Brevet FR2186515A1 — publié le 19740111

La présente invention se rapporte à la composition de l'encre utilisée pour imprimer, par sérigraphie, les couches résistantes des potentiomètres. Plus particulièrement, elle se rapporte à une composition d'encre contenant une poudre conductrice, en général du carbone, dispersée dans un liant or ganique. Cette encre, déposée en couche mince sur des supports tels que stéatite, alumine ou carton stratifié phénolique, forme, après cuisson, les résistances de potentiomètres professionnels et de grand public. Ces résistances sont balayées par un frotteur qui collecte, soit la tension, soit le courant traversant la résistance. La fabrication des couches résistantes des potentiomètres par sérigraphie, offre de nombreux avantages : précision de forme et d'épaisseur, facilité de miniaturisation, possibilité d'impression sur des bases céramiques, etc... La sérigraphie exige une encre ayant des caractéristiques bien précises t en particulier, cette encre ne doit etre ni collante, ni filogène et elle doit présenter une certaine tension superficielle. Pour mieux comprendre la nature des phénomènes qui ont lieu au cours de la sérigraphie, nous nous référons au dessin figure 1. La figure 1 représente, en coupe verticale, l'écran de sérigraphie balayé par une raclette. L'écran est constitué par une toile tendue sur un cadre. On voit les mailles 1 de la toile agrandies environ 50 fois. L'extrémité de la raclette 2 poussant l'encre 3 dans le sens de la flèche 4. L'encre remplit les mailles de la toile et se trouve, sous la pression de la raclette, en contact avec le support 5. Après le passage de la ra dette, la toile se soulève ; à ce moment, l'encre quitte les mailles de l'écran et reste sur le support, formant la couche 6.. En ce qui concerne plus particulièrement les encres destinées à l'impression des résistances de potentiomètres, elles doivent avoir des qualités spéciales : le film imprimé doit etre lisse et dur, résister aux épreuves électriques et climatiques et aux solvants ; il doit former une bonne piste pour le passage du frotteur ; ce dernier ne doit pas rayer la piste, ni etre détérioré par elle au cours de ses balayages. Toutes ces caractéristiques sont dues surtout au liant constitué par un vernis au four qui est une solution de résines thermodurcissables dans un solvant organique. Or, les solutions de résines thermodurcissables sont difficiles à sérigraphier, car elles sont collantes et filogènes. Elles produisent couramment le défaut schématisé par la figure 2. La figure 2 représente l'écran juste après le passage de la raclette. Une particule 7 d'encre est restée collée dans une maille de l'écran et entrasse le filament 8 pendant que la toile se soulève. Ce filament retombe ensuite sur la couche 6, formant la bulle 9. Suivant la tension superficielle de l'encre et l'importance de la bulle, cette dernière peut se résorber dans la couche 6. Dans le cas contraire, elle reste à la surface en formant une rugosité indésirable. L'objet de la présente invention est une composition d'encre résistive pour potentiomètres, facile à imprimer par sérigraphie, ne donnant aucun des défauts de surface décrits ci-dessus ; d'autre part, la solution proposée prétend améliorer aussi les qualités mécaniques et électriques de la résistance. Un autre objet de l'invention est la résistance des potentiomètres imprimée par ladite encre. Les améliorations proposées seront plus faciles à comprendre en considérant l'action des charges et des solvants à l'aide des figures 3 et 4. Par charges, nous comprenons les poudres minérales qui sont employées ici principalement pour corriger le comportement rhéologique de l'encre. I1 se pourrait que les memes poudres soient connues plutôt sous la dénomination de "pigments" ou "additifs" suivant le rôle qu'elles jouent dans les peintures. La figure 3 représente ungraphique où, sur l'axe X, ont été portées les quantités de charges pour 100 parties de ré sine contenues dans l'encre sur l'axe Y ont été pore: le~ quantités de solvant pour 100 parties de raine contenues dans a meme encre. Toutes les proportions sont pondérales. La figure 4 représente les types de sérigraphie que nous aurions rencontrés en faisant évoluer la composition de l'encre suivant la ligne pointillée 10, sans le sens de la flèche 15 (figure 3) - le type de sérigraphie 16 de la figure 4 représente une couche d'encre trop saturée par les charge. Le liant ayant été saturé et immobilisé, sa tension superficielle ne peut se manifester. La couche porte ainsi lflempreinte exacte 21 de la toile de l'écran - le type de sérigraphie 17 de la figure 4 représente l'encre avec un peu moins de charge que ci-dessus.La tension superficielle commence à se manifester, mais elle est insuffisante pour résorber entièrement l'empreinte de la toile. I1 subsiste donc une rugosité aux grains arrondis 22, ayant le meme pas que l'empreinte 21 - le type de sérigraphie 18 de la figure 4 représente l'encre avec encore moins de charge que ci-dessus. La tension superficielle peut se manifester pleinement, les rugosités sont absorbées et la couche sérigraphiée 23 forme