Brevet FR2327308A1 — publié le 19770506

La présente invention se rapporte à un procédé pour améliorer les propriétés lubrifiantes du polyfluorure de graphite et et et au nouveau produit ainsi obtenu. Dans la formule indi- quée, x représente le nombre moyen d'atomes de fluor fixés au carbone xx est voisin de 1) et n indiquant qutil s'agit d'un polymère (bidimensionnel dans ce cas). Les greffages chimique et mécanique de polymères ou de groupes fonctionnels organiques ou minéraux sur des substances solides sont connus. Ainsi, d'après Angew. Makromol. Chemie 2D, 31 (19l)), on a déjà greffé sur diverses charges solides des polymères afin d'améliorer de cette manière les propriétés des charges. Egalement, on a naturellement déjà mélangé des polymères avec des substances solides dans des buts d'utilisation les plus divers. Néanmoins,le polyfluorure de graphite n'a cependant jamais été traité jusqu'a présent suivant ces procédés. Le polyfluorure de graphite est utilisé principalement sous forme de poudre,et plus petites sont les particules du produit, plus élevée est leur surface spécifique.On a par conséquent, recherché constamment des possibilités d'améliorer les propriétés du polyfluorure de graphite. A ces possibilités appartiennent, par exemple,une amélioration de l'adhérence à des métaux, une amélioration de la formation d'un film de lubrifiant et un abaissement du eoef- ficient de frottement. L'objet principal de la présente invention est, par conséquent,d'améliorer les propriétés lubrifiantes du polyfluorure de graphite. Dans le procédé de la technique mentionnée ici, cet objet est maintenant atteint par le fait que l'on modifie la surface du polyfluorure de graphite,en greffant soit des polymères soit des groupes fonctionnels organiques ou minéraux > par voie chimique ou mécanique,d'une manière connue en soi, ou bien on mélange simplement le polyfluorure de graphite avec des polymères.1a surface du polyfluorure de graphite est ainsi modifiée avantageusement avec jus qu a 7 /f des substances mentionnées,et la modification des surfaces se produit préférentiellement avec 2 à 3 % en poids de ces substances. Pour le greffage chimique ou mécanique ou pour le simple mélange,on onutilise comme polymères avant tout des polymères de poly (éther isobutylvinylique),de polystyrène,de polysiloxane comme le polydiméthylsiloxane ou le polyméthylphénylsiloxane,de polytoluène, de polybenzyle,de polypyridine ou de polyméthacrylate de méthyle. Dans le greffage mécanique, les polymères peuvent entre également fabriqués in situ à partir de sites actifs produits au cours du broyage. Pour le greffage chimique de groupes fonctionnels organiques ou minéraux, on utilise suivant les cas : soit les fonctions chimiques superficielles résultant naturellement de la composition du produit,soit les fonctions chimiques superficielles résultant de la chimisorption d'impuretés ou de molécules fixées intentionnellement à la surface. Le greffage chimique ou mécanique ou le simple mélange peut entre également entrepris avec des combinaisons des composés mentionnés précédemment. Le traitement,selon la présente invention,du polyfluorure de graphite utilise les fonctions C-F normalement présentes et peut donc entre entrepris avec ou sans nettoyage préalable de la surface de ce produit.Un tel nettoyage se déroule,par exemple,par traitement du polyfluorure de graphite sous vide (10 6 Torr) à une température assez élevée (#500C).Un traitement de surface correspondant est,à vrai dire,préféré selon la présente invention,mais il n'est cependant en aucun cas exigé. Le greffage des restes ou des groupes mentionnés ici sur les surfaces du polyfluorure de graphite peut,comme on l'a déjà in diqué,#tre entrepris d'une manière connue en soi.Des polymères ou des groupes fonctionnels peuvent entre liés à la surface du polyfluo rure de graphite,par exemple,par réaction de transfert de polymères se développant par voie anionique,ou par activation mécanique en présence de monomères,par exemple durant le broyage fin.0n arrive également déjà à une certaine réaction (adsorption) lors d'un simple mélange du polyfluorure de graphite avec des polymères correspondants. Pour le greffage de restes organiques correspondants à la surface du polyfluorure de graphite, on mélange ce dernier avantageusement avec des solutions de polymères vivants,telles que des solutions de polystyrène.De telles solutions sont connues,par exemple, d'après Nature 178,1168 (1956) ou Makromol. Chem. )5,132 (1960). Elles se composent, par exemple,d'une solution d'un polystyrène formé suivant un mécanisme de croissance anionique,polymère qui dispose encore d'extrémités réactives de cha#nes,dans un solvant comme le toluène ou le tétrahydrofurane. De manière semblable à ce qu'on a indiqué ci-dessus,on peut faire également réagir le polyfluorure de graphite,par exemple avec du butyllithium.Dans ce cas,le reste butyle est fixé à