Brevet FR2460986A1 — publié le 19810130

L'invention concerne un revêtement amélioré de graphite pour un substrat de polymère. Il est intéressant, pour un grand nombre d'applications, d'imprégner un substrat de polymère, ou de le revêtir de graphite, ce qui lubrifie le compo- site et le rend conducteur. Les garnitures et joints constituent un champ d'application o les composites de graphite et de polymère sont particulièrement avan- tageux. Une garniture est un élément d'étanchéité qu'on utilise pour empêcher-ou réduire au minimum toute fuite entre deux composants d'un conteneur de fluide ou d'une pompe, lesdits composants pouvant subir un mouvement relatif. La garniture doit s'ajuster correc- tement à l'espace de garnissage, doit pouvoir résister aux conditions de température et de pression, doit n'être affectée que de façon négligeable par le fluide enfermé et doit être suffisamment flexible pour pouvoir s'adapter à différents degrés de déplacement longitudi- nal et/ou radial. Lorsqu'il ne se produit relativement aucun mouvement, c'est-à-dire seulement un mouvement peu fré- quent ou lent, comme dans les valves, les garnitures peuvent obturer sans fuites. Lorsqu'il se produit un mouvement rapide, réciproque ou rotatif, comme dans les pompes centrifugeuses, les garnitures doivent permettre le dégagement de faibles quantités continues, à tra- vers l'obturation. Un fonctionnement continu et effi- cace dépend du maintien de surfaces mouillées pour mi- nimiser l'accumulation de chaleur. Un joint courant d'arbre de transmission con- siste en une garniture composée de fibres ou filaments qui sont d'abord tissés, tordus ou tressés en tEQrons,. puis formés en enroulements, spirales ou anneaux,, in- sérés autour de l'arbre. s Je 8,, w 2 2460986 Un grand nombre de garnitures comportent un agent d'imprégnation incorporé qui, entre autres fonc- tions, agit comme lubrifiant primaire pour le démarrage et l'ajustement de fonctionnement. Durant ce temps, une certaine quantité du lubrifiant primaire est perdue. Une grande partie des garnitures tressées présentes ten- dent à fuir de façon excessive. Il en résulte que le lubrifiant primaire suinte, en causant un frottement, accompagné de formation de chaleur, ce qui constitue une cause principale de défaillance de la garniture; L'ajustement de fonctionnement des garnitures nécessite un réglage soigneux de la force de compression exercée contre la garniture et plusieurs réglages de cette sorte peuvent être requis. Sinon, les garnitures fuient de façon excessive ou encore, lorsqu'on exerce trop de compression, elles surchauffent et grippent les arbres rotatifs dans le joint, qui doivent donc être remplacés. En raison de son inertie chimique et biolo- gique, et de son onctuosité, le polytétrafluoréthylène (PFTE) a trouvé une large application comme matériau de garnissage dans l'industrie chimique, alimentaire et pharmaceutique. Un inconvénient que présente l'emploi du PFTE comme garniture de pompe, provient de ce qu'il est un bon isolant et n'écoule pas la chaleur produite pendant le fonctionnement aussi rapidement que cer- taines autres garnitures. On a tenté de résoudre ce problème en imprégnant le PTFE d'un bon conducteur thermique, qui soit aussi un lubrifiant. L'agent d'im- prégnation le plus fréquemment utilisé dans ce but est le graphite. Alors que l'imprégnation par le graphite améliore le transfert de la chaleur, d'autres problèmes proviennent de ce qu'un certain nombre de particules de graphite s'échappent du PTFE les contenant, et contami- nent le fluide transporté. Ces garnitures imprégnées de graphite souffrent aussi de l'inconvénient d'être mal- propres et salissantes à manier. Dès le début des années 1970 est apparue une nouvelle forme de PTFE qui présente la particularité de combiner une haute porosité avec une grande résistance. Le brevet des EUA NI 3 953 566 décrit son procédé de fabrication et le brevet des EUA NI 3 962 153 décrit des filaments poreux de grande résistance, qui conviennent particulièrement au tressage, au tissage ou à la torsion en garnitures. Les produits de ce dernier brevet peuvent être imprégnés de graphite et permettent de surmonter dans une certaine mesure, les