Brevet FR2426194A1 — publié le 19791214

La présente invention concerne des joints d'étanchéification à l'égard de fluides, en particulier des joints pour arbres. Les joints d'arbres ordinaires comprennent une pièce extérieure de maintien en un caoutchouc dur renforcé par un métal, qui est placée dans un logement , et, solidaire de cette pièce, une pièce intérieure en caoutchouc formant le joint, qui s'applique et porte contre un arbre ou axe rotatif pour empêcher les fuites. Un gros inconvénient de ce type de joint est la difficulté qu'il y a à produire la pièce de maintien renforcée par un métal, principalement du fait qu'une bonne liaison entre le métal et le caoutchouc est souvent difficile à réaliser. Un autre inconvénient est qu'il est en général nécessaire d'étampeur oud'edboutir une plaque du métal pour former le renforcement métallique, ce qui entraine des déchets et pertes du métal et un gaspillage de celui-ci. La présente invention a pour objet d'éviter la présence du renforcement métallique et de pouvoir ainsi fabriquer un joint plus simple et moins cher. Mais cela n'est pas facile à réaliser en raison des conditions rigoureuses qui sont imposées aux joints pour fluides, qui doivent pouvoir se loger dans un boîtier, mais à force (le diamètre intérieur du boltier devant donc être inférieur au diamètre extérieur du joint) de manière à y être fermement maintenu en place dans toute la gamme des températures possibles, en présence de lubrifiants, par exemple d'huiles, gamme qui dépend du dispositif dans lequel le joint doit être employé, mais qui peut être par exemple de 20 à 1500C dans le cas d'un véhicule à moteur. La présente invention a pour objet un joint d'étanchéification à l'égard de fluides, qui comprend une pièce de maintien et, solidaire de cette pièce, une pièce constituant le joint proprement dit, joint caractérisé en ce que la pièce de maintien comprend une composition de caoutchouc vulcanisée contenant des fibres orientées périphériquement et une résine thermo-durcie. Par fibres orientées périphériquement on entend ici qu'en attribuant la direction Oo d'angle à la direction périphérique et en mesurant l'angle formé entre chaque fibre et cette direction, à peu près toutes les fibres sont comprises dans un angle de + 300, de préférence de + 200. "Orientées périphériquement" signifie naturellement que les fibres sont orientées dans une direction périphérique, mais pas nécessairement sur le pourtour du joint lui-mème. La présente Demanderesse a en effet trouvé que les joints dans lesquels les fibres étaient orientées à peu pres périphériquement (c'est-à-dire dans une direction circonférentielle (collier) dans le cas d'un joint ordinaire du type annulaire), d'une manière surprenante, résistaient beaucoup mieux aux compressions axiales et qugils étaient beaucoup mieux maintenus dans leur logement que les joints dans lesquels les fibres étaient orientées au hasard, radialement ou axialement. De préférence, le module d'Young de la pièce de maintien ainsi formée devra être au moins le double de la valeur qu'il aurait eue si l'orientation des fibres avait été perpendiculaire à la direction qu'elles ont en fait .La pièce de maintien peut comprendre éventuellement un anneau ou tore bicylindrique de compositions de caoutchouc dont les fibres sont différemment orientées, par exemple une composition de caoutchouc extérieure dans laquelle les fibres sont orientées circonférentiellement et une composition de caoutchouc intérieure dans laquelle les fibres sont orientées axialement.On choisira de préférence des fibres ayant un module 2 d'Young supérieur à 1 GN/m Des exemples de compositions caoutchouteuses appropriées sont celles à base de copolymères butadiène/acry- lonitrile , de polyacrylates, d'élastomères fluorés et de caoutchoucs de silicones, mais de préférence la composition de caoutchouc devra résister aux huiles lubrifiantes. Des exemples de résines thermodurcissables pouvant être employées pour les pièces de maintien selon la présente invention sont les résines phénoliques, les résines résor- cinol/formaldéhyde etles résines époxydes, et l'on peut-employer pour faire les présents joints aussi bien les matières formant la résine que des résines partiellement condensées ou des résines condensées. De préférence la résine n'offrira pas une thermoplasticité