Brevet FR2113860A1 — publié le 19720630

La présente invention concerne tin procédé de revêtement par électrophorèse et une composition d'un "bain destinée à être utilisée dans un procédé d'électrophorèse. L'électrophorèse est tin procédé dans lequel une pellicule 5 de revêtement est appliquée à toutes les surfaces d'un objet par passage d'un courant électrique entre l'objet et une autre électrode tandis qu'elle est immergée dans un bain liquide contenant la composition de revêtement. Le bain normalement liquide est une solution ou \ine suspension aqueuse des ingrédients de la pelli-10 cule de revêtement bien que dans certains cas des suspensions liquides non aqueuses puissent être utilisées. L'électrophorèse est à l'heure actuelle une façon courante d'appliquer des peintures à des objets métalliques comme par exemple des carrosseries d'automobiles. Habituellement l'objet à revêtir constitue l'ano-15 de et le bain lui-même est la cathode, du courant continu passant entre l'anode et la cathode. Dans les procédés de revêtement par électrophorèse, les objets à revêtir sont immergés dans la dispersion de la composition de revêtement, revêtus par passage du courant électrique et éli-20 minés du bain. Le revêtement en excès qui est accroché à l'objet comme résultat de l'opération de trempage est éliminé et ensuite les objets revêtus sont chauffés pour fixer le revêtement d'une façon permanente à l'objet. Le revêtement se compose habituellement d'une résine d'enrobage polymérisable à la chaleur qui est 25 polymérisée en une pellicule permanente par cuisson après son application à l'objet. Un procédé de revêtement par électrophorèse peut être facilement conçu pour une opération continue, par exemple en amenant les objets à revêtir en continu à travers le bain et dans une étuve. 30 Bien que le procédé de revêtement par électrophorèse four nisse de nombreuses caractéristiques désirables comparativement aux autres procédés d'enrobage et de peinture, notamment en ce qui concerne la facilité d'effectuer des opérations continues et d'avoir une utilisation très efficace des compositions de revêtement, 35 il existe néanmoins dos problèmes. Un des problèmes auxquels l'invention doit remédier réside en ce que le revêtement poly-mérisé final de l'objet tend à avoir une épaisseur non uniforme. En particulier les bords vifs et les coins de l'objet tendent à présenter un revêtement final plus mince que le reste de la 71 39729 2 2113860 surface de l'objet. Le moyen normal pour accroître l'épaisseur du revêtement sur l'objet lors du revêtement par électrophorèse consiste à augmenter la quantité de courant qui passe entre les électrodes. 5 Cependant, on a trouvé de cette façon que l'on n'obtient pas un revêtement final de résine plus épais sur les bords vifs et les coins de l'objet mais plutôt une augmentation de l'épaisseur de revêtement de la résine sur les autres parties de la surface. Le fait de prévoir un revêtement final d'une épaisseur convenable 10 sur toutes les surfaces d'un objet est particulièrement important quand le revêtement est destiné à fournir un isolement électrique de l'objet. On pourrait normalement envisager que l'épaisseur du revêtement sur les bords vifs et les coins d'un objet revêtu par un 15 procédé d'électrophorèse soit en fait plus important que le revêtement sur les surfaces uniformes. La composition de revêtement se dépose d'une façon préférentielle sur les parties de la surface des électrodes de l'objet ayant la plus grande densité de charges électriques, c'est-à-dire les bords vifs et les coins. 20 On a trouvé que la base du problème d'un recouvrement con venable des bords et des coins ne réside pas dans le procédé de revêtement par électrophorèse mais dans le comportement subséquent du revêtement avant sa polymérisation finale. Un revêtement approprié sur les bords vifs et les coins est apparemment obtenu 25 dans le bain mais la pellicule tend à migrer à partir de ses bords et de ses coins entre le moment où l'objet revêtu est retiré du bain et le moment où il est finalement polymérisé. Cette migration peut être associée avec l'élimination de l'eau à partir de la pellicule de revêtement ou peut-être avec une certaine opé-30 ration de chauffage de la pellicule de revêtement ou même avec une certaine opération de polymérisation de la résine. On a trouvé que ce problème peut être résolu ou tout au moins considérablement