Brevet FR2336021A1 — publié le 19770715

La présente invention a pour objet un cable plat chauffant à structure de stratifié à trois couches. On sait chauffer des.tubes, des branchements de tubes, des réservoirs industriels, en y enroulant des câbles chauffants. Cette méthode est particulièrement avantageuse si l'on veut chauffer des endroits difficilement accessibles ou des parties de forme irrégulière, car dans ces cas on ne peut pas utiliser d'éléments chauffants à grande surface. Les cibles chauffants connus sont constitués de fils métalliques résistants et d'une isolation appropriée, thermiquement stable, par exemple en matière céramique ou en matière plastique résistante aux effets de la chaleur. Pourtant, les câbles chauffants de ce type ont l'inconvénient que les parties enveloppées sont chauffeesde manière linéaire, c'est-à-dire irrégulierement; par conséquent des surchauffes locales peuvent se produire facilement, de sorte que le contenu du revoir enveloppé et éventuellement aussi l'isolant du amble chauffant peuvent être endommagés. Pour remédier à ces inconvénients or utilise, selon le brevet français publié sous le N 2 034 676, des conducteurs chauffants constitués d'un noyau conductif d'un mélange à base de polytétrafluoro-éthylène et de noir de carbone, extrudé sous forme de pâte, et d'une gaine de polytétraflucroêthylene pur. tes conducteurs chauffants de ce type en Forme de baguette ou de ruban, obtenus par le procédé d'extrusion sous forme de pate, sont munis aux extrémités, avant ou après frittage, de contacts métalliques, comme cela est décrit dmns le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 2 878 353. Il faut ajuster, toutefois, la puissance calorifique de tels câbles chauffants non métalliques portant des contacts terminaux, tout comme celle des câbles chauffants métalliques, pour chaque longueur par la résistance, étant donné que la puissance calorifique par unité de surface change en fonction de la longueur du câble. Si l'on veut utiliser des câbles très longs en une seule pièce, on peut augmenter la proportion du noir de fumée dans le mélange, ou bien augmenter la section transversale. Mais, dans les deux cas, le noyau conductif devient plus sensible à la pliure et à la cassure. La présente invention a donc pour objet un cabale chauffant qui s'applique à la surface à chauffer aussi exactement que possible et assure ainsi un transfert de chaleur aussi complet que possible, qui est insensible aux contraintes thermiques et mécaniques et dont la puissance calorifique est indépendante de la longueur du câble utilisé. Pour parvenir à ces objectifs, il est prévu un cable plat chauffant à structure de stratifié à trois couches, constitué a) d'un conducteur chauffant intérieur en forme de ruban d'un mélange de polytétrafluoro-éthylène et de noir de carbone, fritté, ayant une résistivité de 0,001 à 0,02 JE*.m une épaisseur de 40 à 10001ton et une largeur de 4 à 100 mm, portant aux bords extérieurs, sur toute sa longueur, des conducteurs métalliques insérés au moins partiellement dans la masse conductrice, et b) de deux rubans extérieurs isolants de polytétrafluoro éthylène, extrudés en pate et frittés, qui sont un peu plus larges que le ruban du conducteur chauffant, disposés sur les deux surfaces du ruban conducteur et réunis avec ces surfaces, et réunis entre eux le long des bords saillants, sous forme de stratifié, l'une des extrémités du câble plat étant éventuellement fermée par une couche isolante appliquee par soudage. On peut fabriquer les câbles plats chauffants de la manière suivante: 1) Comme rubans isolants on produit d'abord des rubans non frittés de polytétrafluoro-éthylene selon des procédés connus. A cet effet on mélange un polymère, préparé en émulsion, de tétrafluoro-éthylène sous forme coagulée avec de 15 à 35 % en poids, de préférence de 20 à 30 % en poids, d'un lubrifiant, par rapport au polytétrafluoro-éthylène, de préférence de l'essence. On comprime la pâte homogène sous une pression modérée (environ 20 à 100 bars) pour obtenir une ébauche, que l'on transforme ensuite en un boudin en la faisant pasSer par une buse de boudineuse, sans apport de chaleur. Le boudin obtenu est ensuite laminé à une température modérée (température du boudin 40 à 500C, température des cylindres 50 à 600 C) pour donner un ruban dont on peut varier à volonté l'épaisseur et la largeur. Après le formage on élimine le lubrifiant par séchage ou lavage dans un bain de solvant. Le ruban ainsi produit peut être découpé ensuite pour avoir la largeur désirée.Il va de soi que l'on peut également utiliser d'autres procédes connus pour la fabrication de rubans non frittés de polytétrafluoro-éthylène, par exemple par extrusion directe sans production d'un boudin. 