la place d'un fluor,tandis que le cation lithium est éliminé sous forme de fluorure de lithium. La présente invention sera expliquée à l'aide des exemples suivants EXEMP 1 On fait réagir du (CFx)nsoigneusement dégazé, mis en suspension dans un mélange de toluène-tétrahydrofurane sec, avec du butyllithium (BuLi). Dans ces conditions, à la surface du (CFx)n,les atomes de fluor sont remplacés par les groupes n-butyle suivant la réaction Après réaction durant quelques heures, le produit est soigneusement purifié par lavage avec du solvant frais, de préfé rence à caractère polaire, pour éliminer le fluorure de lithium formé. Pour les essais de friction qu'on décrira ultérieurement, il est possible d'appliquer le produit directement à partir d'une suspension dans le solvant de lavage, ou après isolement et séchage. La couleur initiale du (CF,)nvarie d'un échantillon à l'autre suivant le taux de fluor24etpeut passer du blanc,pour x = l,au brun sombre, les couleurs intermédiaires étant des gris plus ou moins clairs; après réaction le produit est toujours noir et on n'observe pas de modification de la forme des particules à l'aide du microscope à balayage. Il est possible de déterminer par thermogravimétrie la quantité de restes butyles fixés afin d'obtenir la composition du (CFx)n. EXEPIPLG 2 Cet exemple est semblable à l'exemple 1, mais au lieu de faire réagir du butyllithium on fait réagir un composé lti-Poly- styrène, c 'est-à-dire un polymère "vivant" suivant la définition de Szwarc.Le polystyrène a un poids moléculaire de 10.000; ce poids est relativement faible et on peut s'attendre à obtenir des résultats bien meilleurs avec des poids moléculaires plus élevés. Dans une solution du polymère vivant préparé selon des procédés classiques en employant î5.î0-3 mole de BuLi et 150 g de monomère, on ajoute, sous une forte agitation de la poudre de (CFx)n (10 g) soigneusement dégazée et séchée sous vide. La quantité de (CFx)n est faible mais pourrait entre augmentée sans inconvénient. Après réaction pendant plusieurs heures, le produit est séparé. par décantation, éventuellement par centrifugation et lavé plusieurs fois avec du solvant frais (toluène puis tétrahydrofurane). t1 aspect du produit et sa composition donnent lieu aux mimes remarques que dans l'exemple 1. EXEMPLE 3 De manière analogue au procédé de l'exemple 2, on fait réagir (CFx)n avec un poly(méthacrylate de méthyle) "vivant" selon la définition de Szwarc. Pour contrôler la destruction des dernières traces d'eau dans le solvant, on ajoute Bull (7,5.10 ) mole) (ou du phényliso- propylpotassium) au mélange de solvants (toluène + THF) additionné de 1 c p de styrène. La fin de la consommation d'eau est marquée par ltapparition de la couleur rouge de l'anion styryle. On ajoute alors la quantité de catalyseur calculée. Comme l'anion styryle est trop réactif vis-à-vis des groupes esters, on évite le greffage de channes polystyrène sur les premières chaînes de poly(méthacrylate de méthyle) formées en diminuant son activité par réaction avec le diphényl-l,léthylène Ce composé ne se polymérise pas avec lui-même et la réaction s 'ar- reote à ce stade. On ajoute alors du méthacrylate de méthyle monomère (150 g) > dont la polymérisation, contrairement à celle du styrène, peut s'amorcer à partir de l'anion diphényléthylène. Au bout de deux heures, tout le monomère a réagi et on obtient un copolymère séquencé, composé d'une très courte channe de polystyrène et d'une longue chaîne de poly(méthacrylate de méthyle) ou poly çN, ce polymère ayant la structure suivante On greffe alors (CFx)n (10 g) et on purifie comme on l'a indiqué dans les exemples précédents, le produit obtenu présentant le même aspect et la même caractérisation. te poids moléculaire du polyméthacrylate de méthyle greffé est environ 20.000. EXEMPLE 4 Cet exemple fournit une modification du produit obtenu dans l'exemple 3, du fait qu'on hydrolyse la totalité ou une partie des groupements esters existant sur les channes de polyméthacrylate de méthyle greffées. Cette réaction d'hydrolyse est réalisée par chauffage du produit à 1000G dans un mélange de dioxane (50 ), d'eau (42 #o) et de H2S04 (8 ). On dégaze soigneusement le tout avant chauffage afin d'éviter des réactions de dégradation par oxydation. Cependant, par rapport aux simples mélanges de polymères avec (CFx)n, le greffage, c'est-à-dire la fixation chimique de polymère à la surface du lubrifiant, conduit à des résultats nettement meilleurs. Il est bien connu que les propriétés d'un lubrifiant solide dépendent autant de ses propriétés intrinsèques (structure lamellaire > forces de cisaillement faibles)que de ses propriétés superficielles (aptitude à former un film, énergie de surface, etc.) En modifiant uniquement sa surface > il est ainsi possible de changer le comportement d'un lubrifiant solide, sans modifier ses propriétés intrinsèques. C'est ce que montrent les essais