réduit en prévoyant un système de résine qui est polymérisable sans que la résine passe par l'intermédiaire d'un état 35 fortement fluide. Pour obtenir ce résultat on utilise de petites quantités de résine compatible polymérisant rapidement à une basse température en liaison avec la résine qui est destinée à former le revêtement. La résine qui est ajoutée polymérisé avant la polymérisation de la résine de revêtement suffisamment rapidement 71 39729 3 2113860 pour empêcher la migration de la pellicule de résine à partir des coins et des "bords pendant la période critique après le revêtement du substrat et avant la polymérisation finale de la résine de revêtement. La résine ajoutée semble polymériser rapide-5 ment pendant cette période et fournit un "réseau chimique" rigide empêchant l'écoulement de la résine thermodurcissable non po-lymérisée avant sa propre polymérisation. La résine ajoutée peut polymériser à la température ambiante ou à une température inférieure à celle à laquelle la résine de revêtement polymérisé. 10 Les résines pouvant polymériser à basse température, qui sont utilisées dans l'invention sont celles qui ont une bonne compatibilité avec la résine de revêtement utilisée. Quand la résine de revêtement est une résine ester époxy ou une résine buta-diène styrène, la résine polymérisant à basse température est 15 avantageusement line résine phénol-formaldéhyde soluble dans l'eau. La résine polymérisant à basse température est utilisée avantageusement suivant des quantités d'environ 0,1 à environ 10 parties pour 100 parties de résine de revêtement et notamment suivant une quantité de l'ordre de 1 à environ 5 parties pour 100 20 parties de résine de revêtement, toutes les parties étant exprimées en poids. Une application particulièrement utile du procédé de l'invention réside dans le revêtement par électrophorèse d'une bande d'aluminium pour obtenir un revêtement isolant de l'électricité 25 d'une résine ester époxy sur cette bande d'aluminium afin de la rendre appropriée pour être utilisée dans de grands enroulements de transformateur. Cette application de l'invention sera décrite de façon plus détaillée ci-après. Suivant un mode de réalisation préférée de l'invention une bande d'aluminium traverse en conti-30 nu une composition du bain contenant une résine de revêtement et une résine polymérisant à basse température comme décrit ci-dessus. La bande est revêtuedans le bain d'un revêtement de résine ester époxy approprié pour fournir l'isolement de la bande d'aluminium et la bande est ensuite amenée en continu à travers 35 une étuve dans laquelle le revêtement est cuit et polymérisé. Au moyen de ce procédé, des bandes d'aluminium peuvent être revêtues en continu avec un revêtement isolant de l'électricité qui est d'une résistance diélectrique suffisamment élevée sur toute la surface de la bande pour permettre l'utilisation de la bande 71 39729 4- 2113860 dans des enroulements de transformateur. Les résines ester époxy sont choisies pour être utilisées dans cette application sur la "base de leur propriété désirable chimique et électrique pour fournir un revêtement isolant de 5 l'électricité durable, flexible, inerte, résistant à la chaleur sur l'aluminium. La résine ester époxy choisie doit être une résine à teneur en acide carboxylique élevée solubilisée par neutralisation partielle afin que le bain de revêtement comprenne au moins en partie une solution de résine dans l'eau. 10 Les résines ester époxy peuvent être préparées par tous les procédés bien connus, par exemple en estérifiant une résine époxy avec un ou plusieurs acides gras pour obtenir une résine ayant un faible indice acide. Dans ce procédé, la résine ester époxy résultante peut ensuite être amenée à réagir avec d'au-15 très quantités d'acides organiques afin d'augmenter l'indice d'acide de la résine et de l'amener dans un état convenable pour la préparation subséquente du bain de revêtement aqueux. Les résines préférées comprennent la résine ester époxy produite en estérifiant une résine époxy solide dérivée de 20 11épichlorohydrine et du bisphénol-A avec des acides gras d'huile de ricin déshydratés pour obtenir un ester époxy ayant Tin indice d'acide (mg d'hydroxyde de potassium par gramme de résine) d'environ 8 à 10 et en chauffant la résine avec de l'anhydride succinique jusqu'à ce que l'indice d'acide atteigne 25 la valeur d'environ 50. Une