Brevet FR2124108A1 — publié le 19720922

La présente invention concerne particuliere- ment un matériau amortisseur qui est capable d'absorber une énergie dans un grand intervalle de températures0 L'absorption d'une énergie sous la forme de vibrations, de chocs et de sons a soulevé un intérêt considérable depuis des siècles Aucune des tentatives de la technique antérieure nia donné entièrement satisfaction pour toutes les applications0 Elles ont été généralement orientées vers l'absorption des vibrations, y compris du son, dans divers milieux, tels que le caoutchouc, la fibre de verre, le plomb, etcO La présente invention a dbnc pour objet l'ob- tention d'un produit amortissant les vibrations qui possède des propriétés uniques, telles qu'une résistance mécanique et une aptitude à la mise en forme satisfaisantes, une absence relative de fluage à froid, une résilience relativement éle- vée et des caractéristiques très élevées d'amortissement des vibrations. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. La présente invention couvre donc le produit et les compositions dont les caractéristiques, les propriétés et la relation des éléments constitutifs sont données en exemple dans la description détaillée ci-après et dont le domaine d'application apparattra dans les revendications0 On comprendra mieux la nature et les buts de la présente invention à la lecture de la description détaillée qui va suivre et qu'on a faite en se référant au dessin annexé sur lequel la figure 1 est un graphique montrant les ca- ractéristiques de rebondissement (en ordonnée) comme xne fonc- tion de la température (en a'hscisse) t dans un certain mélange chlorure de polyvinyle-plastifiant s la figure 2 est un graphique similaire à la fi liure 1 montrant l'effet du rebondissement (en ordonnée) à diverses températures (en abscisse), lorsqu'une charge est ajoutée à un mélange de chlorure de polyvinyle et de plastifiant les figures 3 et 4 sont des graphiques montrant les caractéristiques de rebondissement des couches individuel les nentionnées dans le tableau apparaissant dans la suite de l'exposés ainsi que les caractéristiques de rebondissement des produits composites formés par de telles couches0 Selon la présente invention, on obtient les pro priétés qui précèdent en formant un matériau amortisseur compos site unique qui comprend plusieurs couches faites de différen- tes compositions plastiques ayant un effet amortisseur0 Chacune des couches comprend de préférence un matériau polymérisé et plusieurs de ces couches possèdent des minimums de rebondisse ment dans des intervalles de températures différents et étroits, le matériau composite ayant un minimum de rebondissement qui couvre un intervalle sensiblement plus étendu que n importe la quelle des couches individuelles0 Dans un mode de réalisation préféré, on utilise au moins trois couches, dont l'une possède un minimum de rebon dissement sensiblement au-dessous de la température ambiante, tandis qu'une autre de ces couches possède un minimum de rebon dissement au voisinage de la température ambiante et qu'une troisième couche possède un minimum de rebondissement sensible ment au-dessus de la température ambiante Du fait de cette com binaison de couches, le produit composite possède un très grand intervalle de températures de rebondissement minimum0 La demanderesse a constaté que lorsqu'on forme un stratifié en combinant des couches de matériaux amortisseurs qui possèdent toutes des températures de rebondissement difféi rentes, le produit stratifié présente des propriétés de rebon dissement faible dans un intervalle de températures plus éten du que n'importe laquelle des couches individuelles0 Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les couches indi viduelles sont faites d'une matière polymérisée à laquelle on a ajouté un extendeur ou plastifiant liquides0 Bien que le mé canisme théorique exact sur lequel est basée la présente in vention n'ait pas été expliqué de façon concluante, on -suppose que la matière polymérisée donne une structure en squelette (qu'on suppose tridimensionnelle dans la plupart des cas) con- tenant l'extendeur liquide.Lorsque le matériau est soumis à une compression, le liquide s'écoule dans la structure en squelette en dissipant l'énergie sous forme de chaleur Si le liquide est trop fluide, il s'écoule trop rapidement et n'ab sorbe pas une quantité notable d'énergie, et l'énergie est transmise par l'intermédiaire de la structure polymérisée en squelette.Si le liquide est trop visqueux et s'écoule trop lentement, il transmet lui-ndme cette énergie directement