2) Pour fabriquer le ruban chauffant on prépare d'abord un mélange conductif à partir de polytétrafluoro-éthylène et de noir de carbone. En agitant vivement, on ajoute une suspension de noir de. carbone, (1 à 10 % de noir de carbone par rapport à l'eau) traité au préalable par un agent hydrophobisant tel qu'une émulsion aqueuse d'une huile de silicone, à une dispersion aqueuse de polytétrafluoro-éthylène contenant environ 10 à 30 % en poids de matière solide. La coagulation commence au bout d'un temps d'agitation de 30 minutes environ. On continue l'agitation jusqu'à ce que le mélange de polytétrafluoro-éthylène/ noir de carbone surnage sur le liquide. On lave la matière solide, et on la sèche pendant environ 10 à 20 heures à environ 1500C. On ajuste donc la résistance électrique du conducteur chauffant grace au rapport du mélange de polytétrafluoro-éthylène/noir de carbone et on détermine ainsi la puissance calorifique. On mélange ensuite le mélange de polytétrafluoro-éthylène/noir de carbone séché avec 15 à 35 % en poids, par rapport au poly tetrafluoro-ethylene, d'un lubrifiant liquide, par exemple l'essence, et on comprime la pate homogène dans une presse de préformage hydraulique pour obtenir une ébauche que l'on extrude ensuite dans une boudineuse pour extrusion de pâtes par une buse, pour obtenir un boudin.On fait passer le boudin encore transformable dans la fente des cylindres d'une calandre et on lamine à température modérée (température du boudin 49-500C, température des cylindres 50 à 600C) pour obtenir un ruban. On élimine ensuite le lubrifiant par séchage ou par extraction avec un solvant approprié, et on découpe les bords pour obtenir un ruban ayant la largeur désirée. 3) On place le ruban chauffant ainsi obtenu sur un ruban isolant, obtenu comme il est decrit sous 1) et on pose les deux conducteurs métalliques sur la couche du conducteur chauffant le long des deux bords extérieurs, et là-dessus on pose le deuxième ruban isolant en polytétrafluoro-éthylène non fritté. La largeur des deux rubans isolants doit dépasser un peu la largeur du ruban chauffant, c'est- -dire de 1 à 3 mm des deux côtés. Le ruban stratifié a trois couches ainsi obtenu est passé ensuite entre deux cylindres recouverts d'une couche elastique, par exemple en caoutchouc dur, et pressé sous une pression de 20 à 100 bars, de préférence de 40 à 80 bars. Le ruban obtenu est ensuite fritté dans un dispositif approprié, par exemple un canal de frittage ou un bain de sel, à une température d'environ 380 à 4200C. Dans ce procédé de frittage la liaison relativement lâche des couches individuelles est consolidée et un stratifié solide est obtenu. Il est également possible de réaliser la fabrication d'un tel stratifié de maniere continue et sans fin, en introduisant les rubans individuels et les conducteurs métalliques simultanément dans un système de cylindres et en les comprimant, dans les conditions susmentionnées, d'une maniere analogue au procédé de contrecollage. Les polymères de tétrafluoro-éthylène, utilisés pour la fabrication des rubans isolants non frittés et des conducteurs chauffants, peuvent entre préparés de manière connue sous forme de dispersions colloidales par polymérisation du tétrafluoroéthylène en phase aqueuse avec coagulation subséquente, comme cela est décrit, par exemple, dans le brevet français N 1 027 349 et le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 2 593 583. La transformation de la matière coagulée en rubans est décrite, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 2 593 582. Comme lubrifiants on utilise avantageusement des hydrocarbures, par exemple des fractions d'essence ayant un point d'ébullition compris entre 80 et 3500C, suivant les conditions de transformation. La proportion du lubrifiant est comprise entre environ 15 et 35 %, avantageusement entre 20 et 30 % en poids, par rapport au polytétrafluoro-éthylene. La teneur en noir de carbone, qui détermine la resis- tivité du conducteur chauffant, dans le mélange de polytétrafluoro-éthylène-noir de carbone, va de 1 à 20 %, de préférence de 7 à 12 % en poids, par rapport au polytetraEluoro- éthylène, ce qui correspond à une résistivité de 0,001 à 0,02.m, de préférence de 0,005 à 0,015a L.m. I1 faut utiliser un noir de carbone ayant une bonne conductivité, par exemple un noir de carbone obtenu par pyrolyse de l'acétylène. La résistivité d'un noir de carbone de ce genre est dans le domaine de 2,7 X 10-2 à 7,8 X 10-2 # cm environ. La taille des particules moyenne est d'environ 500 A, la surface spécifique d'environ 70 m/g, déterminée selon la méthode BET. Avant l'incorporation dans la dispersion aqueuse du polytetrafluoro-ethylene, on peut traiter la surface du noir de carbone par un agent hydrophobisant, par exemple une huile de silicone, un composé de silane ou de siloxane ou un compose azoté cationique. Le câble chauffant selon la présente invention a une largeur de 4 à 100 inm, de préférence de 10 à 50 mm (exprimée comme étant la largeur de la couche chauffante entre les deux conducteurs métalliques). La couche chauffante a une épaisseur de 40 à 1000 , avantageusement de 80 à 200 m. Pour les rubans isolants il faut choisir une épaisseur suffisante pour assurer la résistance diélectrique requise, suivant l'application envisagée. En pratique, on utilisera des rubans ayant une épaisseur de 50 à 500ysm, de préférence de 100 à 200yWm. On peut fabriquer le câble chauffant de l'invention en toute longueur voulue. En pratique, on utilisera avantageusement une longueur allant jusqu'à 50 mètres suivant l'application, de