problèmes indiqués ci-dessus, mais ils n'en fournissent cependant pas une solution com- plètement satisfaisante. Le mélange de la présente invention est formé de graphite, d'une dispersion de PFTE et d'un lubrifiant liquide d'une onctuosité suffisante pour permettre le cisaillement de la dispersion de PTFE. Les rapports suivants du mélange se montrent satisfaisants: à 45 parties de graphite; 15 à 60 parties de lubri- fiant liquide et 25 à 80 parties de la dispersion de PTFE contenant 60% de solides. On peut revêtir un substrat de fibres ou de filaments avec ce mélange et on peut appliquer au revêtement une force de cisaillement sans perte de graphite, c'est-à-dire au maniement ou à l'emploi. On désigne ci-après un substrat ainsi revêtu comme un substrat dénué de maculation. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, on emploie comme substrat un filament expansé de PTFE ou un filament expansé de PTFE rempli de graphite. L'invention permet d'obtenir un substrat dé- nué de maculation, qui est propre, c'est-à-dire dont le graphite ne se détache pas facilement par frottement pour contaminer d'autres matériaux. ) L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des exemples et dessins annexés qui représentent, à titre non limitatif, divers modes de réalisation suivant l'invention. Sur ces dessins: la figure 1 est un schéma représentant un procédé de fabrication en continu du produit de l'in- vention. Selon un trait caractéristique de l'invention, on obtient un produit nouveau par revêtement d'un fila- ment ou d'une fibre de polymère avec un mélange à trois composants. Il est surprenant de constater que l'on ne peut obtenir un tel produit si les composants du mé- lange sont appliqués sur le filament, successivement ou séparément. Les trois composants suivant l'invention sont une dispersion de poudre fine de PTFE, une poudre de graphite et un lubrifiant liquide, dont on peut pro- duire un mélange d'apparence homogène. On obtient les dispersions de poudre fine de PTFE par polymérisation de tétrafluoréthylène dans un liquide aqueux contenant un agent convenable de dis- persion. Les dispersions de PTFE préférables selon l'invention sont concentrées jusqu'à environ 60% en poids de solides. De tels produits sont vendus sous la déno- mination commerciale de "Fluon AD-1" par la Société "I.C.I. America". Le graphite est sous forme d'une poudre fine- ment divisée, qui, de préférence, a une dimension de particules dont 97% au minimum traversent un tamis de 0,044 mm (tamis de 325). Une poudre de graphite préfé- rable est vendue sous la dénomination commerciale de "Grade A-99" par la Société dite Ashbury Mills. Le lubrifiant liquide doit présenter une onc- tuosité suffisante pour permettre le cisaillement de la dispersion de PTFE. Le lubrifiant doit avoir une vis- 2460986 cosité cinématique d'environ 60.000 cSt ou moins. Dans les exemples qui suivent, on indique un grand nombre de lubrifiants liquides permettant de répondre à l'ob- jet de l'invention. Un liquide préférable est constitué par une silicone telle que le polydiméthylsiloxane vendu sous la dénomination commerciale de "Dow Corning 200" par la Société dite Dow Corning. Cette huile de silicone (Dow Corning 200) couvre une grande variété d'huiles de viscosités différentes. D'autres solvants convenant à l'invention sont celles vendues sous la dénomination com- merciale de "ISOPAR" par la société dite Exxon. Selon l'invention, on mélange ensemble les trois composants. Initialement, le graphite et l'huile de silicone ne se mélangent pas bien. Après une agita- tion suffisante, le mélange forme un fluide très noir qui a une apparence homogène. Lorsqu'on fait passer un filament à travers le mélange, le filament s'en trouve revêtu. Si on frotte le filament ainsi revêtu entre les doigts, ou si on le fait passer par-dessus une série de barreaux fixes, les particules de la dispersion de PTFE sont cisaillées et forment de fins fibrilles qui captent le graphite et lient fermement le mélange de PTFE-silico- ne-graphite au filament. L'eau introduite comme formant une partie de la dispersion de poudre fine de PTFE est soit expulsée pendant l'opération de cisaillement, soit ultérieurement