et le temps de production en mode unique peut être contrôlé entre 15 et 30 minutes, avec une précision dimensionnelle d'erreur ≤ ± 0,2 mm. Le moulage en autoclave à pression chaude convient aux composants haut de gamme aérospatiaux ; grâce à un contrôle de pression de 0,8 à 1,2 MPa et un contrôle thermique de 120 à 180 °C, le taux de défauts internes du produit est inférieur à 0,3 %. La formation spirale convient aux composants cylindriques tels que les conduites et les réservoirs sous pression. L'agencement directionnel des fibres de verre permet d'atteindre un rapport de résistance axial/circonférentiel de 3:1, répondant ainsi aux exigences du transport haute pression. En outre, son état semi-cuit facilite la découpe et la pose, avec un taux de rebut de seulement 4 % à 6 %, bien inférieur aux 15 % à 20 % du formage humide traditionnel, réduisant considérablement le gaspillage de matière.

5. Avantages en matière de rentabilité tout au long du cycle de vie complet

Bien que le coût initial d'approvisionnement du préimprégné en fibre de verre soit supérieur à celui des matériaux traditionnels, son avantage en termes de coût sur tout le cycle de vie est significatif. Dans le domaine des équipements industriels, sa résistance à la corrosion peut prolonger le cycle de maintenance des équipements de 6 mois à 24 mois, réduisant ainsi les coûts de maintenance de 60 % ; dans le secteur des énergies nouvelles, l'utilisation du préimprégné en fibre de verre pour les pales d'éoliennes permet d'augmenter l'efficacité de production d'électricité de 5 % à 8 %, et une seule éolienne de 10 MW peut produire annuellement 1,2 million de kWh supplémentaires ; dans le domaine de la construction navale, l'utilisation du préimprégné en fibre de verre réduit le nombre d'étapes de peinture de 3 par rapport aux coques en acier, raccourcit le délai de construction de 30 % et diminue la consommation de carburant en navigation de 15 %. La recyclabilité des produits thermoplastiques réduit davantage les coûts de matières premières, avec un taux de rétention des performances supérieur à 70 % pour les matériaux recyclés, qui peuvent être utilisés pour fabriquer des composants structurels secondaires.

6. Caractéristiques d'application en matière de sécurité et de protection de l'environnement

Le préimprégné en fibre de verre présente une bonne innocuité environnementale tant au niveau de sa production que de son utilisation. Le procédé de trempage préalable est utilisé lors de la phase de production afin d'éviter la pollution par les COV provoquée par la volatilisation de la résine durant le moulage humide, réduisant ainsi les émissions de substances nocives de plus de 80 % ; pendant la phase d'utilisation, les produits ignifuges ne dégagent pas de gaz toxiques en cas de combustion et sont conformes aux normes environnementales européennes telles que l'EN45545 ; lors du recyclage, les produits thermoplastiques peuvent être recyclés par fusion et remodelage, tandis que les produits thermodurcissables peuvent être broyés et réutilisés comme charges, s'inscrivant ainsi dans la tendance de fabrication verte visée par l'objectif « double carbone ». Dans le domaine des appareils électroniques, son excellente isolation électrique permet également de réduire le rayonnement électromagnétique et d'améliorer la sécurité d'utilisation.

Argument de vente lié au procédé : Contrôle précis et valorisation des matières premières aux produits finis.

L'excellence du préimprégné en fibre de verre réside dans son processus de production précis et dans le contrôle qualité intégral tout au long du processus. Son système de fabrication garantit non seulement la cohérence du produit, mais atteint également un équilibre optimisé entre performance et coût, devenant ainsi le pilier central de la compétitivité du produit.