préférence de 0,5 à 30 mètres. On peut facilement découper la longueur désirée à partir du câble chauffant fabriqué en continu. A l'une des extrémités on ôte alors une petite partie de l'isolant, pour dénuder les conducteurs électriques d'alimentation. Dans le cas ob le ruban chauffant entre en contact avec de l'humidité ou des milieux corrosifs, ce qui arrive dans beaucoup d'applications pratiques, il est utile de sceller l'autre extrémité par un soudage pour la rendre étanche à l'air et à l'humidité. A cet effet, on peut utiliser des résines soudables et thermostables, en particulier des copolymères thermoplastiques du tétrafluoro-éthylène, par exemple avec de l'hexafluoropropylène ou un perfuorovinyloxy-perfluoro-alcane comme comonomere. Les câbles plats chauffants oenformes à l1invention peuvent supporter une puissance comprise entre 1 et 100, de préférence entre 5 et 80 watts, par rapport à la longueur du ruban, et une tension de 220 volts. Il est possible d'ajuster les valeurs de résistance données avec une précision de + 5 8. Si l'on veut produire un cible chauffant d'une puissance plus élevée, on prépare d'abord le ruban chauffant selon le point 2) ci-dessus, on applique les conducteurs électriques, puis on pose sur une ou les deux surfaces de ce ruban, un ou deux rubans chauffants supplémentaires et on comprime l'ensemble, de manière décrite ci-dessus, et finalement on applique les deux couches isolantes. Les rubans chauffants additionnels s' unissent avec le premier ruban chauffant tout en formant une unité, de sorte que la structure à trois couches est conservée. Cette manière de procéder peut etre avantageuse, car ainsi les conducteurs métalliques sont complètement noyés dans le ruban chauffant. Comme conducteurs métalliques servant de contact, posés le long des deux bords du ruban chauffant, on peut utiliser tonus les métaux conducteurs sous forme de fils ou de rubans étroits, de préférence sous forme de fils divisés. Ils sont avantageusement faits de cuivre argenté, d'argent ou d'aluminium. Les câbles plats chauffants conformes à l'invention, ayant une structure de stratifié à trois couches, possèdent une série d'avantages importants : grâce au fait que la mise en contact s'étend aux deux bords sur toute la longueur, la puissance calorifique est indépendante de la longueur du cabale. La forme plate assure une grande surface de transmission de chaleur. Les rubans sont très flexibles et la couche chauffante encastrée est pratiquement insensible à la pliure du fait de l'épaisseur relativement faible. De plus, les cibles plats chauffants ont une bonne résistance aux températures élevées et aux agents chimiques. L'enrobage des fils métalliques dans la couche conductive assure un contact qui est extrmement bon et uniforme et des résistances de contact entre le fil et les couches chauffantes sont évitées. Grâce à la structure stratifiée, le ruban est absolument étanche vers l'extérieur, de sorte que l'on peut l'utiliser dans des liquides; en particulier des liquides corrosifs, sans que la substance corrosive entre en contact avec le métal. On peut utiliser le ruban chauffant conforme à l'invention par exemple pour chauffer des tuyaux de n'importe quelles longueur et section, des réservoirs, par exemple des réservoirs de stockage, et des récipients de réaction. De plus, on peut les utiliser pour le chauffage direct sous forme de thermo-plongeurs par exemple pour des bains de galvanisation, des mélanges réactionnels ou des bains de filage. Une application spéciale est leur montage dans les bords de portes pour entrepôts frigorifiques, pour éviter le gel de l'eau de condensation. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment 1linvention peut etre réalisée. La figure 1 est une vue de dessus dlun câble plat chauffant conforme à l'invention, et la figure 2 est une vue en coupe transversale de la figure 1. La couche chauffante (2) est située entre les deux conducteurs métalliques (1) qui sont partiellement enrobés dans la couche (2) du mélange de polytétrafluoro-éthylène/noir de carbone. La couche chauffante (2) se trouve entre les deux rubans isolants (3). A une extrémité est soudée une couche isolante (4), tandis que l'autre extrémité montre les conducteurs métalliques nus pour l'alimentation en courant. REVENDICATION Câble plat chauffant à structure de stratifié à trois couches, constitué a) d'un ruban conducteur chauffant intérieur extrudé en pate à partir d'un mélange de polytétrafluoro-éthylène et de noir de carbone, fritté, et ayant une résistivité de 0,001 à 0,02L.m, une épaisseur de 40 à I00O et une largeur de 4 à 100 mm, portant aux bords extérieurs sur toute sa lon gueur des conducteurs métalliques insérés au moins partiellement dans la masse conductrice, et b) de deux rubans extérieurs isolants en polytétrafluoro éthylène, extrudés en pâte et frittés, qui sont un peu plus larges que le ruban conducteur chauffant, et disposés sur les deux surfaces dudit ruban conducteur, réunis avec ces surfaces et réunis entre eux le long des bords saillants, sous forme de stratifié, et dont une extrémité est éventuellement fermée par une couche isolante appliquée par soudage.