décrits ciaprès, indiquant qu'une modification de surface est possible, en tratnant notamment une amélioration de la charge de rupture du film. Ces essais sont réalisés avec les produits dits Foracarb Cl 500 et CFXOO 25 disponibles à la société Ugine-Kulhmann, en utilisant la machine d'essai dite Almen-Wieland. Les résultats de ces essais seront expliqués en relation avec les dessins ci-joints où, sur les figures 1-9, on porte en abscisses la charge normale N et en ordonnées la force de frottement T. Utilisés à l'état brut, à sec, les produits testés donnent les résultats présentés sur la figure 1 se rapportant au Foracarb 50D, non modifié, sec. Ces produits se caractérisent par une rupture précoce du film, pour des charges relativement-faibles de 1000 kg pour le Foracarb 500. Ces charges sont aussi de 1000 kg pour le Foracarb 0025 (non représenté sur le graphique). Lorsque ces produits sont utilisés en suspension dans l'huile de paraffine, on obtient une faible amélioration: 1300 kg pour le Foracarb 00 25 et 1250 kg pour le Foracarb 500 (voir figures 2 et 3 se rapportant respectivement au Foracarb 00 25 et au Foracarb 500). Par contre, si on utilise du Cl 500 modifié par le procédé de l'exemple 1 (traitement au Buti conduisant à la fixation de reste - CH2-CH2-CH2-CH3 et de Li), il est possible d'atteindre la charge maxima de la machine, soit 2000 kg .(voir figure 4). On se reportera également à la figure 6, où le Foracarb 500, à l'état sec, est modifié par le procédé de l'exemple 1. Dans le cas du CFX 25, l'amélioration n'est pas si importante que pour le Foracarb 500 (1650 kg). On se reportera à la figure 5 où le produit Foracarb 0025 est en suspension dans l'huile de paraffine et a été modifié par le procédé de l'exemple 1. Dans le cas du Foracarb 0025 modifié par le procédé de l'exemple 2 (greffage de polystyrène), on obtient les résultats représentés sur la figure 7. On observe que la charge maxima (2000 kg) est atteinte et une modification de l'allure de la courbe avec une tendance à une diminution des forces de frottement pour des charges élevées. De plus, m#me à pleine charge (2000 kg) et pour des forces de frottement élevées (plus de 300 kg) (donc à des températures de surface élevées?, on n'a jamais observé de fluage dans le cas de (CF)X modifié ou non. La figure 8 représente le frottement à sec du produit Foracarb 0025 greffé du polyméthacrylate de méthyle (+) ou du polyacrylate de méthyle (.). Il y a une amélioration visible à sec. la présence de groupements acides devrait conférer une meilleure adhérence du produit et, par conséquent, une amélioration de la formation de film. A l'état sec, aucune amélioration n'est visible (voir figure 9). Par contre, en présence d'huile de paraffine, on constate, comme dans le cas du polystyrène, une amélioration du coefficient de frottement et une augmentation de la charge à la rupture. Suivant l'épaisseur du film,des coefficients de frottement encore plus faibles peuvent être obtenus, avec cependant une charge de rupture faible. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'#tre décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparartront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'amélioration des propriétés lubrifiantes du polyfluorure de graphite, caractérisé en ce qu'on modifie sa surface en greffant soit des polymères, soit des groupes fonctionnels organiques ou minéraux, par voie chimique ou mécanique, d'une manière connue en soi, ou en ce qu'on mélange simplement le polyfluorure de graphite avec des polymères. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on modifie la surface du polyfluorure du graphite avec jusqu'à 7 ss en poids des substances indiquées. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on modifie la surface du polyfluorure de graphite avec 2 à 3 ffi en poids des substances indiquées. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3J caractérisé en ce qu'on utilise comme polymères, pour# le greffage chimique ou mécanique ou simplement pour le mélange, du poly (éther isobutylvinylique), du polystyrène, du polydiméthylsiloxane, du polytoluène, du polybenzyle, de la polypyridine ou du polyméthacrylate de méthyle. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on utilise, pour le greffage chimique ou mécanique, en tant que groupes fonctionnels organiques ou minéraux, des composés organométalliques, des composés organohalogénés, du ou des composés organiques avec des liaisons insaturées activables. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à g, caractérisé en ce qu'on utilise, pour le greffage mécanique ou chimique ou pour le simple mélange, des combinaisons des composés mentionnés précédemment. 7 - Polyfluorure de graphite, caractérisé en ce que sa surface est modifiée soit par greffage chimique ou mécanique de polymères ou de groupes fonctionnels organiques ou minéraux, soit par simple mélange avec des polymères.