notable dans le joint lorsque celui-ci est soumis à des contraintes à de hautes températures, et de préférence aussi elle ne formera pas de sous-produits pouvant entraîner des défauts importants du joint, par exemple des quantités excessives de gaz, d'eau etc...La proportion de la résine thermodurcie dans la composition de caoutchouc vulcanisée sera de préférence de 25 â 300 parties en poids pour 100 parties de caoutchouc sec, mieux encore de 100 à 200 parties pour 100 parties de caoutchouc sec, et de préférence, à part cette résine thermodurcie, les ingrédients de vulcanisation ordinaires, en particulier par exemple le soufre, sont supprimés de la composition de la pièce de maintien. Des fibres appropriées sont par exemple des fibres discontinues telles que des fibres coupées de 0,1 à 6 mm de longueur ou plus, de préférence de 0,1 à 3 mm, et dont le rapport d'aspect ( rapport longueur : épaisseur) est compris entre 20 et 350. Le mot "fibre" est employé ici dans son sens technique ordinaire désignant un élément de matière carac terse par sa souplesse, sa finesse et un haut rapport d'aspect. La proportion de fibres sera de préférence d'au moins 25 parties et jusqu'à 200 parties en poids, mieux encore d'au moins 25 parties en poids, pour 100 parties en poids de caoutchouc sec. Des exemples de fibres utilisables sont des fibres synthétiques, par exemple de nylon ou de polyesters, des fibres minérales, par exemple de verre ou d'amiante, des fibres de cellulosesrégénérées, par exemple de rayonne , ou de celluloses non régénérées. On choisira particulièrement des fibres ayant subi un traitement chimique destiné à améliorer leur liaison au caoutchouc, par exemple les fibres cellulosiques non régénérées et qui ont été traitées chimiquement, fabriquées sous l'appellation Santoweb par Monsanto Limited. La composition de la piece de maintien peut comprendre des additifs, par exemple une charge comme des fibres de verre, du mica, du talc, du kaolin ou du noir-de carbone, c3t/OU un antioxydant. Les joints selon la présente invention peuvent être fabriqués par moulage, par exemple par injection, transfert ou compression, d'une composition de caoutchouc vulcanisable contenant une résine thermodurcissable et les fibres, a la forme voulue, puis vulcanisation de la composition. Mais il est préférable d'opérer un moulage par compression, ce qui peut se faire par extrusion à travers une étroite matrice a bandes de manière que les fibres soient orientées en direction sensiblement axiale, puis de réunir les deux extrémités de la bande pour former un anneau ou tore qui formera la pièce de maintien du joint final et dans lequel les fibres ont alors une orientation sensiblement périphérique.Cet anneau peut être ensuite vulcanisé dans un moule au contact d'une composition destinée à former le joint proprement dit, qui sera avantageusement aussi une composition de caoutchouc vulcanisable. Une autre méthode consiste à former un bicylindre concentrique allongé dont le cylindre intérieur est une composition convenant pour la pièce d'étanchéification proprement dite du joint et le cylindre extérieur (pièce de maintien) est une composition de caoutchouc contenant la résine et les fibres de renforcement et dans laquelle les fibres ont l'orientation voulue pour le joint final. On peut ensuite en couper des longueurs déterminées et les consolider dans un moule pour obtenir la forme de joint voulue dans une vulcanisation à la presse. Des modes d'exécution de la présente invention seront maintenant décrits à titre de simples exemples,';- avec références aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe d'un joint selon l'invention, et la figure 2 est une vue en coupe de la pièce de maintien d'un joint, à deux composants. Sur la figure 1 on voit que le joint comprend une pièce de maintien 1 et, solidaire de celle-ci, une pièce d'étanchéification constituant le joint proprement dit. La pièce de maintien I comprend une composition de caoutchouc vulcanisée contenant une résine thermodurcie et des fibres orientées circonférentiellement, et elle est réunie en 3 au joint proprement dit 2 qui comprend aussi une composition de caoutchouc vulcanisée et qui comporte un évidement 4 dans dans lequel vient se loger un ressort lorsque le joint est mis en service. On voit par ailleurs sur la figure 2 que la pièce de