éliminée par séchage. Au contraire, quand on traite consécutivement le filament par un mélange d'huile de silicone et de graphite, le filament se macule fortement par manipulation, même après avoir été retiré du mélange pendant une heure. Sans pouvoir donner l'ex- plication théorique de ce phénomène, et sans pour cela limiter l'invention, on peut supposer que le lubrifiant, dans le cas décrit, est nécessaire pour lubrifier le PTFE, tout en captant la poudre de graphite, permettant ainsi de produire un filament revêtu, non susceptible d'écail- lement ou de rupture de ses composants, qui est propre et d'un maniement aisé. Le substrat polymère utilisé de façon préfé- rable selon l'invention est le PFTE expansé, vendu sous la dénomination commerciale de "GORE-TEX" par la Société dite W.L. Gore & Associates Inc.; on peut cependant utiliser la suspension de l'invention avec d'autres subs- trats tels que des fibres de PTFE, de polyester, de polypropylène, de verre et d'amiante. L'invention n'est pas non plus limitée au revêtement de fibres. On peut appliquer la nouvelle composition de l'invention à d'autres substrats comme des pellicules, des barres et des tubes. L'invention est encore illustrée par les exem- ples pratiques suivants. Dans ces exemples tous les pourcentages et parties sont exprimés en poids, sauf men- tion du contraire. Lorsqu'on les rapporte à la dispersion de PTFE, on se réfère au poids total, comprenant l'eau de dispersion, qui contient 60% de solides. Exemple 1 - On prépare un mélange de 15,5 g de l'huile de silicone Dow Corning 200, d'une viscosité de 1000 cSt, de 11 g de la poudre de graphite A-99 et de 40 ml de la dispersion de PTFE AD-1, en mélangeant vigoureusement à la main jusqu'à ce que l'on obtienne une suspension très noire, de faible viscosité, semblable à un liquide. On trempe dans ce mélange une fibre expansée de PTFE-graphite, d'une densité d'environ 0,8 à 1,2 et d'une ténacité de- 0,7 à 1,2, et on fait pénétrer le mélange dans la fibre en frottant entre les doigts jusqu'à ce que l'on obtienne un revêtement cisaillé et lustré sur la fibre. On pro- duit ainsi une fibre propre, non maculée, ayant enrobé le graphite, le PFTE et la silicone. Exemple 2 - On mélange avec une spatule en bois 20 ml de dispersion Fluon AD-1 (représentant 17,9 g de PTFE), 11 g de graphite et 15,5 g d'huile de silicone (Dow Corning 200; 1000 cSt). Ce mélange contient, en poids, parties de graphite, 15 parties d'huile de silicone et 67 parties de dispersion de PTFE. C'est un mélange très peu épais dans lequel le graphite semble uniformé- ment dispersé. On trempe dans le mélange ci-dessus les é- chantillons, d'environ 305 mm, suivants: (a) un filament Gore-Tex, rempli à 50% de graphite, de 9600 deniers, vendu sous la dénomination commerciale de "Y096G4" par la Société dite W.Lo Gore & Associates Inc. (b) un filament Gore-Tex à 100% de PTFE pur, de 9600 deniers, vendu sous la dénomination commercia- le de "Y096T4" par la Société dite W. L. GORE & Asso- ciates Inc. (c) un filament Gore-Tex à 100% de PTFE, de 9600 deniers, vendu sous la dénomination commer- ciale de "Y096T0" par la Société dite Wo L. Gore & Associates Inc. On plonge chaque échantillon dans le liqui- de jusqu'à ce qu'il semble totalement ouvert. On re- tire alors l'échantillon et on cisaille le revêtement en faisant passer le filament, sous une pression légè- re, entre le pouce et l'index. Après un double trem- page et un double cisaillement, on laisse sécher les filaments à l'air pendant 24 h. L'examen des échantillons montre que ceux- ci sont uniformément revêtus et non maculés. Exemple 3 - On prépare un autre mélange comme dans l'exemple 2. Les composants sont présents dans les quantités suivantes: 11 g de graphite A99; 31 g d'huile de silicone (Dow Corning 200; 1000 cSt); et ml de Fluon AD-1. Ce mélange contient, en poids, 18 parties de graphite, 52 parties d'huile de silico- ne et 50 parties de dispersion de PTFE. Les trois filaments sont à nouveau trempés deux fois, cisaillés deux fois et séchés à l'air pendant 24 h. On constate qu'ils sont uniformément revêtus et non maculés. Exemple 4 - On prépare un mélange comme dans l'exemple 1, les composants étant présents dans