• 1. Processus de production principal : Double garantie par le procédé à fusion chaude et par imprégnation en solution. L'industrie dominante utilise deux procédés d'imprégnation principaux, pouvant être sélectionnés de manière flexible selon le positionnement du produit et les exigences de qualité, afin d'assurer la stabilité des performances du préimprégné en fibre de verre.
• 2. Procédé à fusion chaude : Chauffer la résine à 80-120 ℃ pour réduire la viscosité, appliquer uniformément la résine sur la surface de la fibre de verre à l'aide d'un rouleau chauffant de précision, puis refroidir rapidement à température ambiante par un rouleau de refroidissement afin d'achever le précurage et le façonnage. L'avantage principal de ce procédé réside en l'absence de résidus de solvant, le contrôle précis de la teneur en résine jusqu'à ± 0,5 %, ainsi qu'une grande régularité dans la disposition des fibres, ce qui le rend particulièrement adapté à la production de préimprégnés en fibre de verre haut de gamme destinés aux applications aérospatiales. Toutes les séries de produits HexPy de la société Hexcel Corporation ® utilisent ce procédé, qui contrôle par ordinateur la pression (0,8-1,2 MPa) et la vitesse (5-10 m/min) du rouleau chauffant, garantissant une erreur de distribution de résine inférieure à 0,3 % par mètre carré.
• 3. Procédé d'imprégnation par solution : La résine est dissoute dans des solvants organiques tels que l'acétone et l'éthanol pour former une solution de faible viscosité. Après que la fibre de verre ait complètement adsorbé la résine dans la cuve d'imprégnation, le solvant est évaporé grâce à un canal de séchage à air chaud en plusieurs étapes (gradient de température 50-120 ℃), et un état partiellement durci est finalement obtenu. Ce procédé présente un coût d'investissement faible et une haute efficacité de production (avec une vitesse de ligne pouvant atteindre 15-20 m/min), ce qui le rend adapté à la production à grande échelle de préformes en fibre de verre à usage général. Pour résoudre le problème des résidus de solvant, l'industrie a largement adopté une technologie d'élimination assistée par vide, qui réduit la teneur en solvant résiduel à moins de 0,1 % et évite les défauts de bulles et de délaminage après la solidification du produit.
• 4. Points clés de contrôle du processus : Les cinq processus fondamentaux qui déterminent les performances, comme la stabilité de qualité du préforme en fibre de verre, découlent d'un contrôle précis de l'ensemble du processus de production. Parmi eux, les cinq procédés clés déterminent directement les performances finales du produit :
• 5. Traitement de surface de la fibre de verre : L'activité de surface de la fibre est augmentée par un traitement d'oxydation, puis recouverte d'un agent de couplage silane afin de renforcer la résistance d'adhérence entre la fibre de verre et la résine. Après ce traitement, la résistance au délaminage augmente de plus de 40 %, résolvant efficacement le problème de délaminage auquel sont sujets les produits traditionnels. Après ce traitement, la résistance aux chocs du préimprégné à base de fibre de verre S-2 peut être améliorée de 35 %.
• 6. Modulation précise de la formule de résine : Selon les exigences fonctionnelles du produit, la résine, l'agent de durcissement, les additifs et autres composants sont dosés avec précision. Par exemple, les produits ignifuges nécessitent l'ajout de 15 % à 20 % de retardateurs de flamme au phosphore et azote, ainsi que 0,5 % d'agents anti-goutte ; pour les produits résistants aux hautes températures, le rapport molaire entre la résine époxy et l'agent de durcissement doit être ajusté à 1:1,05 afin d'assurer une densité de réticulation adéquate. La formule est préparée à l'aide d'un système de mélange entièrement automatique, avec une erreur contrôlée à ± 0,1 %.
• 7. Contrôle dynamique des paramètres d'imprégnation : Ajustement en temps réel de la vitesse d'impregnation, de la température et de la pression en fonction des spécifications des faisceaux de fibres de verre et de la viscosité de la résine. Par exemple, la vitesse d'impregnation des produits en faisceau de filaments 1K est contrôlée à 8-10 m/min, et la pression est réduite à 0,6 MPa pour éviter la rupture des fibres ; pour les produits en faisceau de fibres grosses 12K, elle peut être augmentée jusqu'à 15 m/min, et la pression portée à 1,0 MPa afin d'assurer une imprégnation suffisante en résine.
• 8. Contrôle précis du pré-cuisson (B-stage) : En ajustant la température et la durée de séchage, le degré de polymérisation de la résine est maintenu à un état partiellement polymérisé de 30 % à 40 %, garantissant que le produit conserve une certaine viscosité pour faciliter l'empilement et éviter une polymérisation complète prématurée. Surveillance en temps réel du degré de polymérisation par analyse calorimétrique différentielle (DSC), avec une erreur inférieure à 2 %.
• 9. Inspection rigoureuse de la qualité des produits finis : Chaque lot de produits doit subir plusieurs tests, notamment la teneur en résine (précision ± 0,1 %), la densité surfacique des fibres (± 2 g/㎡), la résistance à la traction, les performances ignifuges, etc. Le système de vision par ordinateur permet de détecter l'uniformité de l'arrangement des fibres, avec un taux de détection des défauts de 99,9 %, garantissant ainsi que les produits non conformes ne pénètrent pas sur le marché.
• 10. Tendance de l'innovation de processus : Trois grandes directions pour promouvoir la mise à niveau des catégories. L'industrie continue d'améliorer les performances et le rapport qualité-prix des préimprégnés en fibre de verre grâce à l'innovation de processus, et les trois grandes orientations d'innovation guident le développement des catégories :
• 11. Mise à niveau de la ligne de production automatisée : Introduire des robots industriels et des systèmes de contrôle par intelligence artificielle afin d'automatiser entièrement le processus, de l'écroulement de la fibre de verre jusqu'à l'imprégnation, au durcissement et au bobinage, augmentant ainsi l'efficacité de production de plus de 50 % et réduisant l'erreur de consistance du produit à ± 0,3 %. Par exemple, une ligne de production automatisée d'une entreprise leader peut atteindre une production journalière de 5000 mètres carrés par ligne, soit trois fois plus que les lignes de production manuelles traditionnelles.
• 12. Percée dans la technologie de stratification multi-axiale : Développement d'une ligne de production de préimprégnés en fibre de verre multi-axiale capable d'assurer simultanément l'imprégnation synchrone des fibres dans plusieurs directions telles que 0 °, 90 °, ± 45 °, réduisant ainsi les opérations ultérieures de stratification et augmentant l'efficacité de production de 40 %. Cette technologie est particulièrement adaptée à la fabrication de grands composants tels que les pales d'éoliennes et les coques de bateaux.
• 13. Recherche et application de procédés verts : Promouvoir un procédé d'imprégnation sans solvant et l'application de résines biosourcées (telles que les résines époxy à base végétale) afin de réduire la dépendance aux matières premières pétrolières. Parallèlement, développer une technologie de recyclage chimique pour les produits thermodurcissables afin d'augmenter le taux de recyclage à plus de 60 %, s'inscrivant ainsi dans la tendance de la fabrication verte et de l'économie circulaire.