Bien entendu, on comprendra qu'un liquide nsest pas requis dans tous les cas car des portions du réseau de polymère peuvent elles-m & es se comporter de façon similaire, Ceci est particu liement vrai avec des polymères comportant des chaînes latérales qui peuvent, à des températures plus élevées, entraener des pertes par frottement élevées lorsque les channes latérales se déplacent au sein de la structure de polymère En résumé, on peut parler d'une zone d'absorp- tion d'énergie connue sous le nom de visco-élasticité ou de dissipation d'énergie mécanique sous forme de chaleur en raison des forces de frottement s'exerçant au sein de la composition0 Ces pertes par frottement peuvent entre divisées en deux catégories , à savoir un amortissement interne et un amortissement externe. Le terme amortissement "interne" sert à décrire les pertes dues à un frottement provoqué par une portion non struc- turale du réseau de polymère, c'est-à-dire une chaîne latérale, tandis que le terme "amortissement externe" est réservé aux pertes par frottement provoquées par le mouvement d'un liquide secondaire (extendeur) ne faisant pas partie de la chaSne de polymère.Bien entendu, ces définitions sont fortement simplifiées car, dans certaines conditions, les chaînes latérales ou l'extendeur peuvent se comporter comme des membres du réseau structural du polymère. Néanmoins, la description d'un liquide circulant à travers un réseau de polymère se comportant à la manicre d'un réseau tridimensionnel permet d'expliquer le phénomène qui se manifeste. flans des formes préférées de I'invention, on utilise un polymère époxy durci, une résine de chlorure de polyvinyle ou des combinaisons d'une résine époxy durcie et de chlorure de polyvinyle comme réseau de polymère Toutefois, on comprendra que de nombreux autres systèmes sont appropriés et que des matériaux tels-que les uréthanes, les silicones et divers caoutchoucs naturels ou synthétiques peuvent constituer des réseaux de polymères acceptables.Les matériaux constituant les couches selon la présente invention ne sont en aucune manière limites aux polymères préférés décrits spécifiquement dans la présente invention, et il est bien entendu qu'ils ne constituent quXeXdss.illustrations du mode de préparatlon-de couches de ce genre La matrice polymérisée doit être de préférence assez durcie pour ne pas subir facilement de fluage à froid, mais elle ne doit pas être assez dure pour avoir une dureté Shore A, à la température ambiante, supérieure à 90, quand elle ne contient pas de charge, par exemple quand elle ne contient pas d'additif inerte solide, comme de l'alumine en pou- dre, etc. On peut préparer les couches d'amortissement individuelles en choisissant un réseau de polymère (un réseau tri-dimensionnel étant préféré) et en ajoutant un liquide compatible, tel qu'un plastifiant, ayant la viscosité ou la mobilité appropriées à la température à laquelle on désire obtenir un rebondissement faible. Sur la figure 1, on a porté une courbe qui permettra de choisir des matériaux amortisseurs d'après leurs caractéristiques de rebondissement, déterminées par l'essai décrit ci-dessous. L'essai de rebondissement est appelé par la suite "Essai de rebondissement normal" et consiste à faire tomber une bille en acier de 12,7 mm d'épaisseur (pesant 10,7P g) sur un échantillon de 12,7 mm d'épaisseur, d'une hauteur de 1,77 m, et à mesurer le "Rebondissement normal" résultant en centimètres.La température à laquelle le rebondissement est minimum est appelée la "Température de rebondissement minimum"0 Pour présenter une utilité dans la présente in- vention, chaque couche d'amortissement distincte doit posséder un rebondissement normal inférieur à environ 50,8 mm, à sa tem pératurè de rebondissement minimum. Comme on peut le voir sur la figure 1, il existe quatre portions fondamentales du spectre de rebondissement, à savoir la région de transition vitreuse A, la région de faible rebondissement B, la région caoutchoutique C et la région a' d'écoulement visqueux D.Un rebondissement fai- ble se manifeste dans la région d'écoulement visqueux mais, dans ladite région, la dureté Shore A du matériau est très faible (inférieure à 203, la résistance mécanique est peu élevée et le matériau ne peut pas être considéré comme un matériau de construction. En général, la température de rebondissement minimum d'un mélange de chlorure de polyvinyle et de plastifiant varie comme une fonction linéaire du pourcentage en poids de plasti- fiant, cette température étant d'autant plus faible que la teneur en plastifiant est plus élevée. Généralement, la