les quantités suivantes: 11 g de graphite A-99; 31 g d'huile de silicone (Dow Corning 200; 1000 cSt); et 10 ml de la dispersion Fluon AD-1. Ce mélange contient, en poids, 22 parties de graphite, 61 parties d'huile de silicone et 30 parties de dispersion de PTFE. Avec ces rapports des composants, le mélange obtenu est très épais et a presque la consistance d'une pâte. Les trois échantil- lons sont revêtus comme dans l'exemple 1. Le revête- ment obtenu est uni et non maculé. Ces échantillons sont d'apparence plus huileuse que les précédents. Exemple 5 - On prépare un mélange comme dans l'exemple 1, les composants étant présents dans les quantités suivantes: 11 g de graphite A-99; 15,5 g d'huile de silicone (Dow Cornin 200; 1000 cst); et 40 ml de dispersion de Fluon AD-1. Ce mélange contient, en poids, 18 parties de graphite, 25 parties d'huile de silicone et 95 parties de dispersion de PTFE. Un é- chantillon, d'environ 305 mm, de Y096G4 est revêtu de ce mélange comme dans l'exemple 1. Après séchage à l'air pendant 24 h, l'échantillon est revêtu de façon uniforme et non maculé. Exemple 6 - On prépare un mélange comme dans l'exemple 1, les composants étant présents dans les quantités suivantes: 11 g de graphite A-99; 15,5 g d'huile de silicone (Dow Corning 200; 1000 cSt); et 5 ml de dispersion Fluon AD-1. Le mélange contient, en poids: parties de graphite, 50 parties d'huile de silicone, et 25 parties de dispersion de PFTE. Le mélange obtenu est une pâte très épaisse. Un échantillon de Y096G4 est recouvert de façon satisfaisante, comme décrit dans l'exemple 1 et on constate que le revêtement est uni et dénué de maculation. Exemple 7- On prépare un mélange comme dans l'exemple 1, les composants étant présents dans les quantités suivan- tes: 11 g de graphite A-99; 5 g d'huile de silicone (Dow Corning 200; 1000 cSt); et 10 ml de dispersion AD-1. Le mélange contient, en poids: 44 parties de graphite, parties d'huile de silicone et 60 parties de disper- sion de PTFE. Le mélange est une pâte épaisse comme dans l'exemple 6. On forme un revêtement uni, dénué de maculation, sur un échantillon de Y096G4 suivant le processus de l'exemple 1. Exemple 8 - On prépare un mélange comme dans l'exemple 1, les composants étant présents dans les quantités sui- vantes: 11 g de graphite, 10 ml du solvant d'hydrocar- bure vendu sous la dénomination commerciale d"'Isopar K" par la Société dite Exxon Corporation et 10 ml de dis- persion AD-1. Le mélange contient, en poids, 40 parties de graphite, 28 parties d'huile d'hydrocarbure et 53 parties de dispersion de PFTE. Le mélange produit est liquide et on traite un échantillon de Y096G4 pour obte- nir un revêtement uni, dénué de maculation, suivant le processus de l'exemple 1. Exemple 9 - On mélange 1,25 kg de graphite A-99, 1,86 kg d'huile de silicone (Dow Corning 200) et 1,25 kg de dispersion Fluon AD-1, en utilisant un mélangeur manuel pour produits alimentaires; on produit ainsi un mélange liquide dans lequel le graphite semble uniformément dispersé. Le mélange contient, en poids, 28 parties de graphite, 43 parties d'huile de silicone et 48 parties de dispersion de PTFE. On traite par ce mélange, com- me décrit dans l'exemple 1, les échantillons suivants (a) une fibre de polyaramide, vendue sous la dénomination commerciale de "Kelvar" par la Société dite E.I. du Pont de Nemours & Co Inc. (b) une fibre de polyamide, vendue sous la dénomination commerciale de "Nomex" par la Société dite E. I. du Pont de Nemours & Co Inc; (c) un fil à coudre de polypropylène, vendu par la Société dite The Bemis Company Inc. (d) une fibre de la combinaison amiante/PTFE, vendue par la Société dite The Raybestos Company. (e) une feuille expansée de PTFE, vendue sous la dénomination commerciale de "Gore-Tex". Dans tous les cas, on produit un revêtement uni, sans maculation, sur les substrats. Exemple 10 - On essaie de préparer un mélange comme dé- crit dans l'exemple 1, les composants étant présents dans les quantités suivantes: 11 g de graphite A-99, 15,5 g d'huile de silicone de viscosité 40.000 cSt, également vendue sous la dénomination commerciale de Dow Corning et 40 ml de Fluon AD-1. On traite un échantillon de Y096G4 par-le