maintien comprend deux composants, une composition 5 contenant des fibres orientées circonférentiellement et une composition 6 contenant des fibres orientées axialement. Cette invention est encore illustrée par les exemples suivants qui décrivent diverses compositions pour la pièce de maintien du joint, et dans lesquels toutes les parties de matières indiquées sont des parties pondérales. Dans l'exemple 1, les compositions A et B, qui sont données à titre comparatif, ne font pas partie de l'invention. EXEMPLE 1 : On prépare des compositions vulcanisables d'un caoutchouc de copolymère butadiène/acrylonitrile d'après les formules suivantes A B C Copolymère caoutchouteux 100 100 100 butadiène/acrylonitrile (produit Krynac 3435 de Polymer Corporation) Noir de carbone N550 (FEF) 75 75 75 (Noir de four pour extrusion rapide) Talc 80 80 80 Hexamethylène tétramine 4 8 8 Stéarate de zinc 4 4 4 Flectol H (de Monsanto) 2 2 2 Resimene 3520, hexaméthoxyméthyl mélamine - - 2 Disulfure de 2,2'-benzothiazyle (MBTS) 2 2 2 Soufre 1,5 1,5 1,5 Résine phénolique (Cellobond Resin J1114W sde B.P.) 50 100 100 Fibres cellulosiques non régé néréis traitées chimiquement (Santoweb k) - - 50 Ces compositions sont préparées dans un Plastograph Brabender à une température de l'huile de circulation de 1200C et après avoir incorporé tous les Ingrédients on adopte un programme de mélange courant de 2 minutes à 50 t/mn.Elles Sont ensuite refondues sur un broyeur de 150 x 75 mm et retirées sous forme de feuilles de 2 à 3 mm d'épaisseur. On procède à une série de 4 passes dans chaque direction entre les cylindres pour orienter les fibres axialement dans le cas de la composition C qui en contient. Chaque échantillon est ensuite moulé autour d'un noyau ou coeur cylindrique en polytétrafluoroéthylène dans un moule, puis il est chauffé sous pression à 1600C pendant 30 minutes pour vulcaniser le caoutchouc Ainsi, lorsqu'il y a des fibres, celles-ci sont orientées à peu près circonféren- tiellement. Les noyaux sont ensuite retirés des échantillons cylindriques formés. Pour essayer ces joints on les fait rentrer à force par pression dans des boîtiers annulaires en acier et aluminium dont le diamètre intérieur est inférieur de 0,3 mm au diamètre extérieur du joint, en mesurant la force nécessaire pour les faire rentrer sur une presse à main N.T. Avery. Les ensembles sont ensuite chauffés en étuve à IOOOC pendant 24 heures pour déterminer et supprimer tout retrait éventuel dû à une vulcanisation résiduelle ou à une perte d'humidité et dematieres volatiles, après quoi on détermine la force pour retirer les joints de leur boîtier, également avec la presse Avery. Le retrait est la réduction de diamètre extérieur après l'essai, par rapport au diamètre extérieur initial.Les résultats obtenus sont les suivants Formule Force pour faire Force pour retirer Retrait rentrer le joint le joint mm (kg > (kg) 24 heures 100 heures 900C 900C A 38,5 0 - 0,3 B 63,5 3,2 - 0,3 C 72,5 16 11 0,2 Des joints fabriqués avec la composition C, mais avec les fibres orientées en direction radiale ou axiale, perdent toute résistance à l'extraction après qu'ils ont été chauffés à 900C pendant 4 heures EXEMPLE 2 :: On prépare d'après la formule suivante des compositions vulcanisables d'un caoutchouc de copolymère butadleneXacrylonitrile, avec diverses orientations des fibres Copolymère butadiène/acrylonitrile 100 (Krynac 3435) Cellobond J1114W (de B.P.) 100 Noir de carbone N550 (FEF) 75 (Noir de four pour extrusion rapide) Talc 80 Hexaméthylène tétramine 8 Resimene 3520 2 Résine de bromométhyl-p-isooctyl-phénol et de formaldéhyde (SP1055 Schenectady Midland) 10 Santoweb K 50. La composition est préparée dans un Plastograph Bradender à une température de l'huile de circulation de 1200C et après que tous les ingrédients ont été incorporés on adopte un programme de mélange courant de 2 minutes à 50 t/mn. La composition est refondue sur un broyeur de 150 x 75 mm et elle en est retirée sous la forme d'une feuille de 2 à 3 mm d'épaisseur. On procède a une série de 4 passes entre les cylindres, dans chaque direction, pour orienter les fibres axialement, puis on en moule des échantillons autour d'un noyau cylindrique suivant l'orientation finale voulue pour les fibres et on chauffe à la presse pendant 30 minutes à 1600C pour vulcaniser le caoutchouc, le noyau