température de rebondissement minimum est déterminée par la mobilité de lQextendeur (plastifiant) à ladite température. -Dans des essais exécutés avec vingt-quatre plastifiants différents, mélangés en portions éga- les avec du chlorure de polyvinyle, le plus grand nombre d'entre eux avaient une viscosité comprise entre 50 et 150 centipoises aux températures de rebondissement minimum. Avec les systèmes de résine époxy fortement chargés en extendeur (par exemple contenant plus de 50 % d'extendeur), la température de rebondissement minimum est approximativement proportionnelle à la racine carrée de la viscosité de l'extendeur à la température de rebondissement minimum. Ces relations de viscosité ne sont aucunement des règles strictes, mais permettent avoir une idée des relations de travail. Le procédé préféré permettant de choisir des compositions à rebondissement faible consiste à mesurer les ca- ractéristiqùes de rebondissement faible, des matériaux inté- ressés. Ensuite, pour préparer un produit stratifié absorbant l'énergie, il suffit uniquement de choisir des compositions ayant un rebondissement faible dans l'intervalle de températures désiré et de placer les couches les unes sur les autres. Une charge, telle qu'une poudre fine dDalumi- nium, peut être utilisée pour réduire le rebondissement aux températures supérieures à la température de rebondissement minimum (figure 2). Une charge de ce genre peut également ebtre utilisée pour modifier la dureté Shore A de chacune des cou- ches du stratifié, de manière que chaque couche à rebondissement faible soit plus molle à sa température de rebondissement minimum particulière. Ceci augmente le cisaillement subi par cette couche particulière et peut renforcer 17 efficacité du système.Quand un matériau composite est formé de plusieurs couches differentes possédant des températures de rebondissea ment minimum différentes, le rebondissement normal du matériau composite n'est pas tout à fait aussi bas que le rebondissement minimum de la couche ayant un rebondissement minimum à la tem pérature à laquelle l'essai de rebondissement normal est effectué. Toutefois, le rebondissement normal sera inférieur au rebondissement moyen de toutes les couches à la température à laquelle le rebondissement est mesuré.De ce fait, une couche possédant un rebondissement d'environ 5,08 cm à sa température de rebondissement minimum de -100C permet d'obtenir un rebondissement normal du produit qui est composite inférieur à 15,24 cm, même si la couche est combinée avec plusieurs autres couches ayant un rebondissement normal de l'ordre de 25,4 cm ou plus, à -10 C. Cette propriété unique de la structure composite sera mieux comprise à la lecture de l'exemple qui va suivre. Exeiap le On prépare plusieurs compositions pour stratifiés dans lesquelles les parties en poids des divers ingré- dients sont mentionnées dans le tableau ci-après. Les maté- riaux portant une marque de fabrique sont décrits par le fabricant comme suit Plastolein 9058 DOZ : di-z-éthylhexyl azélate fabriqué par Emery Industries, qui est un plastifiant ayant une viscosité de 10 centipoises à 38 C. Admex 522 : plastifiant primaire du type d'un polyester à viscosité faible, vendu par A.fl.N. Chemicals Company. Santicizer 141 : 2-éthylhexyl diphényl phosphate, plastifiant non toxique, fabriqué par Monsanto Company. Emergy 3461 fi : polyester à haut poids moléculaire, qui est un plastifiant fabriqué par Emery Industries ayant une viscosité de 57.000 centipoises à 38 C. Opalon 440 chlorure de polyvinyle de la qualité pour plastisols, fabriqué par Monsanto et recommandé pour les plastisols. Advastab X-150 composé organique de l'étain, qui est un stabilisant fabriqué par Advance DivO-Carlisle Chemical Works, Inc. Nobilsol 66 : hydrocarbure aromatique or panique inertc, a haut point d'çbullition, comportant des channes latérales alkylées plus importantes que les channes méthylées, ayant un point d'ébullition initial supérieur à 316 C et ayant une densité supérieure à 1,5 à 160C, ce produit étant vendu par Nobil Oil Company. E-252 Alumina flust : Poudre procurée par Norton Company ayant plusieurs grosseurs de particules, inférieures à environ 0,044 mm. Z-6020 Silane : triméthoxysilylpropyléthylène- diamine fournie par Dow Corning Corporation La dureté Shore A apparaissant dans le tableau a été relevée instantanément ainsi qu'après 10 secondes en ut-i- lisant une charge à poids constant de 50 grammes, TABLEAU Compositions des stratifiés Constituants L M N O Z Plastolein 9058 DOZ 60 Admex 522 100 Emergy 3461 D 60 Santicizer 141 100 Opalon 