autre résine préférée est celle produite en estérifiant la même résine époxy solide avec des acides gras d'huile de graines de lin et en chauffant par la suite la résine avec de l'anhydride phtalique. Dans les deux cas, les solutions de résine sont avantageusement diluées avec 30 des solvants hydroxylés organiques comme l'éthèr monobuty1ique d'éthylène-glycol ou l'alcool butylique jusqu'à une teneur d'environ 76 % de solides pour 1'emmagasinement et l'utilisation subséquente. Une composition typique du bain d'électrophorèse utilisant 35 une résine ester époxy pour cette application renferme 5 parties en poids à environ 15 parties en poids de résine dans 100 parties en poids d'eau. La résine phénolique polymérisant à basse température semble également exercer d'autres effets bénéfiques sur le 71 39729 5 2113860 revêtement final en plus de résoudre le problème de revêtement des bords. A titre d'exemple elle semble conférer une résistance chimique accrue sur la pellicule polymérisée finale. Comme on l'a mentionné précédemment, la quantité de cette résine 5 phénolique utilisée est avantageusement de l'ordre de 0,1 à environ 10 parties en poids, notamment de 1 à 5 parties en poids pour 100 parties en poids de résine ester époxy» Une résine phénolique préférée à cette fin réside dans celle produite en faisant réagir une mole de phénol avec une 10 solution aqueuse à 37 % contenant 1,3 mole de formaldéhyde en présence d'une solution aqueuse à 20 % renfermant 20 millimoles d'hydroxyde de sodium. Ce mélange est chauffé au reflux pendant quarante cinq minutes, est ensuite refroidi et est emmagasiné dans un réfrigérateur prêt pour une utilisation ultérieure. La 15 solution contient 60 % de solides, la résine étant dans son état résol soluble dans l'eau. Une autre résine phénolique préférée que l'on suppose être du même type est celle vendue sous la dénomination commerciale de "BRLY 1215" par la Société Union Carbide Corporation. 20 Avant son addition au bain de revêtement, 50 % de l'acidité de la résine ester époxy sont neutralisés par addition, sous des conditions de cisaillement intense de quantités désirées d'une aminé comme la triéthylaminé, la diméthyléthanolamine ou un mélange de ces composés. L'aminé est ajoutée à la solution 25 de résine contenant environ 76 % de solides mentionnée plus haut. La solution de résine partiellement neutralisée ainsi formée est ensuite diluée avec de l'eau, de nouveau sous des conditions de cisaillement intense, et est mélangée avec la dispersion aqueuse de la résine phénolique polymérisant à basse 30 température préparée comme décrit précédemment. Ensuite, le bain est dilué si cela est nécessaire à la teneur désirée en solides avec de l'eau désionisée. Le bain de revêtement est à présent prêt pour être utilisé dans appareil d'électrophorèse. Les résines de styrène-butadiène qui sont utilisées dans 35 les bains d'électrophorèse suivant l'invention sont celles qui peuvent être rendues solubles dans l'eau et qui sont polyméri-sables à la chaleur. Un exemple réside dans la résine portant la dénomination commerciale QX - 3531 produite par la société "Dow Chemical Company". 71 39729 6 2113860 La composition du bain et le procédé de l'invention sont illustrés, à titre non limitatif, par les exemples suivants. EXEMPLE 1 On prépare et on rend soluble dans l'eau une résine ester 5 époxy ayant de "bonnes propriétés d'isolement de l'électricité, et on fabrique à partir de cette résine une composition aqueuse d'un bain d'électrophorèse. La composition du bain est utilisée pour revêtir une bande d'aluminium avec la résine ester époxy. 10 La résine ester époxy est préparée de la manière suivante : on mélange avec 1085 g (0,4- équivalent) d'acides gras d'huile de ricin déshydratés et 0,22 g (0,425 milli-équivalent) de carbonate de sodium anhydre à une température de 100°C sous une atmosphère d'azote, 14-35 g (1 équivalent OH) de la résine époxy 15 Epon 1001 disponible dans le commerce (dérivée d'épichlorohy-drine et de bisphénol-A et vendue par la Société "Shell Chemical Company Ltd"). Le mélange est ensuite chauffé. Lorsque la température atteint 160°C, on commence l'addition goutte à goutte de xylène pour faciliter l'élimination de l'eau d'esté-20 rification engendrée pendant la réaction. Le mélange est chauffé à une température de 220°C et est maintenu à cette valeur pendant deux à trois heures jusqu'à ce que la