étant ensuite retiré de chaque joint. On essaie les joints en les faisant rentrer à force dans des boltiersannulairesappropriés avec une différence initiale de 0,3 mm entre le diamètre intérieur du bottier et le diametre extérieur du joint, et en les chauffant à 900C dans de l'huile Esso multigrade lOW30. Les résultats sont les suivants Orientation des fibres Force pour faire Force pour reti rentrer le joint rer le joint (N) (N) 24 heures 96 heures 900C 900C Circonférentielle 400 53 53 Axiale 360 4 0 sCirconférentielle à 378 13 13 l'extérieur et axiale l'intérieur *Axiale à l'extérieur 458 80 49 et circonférentielle à l'intérieur Anneaux bicylindriques comprenant une composition d'une orienta tion qui entoure une composition dans laquelle l'orientation est différente. REVENDICATIONS 1.- Joint d'étanchéification à l'égard de fluides, qui comprend une pièce de maintien (1) et, solidaire de cette pièce, une pièce (2) constituant le joint proprement dit, joint caractérisé en ce que la pièce de maintien (1) comprend une composition de caoutchouc vulcanisée contenant des fibres orientées périphériquement et une résine thermodurcie. 2.- Joint-selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a une forme annulaire et les fibres sont orientées circonferentiellXment. 3.- Joint selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce que la pièce de maintien (1) contient des fibres qui sont à peu près toutes comprises dans un angle de + 20 par rapport à la direction périphérique. 4.- Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les fibres sont des fibres discontinues. 5.- Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que pièce de maintien (1) contient au moins 25 parties en poids de fibres pour 100 parties en poids du caoutchouc sec. 6.Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la pièce de maintien (l) contient jusqu'à 100 parties en poids de fibres pour 100 parties du caoutchouc sec. 7.- Joint selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que la pièce de maintien (1) contient jusqu'à 200 parties en poids de fibres pour 100 parties de caoutchouc sec. 8.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres ont une longueur de O,1 à 6 mm. 9-- Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les fibres ont une longueur de 0,1 à 3 mm. 10.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres ont un rapport d'aspect compris entre 20 et 350. 11.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres comprennent ou sont des fibres de cellulose non régénérée. 12.- Joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les fibres comprennent ou sont des fibres de verre. 13.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fibres ont subi un traitement chimique préalable destiné à améliorer leur liaison au caoutchouc. e 14.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résine est choisie parmi une résine phénolique, une résine résorcinol-formaldéhyde et une résine époxyde. 15. Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce que la proportion de la résine est de 20 a 300 parties pour 100 parties en poids de caoutchouc sec. 16.- Joint selon l'une quelconque des revendications 1 a 14, caractérisé en ce que la proportion de la résine est de 100 à 200 parties en poids pour 100 parties de caoutchouc sec. 17.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce de maintien (1) ne contient pratiquement pas de soufre. 18.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition de caoutchouc vulcanisée résiste aux huiles. 19.- Joint selon la revendication 18, caractérisé en ce que le caoutchouc comprend ou est un copolymère butadiène/ acrylonitrile. 20.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce de maintien (1) a un module d'Young au moins égal au double de la valeur qu'il aurait si l'orientation des fibres était perpendiculaire à l'orientation qu'elles ont en fait. 21.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce de maintien (I) comprend deux composants dont Itun contient des fibres orientées périphériquement (5) et l'autre des fibres ayant une orientation différente (6) 22.- Joint selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'orientation différente de ltoríentation périphérique est une orientation sensiblement axiale. 23.- Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui est un Joint dXarbre.