une surface lisse et plane - le type de sérigraphie 19 de la figure 4 représente l'encre avec encore moins de charge, ce qui l'a rendue filogène.Entre le support 5 et l'écran se nouent des filaments qui retombent sur le support et sont plus ou moins bien absorbés, formant une couche vallonnée 24 - le type de sérigraphie 20 de la figure 4 représente l'encre avec encore moins de charge. Les retombées devien- nent de plus en plus fortes, elles ne sont plus absorbées et forment des bulles 25 qui, après séchage, peuvent contenir un cratère 26. D'après l'analyse des phénomènes décrits ci-dessus et à l'aide de la figure 3, nous pourrons délinlter l'aire d'utilisation de l'encre, en fonction de sa teneur en charge et en solvants. L'aire Il de la figure 3 est celle où la sérigraphie produit une couche bien étalée, sans défauts de surface. L'aire 12 de la figure 3 est celle où se produisent les défauts 19 et 20 de la figure 4. L'ale 13 de la figure 3 est celle où se produisent les défauts 16 èt 17 de la figure 4. L'aire 14 est celle où la sérigraphie n'est pas possible ; le produit étant trop liquide, coule spontanément à travers la toile de l'écran. Le graphique de la figure 3 a été tracé d'après le comportement de charges ayant une granulométrie de 200 à 300 millimicrons. Les charges de granulométrie plus fines doivent etre employées en quantité plus faible et vice-versa pour déterminer le meme comportement. D'autre part, certaines charges affectent plus que les autres la mobilité et la tension superficielle du liant dans lequel elles sont dispersées. Ainsi, la silice synthétique (à 25 parties de silice et 130 parties de solvant pour 100 parties de résine) produit le défaut 16 de la figure 4, tandis que l'alumine "colloldale", ayant le meme diamètre de particules (5 à 30 millimicrons), employée dans les mêmes proportions, détermine une couche bien étalée. En examinant la forme triangulaire de l'aire d'utilisation 11 de la figure 3, nous constatons que les encres chargées (partie droite du triangle) assurent un bon étalement de la couche avec un large éventail de taux de solvant. Par contre, les encres peu chargées (partie gauche du triangle) ne peuvent assurer cette qualité qu'avec une quantité précise de solvant. Ces dernières encres, apparemment correctes lors de la mise en route de la sérigraphie, risquent de devenir inutilisables au cours d'un travail prolongé, par suite de l'évaporation d'une partie du solvant. L'objet de la présente invention est un choix de charges parmi celles qui affectent le moins possible la mobilité du liant et qui sont dosées de manière à assurer un travail correct de longue durée. Les charges, tout en étant constituées par une poudre non conductrice, ont une influence sur le comportement électrique de la résistance. En particulier, elles peuvent contribuer à la stabilité de leur valeur ohmique dans la température limite de fonctionnement. Cette importante propriété du potentiomètre est contrôlée par l'épreuve de 'chaleur sèche". T A B L E A U I Noir de carbone pour 100 par ties de résine .. 11,2 % 10,4 X 14,1 % Poudre minérale, diamètre 300 millimicrons pour 100 parties de résine 0 105 % 292 % Valeur ohmique de la couche en ohms par carré 162.000 155.000 10.370 % dérive après l'épreuve de + chaleur sèche 65H 850 C - 4,24% - o, 46% + 5 % Nous voyons, d'après le tableau I, que la dérive après l'épreuve de "chaleur sèche" est fortement négative pour une encre résistive sans charge ; elle est fortement positive pour une charge importante et elle est voisine de O pour une charge intermédiaire. L'objet de l'invention est une formule d'encre résistive telle que le dosage de la charge détermine une très faible dérive lors de l'épreuve de "chaleur sèche. Un autre facteur à considérer est la propriété abrasive des charges. Presque toutes les poudres, dont le diamètre est supérieur à 250 millimicrons, et qui sont dispersées dans un liant durci par la cuisson, forment une couche abrasive. L'abrasion augmente avec la concentration de la poudre. Elle oc casionne l'usure du frotteur ; autre part, dans le cas de frotteur tout métal, la couche balayée se métallise. La métallisation forme une pellicule conductrice, instable électriquement, qui peut etre responsable de divers troubles de fonctionnement. Le bioxyde de titane TiO2 (diamètre des particules 300 millimicrons) est une poudre facile à disperser, très utile pour améliorer laétalement de la couche sérigraphiée, mais très abrasive. Pour cette raison, son utilisation doit etre limitée à 60 parties de TiO2 pour 100 parties de résine. A ce taux, le bioxyde de titane n'est pas encore abrasif, mais il est insuffisant pour assurer une bonne sérigraphie. D'après l'invention, le bioxyde de titane est complété par une poudre très fine, non abrasive, l'alumine (diamètre des particules 5 à 30 millimicrons). On peut se demander s'il ne serait pas avantageux d'introduire dans l'encre des charges uniquement non abrasives. Or, l'exprérience a prouvé que de tels mélanges ne présentent pas de résistance mécanique suffisante et qu'il est nécessaire d'introduire dans l'encre une certaine quantité de poudresabrasives