résine formée ait un indice d'acide de 8 à 10 mg de KOH par gramme de résine. Le mélange réactionnel est ensuite refroidi à 140°C. 25 La résine ester époxy ainsi formée est ensuite chauffée avec davantage d'acide pour accroître la teneur en acide carbo-xylique de la résine. A cette fin, on ajoute à la résine à 140°C 199 g (0,2 mole) d'anhydride succinique et cette température de réaction est maintenue pendant environ deux heures jusqu'à 30 ce que la résine ait un indice d'acide de 50 mg de KOH par gramme de résine. Ensuite, le mélange de réaction est refroidi à 110°C. La résine résultante est amenée par la suite à une teneur en solides de 80 % par l'addition de 674 g d'éther monobutyli-35 que d'éthylène glycol et amenée à une teneur en solides de 76 % par addition de 170 grammes de butanol. Dans cet état, la résine ester époxy solubilisée peut être emmagasinée en vue d'une utilisation subséquente. Une résine phénol-formaldéhyde soluble dans l'eau est également ajoutée au bain de revêtement. La résine utilisée est 71 39729 7 2113860 celle vendue sous la dénomination commerciale de "BRIY 1215" par la Société Union Carbide Corporation. On suppose que l'on prépare par chauffage au reflux -une solution aqueuse de phénol et de formaldéhyde jusqu'à ce qu'une résine dans son état résol 5 soluble dans l'eau soit formée. La composition du bain d'électrophorèse est ensuite obtenue à partir de ces ingrédients. Tous les mélanges des diverses solutions et dispersions sont mis en oeuvre sous des conditions d'agitation à cisaillement intense. Une partie de la solution 10 de résine ester époxy à 76 % de solides préparée comme décrit ci-dessus contenant 131 g de résine, est neutralisée à 50 % par addition de 4 g (4-5 milli-é qui valent pour 100 g de résine) de di-méthyl-éthanolamine. A cette solution de résine partiellement neutralisée, on ajoute ensuite 3,5 g de la solution 15 aqueuse à 60 % de solides de résine phénolique et suffisamment d'eau désionisée supplémentaire pour réduire la teneur en solides de la composition du bain à environ 10 %. La composition du bain contient donc 10 % d'ester époxy et 0,2 % de résine phénolique soluble dans l'eau. La composition 20 a un aspect laiteux. Elle présente une conductivité de l'ordre de 1000 jimho et une valeur de PH de l'ordre de 7,5- Cette composition de bain est utilisée pour revêtir par électrophorèse une pièce d'une bande d'aluminium, à une petite échelle, dans un essai de type discontinu. La pièce d'aluminium 25 qui a une épaisseur de 0,254 mm et une étendue de surface (un côté) de 19,355 cm2 est immergée dans la composition du bain et est reliée en tant qu'anode d'un circuit électrique. La cathode du circuit se compose d'une plaque en acier ayant une étendue de surface (un côté) de 25,806 cm2 et est immergée 30 dans la composition du bain à une distance d'environ 1,27 cm à partir de l'anode-en aluminium. Un courant électrique continu de 125 volts et d'environ 0,1 ampère passe entre l'anode et la cathode pendant une durée de vingt secondes, ce qui provoque le dépôt d'un revêtement blanc translucide sur l'anode d'alumi-35 nium. La pièce d'aluminium est ensuite retirée de la composition du bain, lavée avec de l'eau, séchée pendant trente minutes à 150°C et cuite pendant cinq minutes à 250°C. Le revêtement résultant de résine polymérisée est de couleur jaune et a une épaisseur de 0,024-1 mm. 71 39729 8 2113860 La résistance diélectrique du revêtement appliqué est éprouvée en appliquant une différence de potentiel entre l'aluminium (en-dessous du revêtement) et une sonde électrique mobile. En déplaçant la sonde électrique sur toutes les parties 5 de la surface de la pièce d'aluminium y compris ses bords vifs et ses coins, on trouve que le revêtement a une résistance diélectrique supérieure à 1100 volts dans tous les endroits, ce qui indique un bon recouvrement de la surface, des bords vifs et des coins. La pellicule a un aspect uniforme et 10 brillant. Bien que dans l'exemple ci-dessus la composition du bain d'électrophorèse soit utilisée à une petite échelle dans un essai de laboratoire de type discontinu pour montrer son efficacité, il y a lieu de remarquer que pour une opération 15 à grande échelle, la même composition peut être employée dans un système continu dans lequel la composition est contenue dans un bain de métal contenant les cathodes pour l'opération et où l'anode constituée par