440 100 150 200 85 85 Advastab T-150 C,8 04 2,5 0,6 0,6 flobilsol 66 100 100 100 E-252 Alumina Dust 700 185,6 Z-6020 Silane 0,45 Dureté Shore A Instantanée/10 secondes 39/39 75/70 85/80 61/59 34/33 Sur la figure 3, on a tracé plusieurs courbes montrant les caractáristiques de rebondissement des couches individuelles faites des compositions L, N, O et Z du tableau et de diverses combinaisons de telles couches. On peut facilement voir sur la figure 3 que l'intervalle de températures dans lequel la structure a un rebondissement inférieur à 69 par exemple, est beaucoup plus étendu pour n'importe quelle combinaison de dieux couches ou plus. Ces courbes montrent également que le rebondissement réel de la structure composite, à une température donne, est inférieur au rebondissement moyen de toutes les couches à une telle température.Comme on peut le voir, toutes les structures composites possèdent un rebondissement normal inférieur à 15,24 cm dans un intervalle de températures d'au moins 300C et certains des rebondissements normaux sont inférieurs à 15,24 cm dans un intervalle de températures voisin de 600C. La figure 4 montre les caractéristiques de rebondissement de certaines compositions 0, M et N du tableau Ces compositions montrent des caractéristiques similaires à celles des stratifiés de la figure 3, et elles permettent de voir l'intervalle de températures étendu qu on peut obtenir avec un rebondissement normal inférieur à 15,24 cmO Le poly stratifié de la figure 4 a été préparé à partir de plusieurs couches de 0,40 mm altcrnant dans l'ordre 0, E et N Jusqu'à une épaisseur approximative de 12,7 mm. Pendant l'essai, la couche 0 constitue la couche supérieure et la couche N la couche inférieure.En général, avec ces couches minces, on ne constate pas de différence dans les résultats des essais quand N est la couche supérieure. I1 peut se produire, dans certains cas, une certaine différencie dans le rebondissement normal à une température donne, selon celle des couches qui est heurtée par la bille en acier utilisée dans l'essai Ainsi, si la couche superficielle supérieure possède un rebondissement relativement élevé à la température de l'essai, la structure composite peut avoir un rebondissement un peu plus élevé que si l'ordre des couches était inversé et que Si une couche possédant un rebondissement minimum à la température d'essai était heurtée par la bille en acier0 Toutefois, quand la charge est distribuée uniformément sur la structure composite, comme par exemple lorsque le produit est utilisé comme un support anti-choc, un amortisseur de vibrations,etc.,, l'importance relative de l'ordre des couches n'est absolument pas aussi grande De façon similaire, l'épaisseur des couches peut avoir un effet considérable sur l'essai de rebondissement normal, en particulicr quand la couche supérieure possède un rebondissement relativement élevé à la température d'essai. Toutefois, dans le cas d'un charge distribuée, lgépaisseur re- lative des couches n'est pas particulièrement déterminante I1 cst bien entendu qu'on peut apporter diverses modifications à/description qui précède étant donné que celle-ci n'a été donnée qu'à titre indicatif et non limitatif de la portée de l'invention0 P E V E N D I C A 1 I O N S 1. Structure d'amortissement, caractérisée par le fait qu'clle est formée d'au moins trots couches de polymère de chlorure de vinyle qui sont superposées, la quantité et le type de plastifiant dans chacune de ces couches étant choisis de manière que l'une d'entre elles possède une température de rebondissement minimum au-dessous de la température ambiante, tandis qu'une autre de ces couches possède une température de rebondissement minimum au voisinage de la température ambiante et qu'une troisième de ces couches possède une température de rebondissement minimum au-dessus de la température ambiante, la totalité desdites couches ou quclques-unes d'entre elles ayant un rebondissement normal à leur température de rebondis sement minimum qui est inférieur à environ 5,08 cm9 la struc ture composite ayant un rebondissement normal inférieur à en viron 15,24 cm dans un intervalle de températures d'au moins 3COC et la structure possédant un rebondissement normal réei à une température donnée, qui est inférieur au rebondissement normal moyen de toutes les couches précitées à ladite tempe rature. 2. Structure selon la revendication 1, carac tçrisée par le fait que quelques-uns des plastifiants préci- tés, incorporés dans lesdites couches, sont pris dans le groupe comprenant des esters aromatiques et des hydrocarbures aro- mastiques.