pour protéger la piste du potentiomètre contre l'usure consécutive au passage du frotteur. L'objet de la présente invention est'unie composition d'encre résistive, additionnée de charges diélectriques diverses, dont chacune est employée dans les limites où son action est avantageuse. I1 est évident que l'addition de charges est inutile et meme nuisible pour les encres résistives de basse valeur ohmique inférieure à 1000 ohms par carre. La concentration de poudres conductrices y est, dans le cas de noir de carbone, de 40 parties de poudre pour 100 parties de résine. Dans ces condition, le carbone (diamètre des particules 30 millimicrons) constitue à lui seul une excellente charge qui assure une bonne sérigraphie. Par contre, la teneur en carbone (ou autres poudres conductrices) diminue à mesure qu'augmente la valeur ohmi que de l'encre et il est nécessaire de remplacer ces poudres au fur et à mesure par des charges diélectriques. En ce qui concerne les solvants, nous avons vu (figure 3) que leur présence est favorable au bon étalement de la couche. Le taux des solvants est pourtant limité par la nécessité de conserver une viscosité minimale (environ 600 centipoises), faute de quoi l'encre coulerait à travers les mailles de l'écran. Or, nous pouvons reculer la limite d'emploi des solvants au moyen d'un agent gélifiant. I1 en existe beaucoup ; nous avons choisi l'hydroéthylcellulose qui, employée à faibles doses, inférieures à 1 % de la masse totale, apporte une augmentation appréciable de viscosité. Une autre caractéristique importante des couches résistantes des potentiomètres est leur épaisseur. Les couches trop minces recouvrent insuffisamment les défauts du support le frotteur risque d'user une couche trop mince au cours de manoeuvres prolongées ; d'autre part, les couches minces résistent moins bien à l'humidité. Par contre, les couches trop épaisses manquent de souplesse, sont susceptibles d'éclater au cours de manipulations, sèchent moins bien, présentent un bord moins net et sont plus difficiles à obtenir avec une surfacelisse et bien étalée. Une bonne épaisseur se situe entre 10 et 15 microns (mesurée après séchage de la couche). Une telle épaisseur est déjà relativement importante et pas toujours facile à réaliser sans défauts d'étalement. L'objet de la présente invention est une encre qui permet d'obtenir l'épaisseur de la couche sèche entre 10 et 15 microns en un seul passage et sans difficulté d'impression. L'épaisseur de la couche s'obtient par l'emploi d'une toile d'écran appropriée et se calcule en multipliant l'épaisseur de cette toile par le pourcentage de sa surface ouverte et par l'extrait sec vplumétrique de l'encre par exemples : 100 microns (épaisseur toile) x 37/100 (% surface ouverte) x 34/100 (% extrait sec volumétrique) = 12,58 microns Ci-dessous nous présentons quelques exemples d'ap- plication non exclusifs. T A B L E A U II Composant % de masse totale Noir de carbone # partic. 30 millimicrons 11,5 5,85 3,59 Résineso 28,6 28,55 28,53 Solvants 59,9 55,00 53,04 Bioxyde de titane # partic. 300 millimicrons.......... 7,50 10,50 Alumine # partic. 5 à 30 millimicrons.............. 2,50 3,50 Hydroéthylcellulose....... 0,60 0,84 Caractéristiques Viscosités (centipoises).. 3.600 2.800 2.480 Epaisseur de la couche sè che (microns) 10,9 11,4 12,0 Résistance (ohms par car ré)...................... 400 7.100 155.000 Dérive après épreuve de chaleur sèche 65H à 850 + + C - 0,29% + 0,59% - 0,46% Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus et on pourrait prévoir d'autres compositions d'encre résistive imprimée par sérigraphie, en partant des formules précitées sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1) Composition d'encre pour imprimer, par sérigraphie, les couches résistantes qui, après cuisson, forment les pistes de potentiomètres, caractérisée en ce qu'elle comprend des résines thermodurcissables, des solvants, des poudres conductrices, principalement du noir de carbone, des charges minérales et un agent gélifiant. 2) Composition d'encre, selon la revendication 1 et caractérisée en ce que la quantité de charges minérales et d'agent gélifiant est variable et qu'elle augmente à mesure que diminuent la conductivité de la couche conductrice et son taux de poudres conductrices. 3) Composition d'encre, selon les revendications 1 et 2 et caractérisée en ce que la charge minérale contient un mélange de poudres ayant une granulométrie de 200 à 300 millimicrons et de poudres ayant une granulométrie de 5 à 30 millimicrons. 4) Composition d'encre, selon les revendications 1 à 3 et caractérisée en ce qu'elle contient les charges minérales suivante : Bioxyde de titane 0 à 15 %, oxyde d'alumine 0 à 5 %. 5) Composition d'encre, selon les revendications 1 à 4 et caractérisée en ce qu'elle contient 0 à 1 % d'hydroéthylcellulose. 6) Couche résistante de potentiomètre imprimée par sérigraphie sur un support isolant et caractérisée en ce qu'elle utilise l'encre selon les revendications 1 à 5. 7) Couche résistante de potentiomètre, selon les revendications 1 à 6, caractérisée en ce que son épaisseur, après cuisson, mesure 10 à 15 microns.