une bande d'aluminium est d'une grande longueur et est alimentée de manière conti-20 nue. Ceci constitue le procédé industriel que l'on préfère. Après la sortie du bain, la bande est amenée en continu sous un balayage d'air dans une étuve dans laquelle elle est séchée et polymérisée. EXEMPLE 2 25 Cet exemple illustre l'utilisation de résines de styrène- butadiène dans les compositions du bain de l'invention. La résine de styrène-butadiène choisie est celle portant la dénomination commerciale "TJX 3531 " fabriquée par la Société "Dow Chemical Company". On prépare à partir de cette résine 30 de styrène-butadiène solubilisée contenant 10 % de résine dans l'eau une composition aqueuse d'un bain d'électrophorèse. Le bain renferme également 0,2 % de la résine phénolique décrite à l'exemple. Une bande d'aluminium est revêtue comme décrit précédemment 35 en l'immergeant dans le bain et en faisant passer un courant de 100 volts à travers le bain pendant une période de vingt secondes. La bande revêtue est ensuite retirée du bain, lavée, séchée et cuite. La pellicule a un aspect brillant uniforme et une épaisseur de 0,0279 mm. , . — - f r j I * / JL " ! 15 **£ f*"* * ? C. •£» «s» «»' 'W w w La résistance diélectrique du revêtement ainsi déposé est ensuite Mesurée de la façon décrite précédemment en utilisant une sonde électrique mobile à une différence de potentiel de •1 100 volts. La bande revêtue montre une bonne résistance 5 diélectrique dans tous les endroits y compris les bords vifs et les coins. 71 39729 10 2113860 REVESJICATIOKS 1. Composition d'un "bain pour le revêtement par électrophorèse, caractérisée en ce qu'elle coaqjrend une solution aqueuse diluée ou dispersion de 100 parties en poids d'une 5 résine de revêtement polymérisable à la chaleur et d'environ 0,1 à environ 10 parties en poids d'une résine soluble dans l'eau qui est essentiellement compatible avec la résine de revêtement et qui est polymérisée rapidement à une température essentiellement inférieure à la température de polymérisation 10 de la résine de revêtement. 2. Composition suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la résine de revêtement est choisie à partir de résines ester époxy et de résines styrène-butadiène et en ce que la résine polymérisant à basse température est taie résine phéno-15 lique soluble dans l'eau. 3. Composition suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la résine phénolique est utilisée suivant une Quantité de l'ordre de 1 à 5 parties en poids par 100 parties en poids de résine polymérisable à la chaleur. 20 4. Composition suivant l'une des revendications 1 à 3» caractérisée en ce que la résine de revêtement est une résine ester époxy solubilisée. 5. Composition suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la résine ester époxy est produite en 25 estérifiant une résine époxy solide dérivée de l'épichloro- hydrine et du bisphénol-A avec des acides gras d'huile de ricin déshydratés, traitée avec de l'acide et partiellement neutralisée avec une aminé. 6. Procédé d*électrophorèse pour revêtir une bande de 30 métal, caractérisé en ce qu'il consiste à immerger la bande dans un bain d'une composition de revêtement qui vient également au contact d'une électrode, à faire passer un courant électrique à travers le bain entre l'électrode et la bande, à retirer la bande du bain et à chauffer la bande pour polymériser sur elle 35 le revêtement, cette composition du bain de revêtement renfermant une solution aqueuse diluée ou dispersion de 100 parties en poids d'une résine de revêtement polymérisable à la chaleur choisie à partir de résines ester époxy et de résines styrène-butadiène et d'environ 1 à environ 5 parties en poids d'une 71 39729 -il 2113860 résine phénol-formaldéhyde soluble dans l'eau qui est rapidement polymérisée à une température essentiellement inférieure à la température de polymérisation de la"résine de revêtement» 7- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce 5 que la résine phénolique est produite en faisant réagir du phénol avec du formaldéhyde en excès sous des conditions alcalines aqueuses jusqu'à ce que la résine soit dans son état résol soluble dans l'eau. 8. Procédé suivant l'une des revendications 6 et 7» carac-10 térisé en ce que la bande est en aluminium et passe en continu à travers la composition contenue dans le bain, la structure du bain lui-même constituant l'électrode.