mélange pour obtenir un revêtement uni, sans maculation, suivant le processus de l'exemple 1. Exemple comparatif 1 - On prépare un mélange de deux composants, en mélangeant 11 g de graphite A-99 et 20 ml de dispersion Fluon AD-1. On mélange à la main, pour obtenir un liquide très peu épais dans lequel le graphite semble uniformément dispersé. On traite les trois échan- tillons de l'exemple 1 par ce mélange, comme décrit dans l'exemple 1. Après séchage à l'air pendant 24 h, le re- vêtement des échantillons est inégal et présente une ma- culation de graphite. Exemple comparatif 2 - On prépare un mélange à deux com- posants, comme dans l'exemple comparatif 1. Les compo- sants sont présents dans les quantités suivantes: 11 g de graphite A-99, et 40 ml de dispersion de Fluon AD-1. On traite les trois échantillons comme dans l'exemple 1 et le revêtement formé est inégal et maculé. Exemple comparatif 3 - On prépare un mélange à deux com- posants comme dans l'exemple comparatif 1. Les compo- sants sont présents dans les quantités suivantes: 22 g de graphite A-99 et 10 ml de dispersion de Fluon AD-1. Il en résulte un mélange qui s'émiette, impropre à la formation d'un revêtement. Exemple comparatif 4 - On tente de préparer un mélange comme décrit dans l'exemple 1. Les composants sont pré- sents en quantités de 11 g de graphite A-99, 15,5 g d'huile de silicone de viscosité de 60.000 cSt (Dow Corning 200) et 40 ml de dispersion de Fluon AD-1. On ne peut obtenir un mélange utilisable. La figure 1 représente un appareil utilisé pour la production 'du produit de l'invention en lon- gueurs continues. On introduit un substrat 18 à revê- tir dans un récipient contenant un mélange 2, à trois composants, préparé comme dans l'exemple 1. En quittant le récipient, le substrat 18 passe entre deux rouleaux 4 et 6 de cisaillement. Le rouleau 6 est en caoutchouc et le rouleau 4 est en acier. On fait ensuite passer le substrat dans un récipient 10 contenant de l'huile de silicone (Dow Corning 200), puis, à la sortie, entre deux rouleaux pinceurs 12 et 14 en caoutchouc. Finalement le subs- trat est enroulé sur un rouleau de stockage 16. Un rouleau motorisé d'entraînement 8, en coopération avec le rouleau de stockage 16, entraîne le substrat à travers le dispositif. La raison du passage à travers le bain d'huile de silicone dans le procédé en continu provient de ce qu'on trempe dans l'huile un grand nombre de gar- nitures et de fibres de garnissage, comme mesure de rou- tine pour favoriser le processus d'ajustement au démar- rage. Bien entendu l'invention n'est nullement li- mitée aux exemples décrits et elle est susceptible de 1 1 12 2460986 nombreuses variantes, selon les applications envisagées, sans qu'on s'écarte pour cela de son esprit. REVENDICATIONS 1) Composition de revêtement d'aspect homogène caractérisée en ce qu'elle comprend un mélange de (a) 15 à 45 parties de graphite; (b) 15 à 60 parties d'un lubrifiant liquide; et (c) 25 à 80 parties d'une dispersion de poudre fine de PTFE contenant environ 6Oy de solides. 2) Composite selon la revendication 1, caracté- risée en ce que le lubrifiant liquide est une huile de silicone. 3) Composition selon la revendication 1, carac- térisée en ce que le lubrifiant liquide est un hydrocar- bure solvant. 4) Procédé d'enduction d'un substrat polymère d'un revêtement de graphite dénué de maculation, carac- térisé en ce que: (a) on trempe le substrat polymère dans une composition selon l'une des revendications 1 à 3, d'ap- parence homogène. (b) on applique une force de cisaillement au revêtement sur le substrat enduit; et (c) on sèche le substrat enduit et cisaillé. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on effectue l'opération d'enduction en trempant le substrat dans la composition de revêtement. 6) - Substrat polymère enduit, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat et un revêtement uni, sans maculation, d'une composition selon la revendication 1. 7) Substrat polymère selon la revendication 6, caractérisé en ce que le lubrifiant liquide est selon l'une des revendications 2 et 3. Substrat polymère selon l'une des revendica- 8) tions 6 et 7, caractérisé en PTFE. ce que le polymère est du 9) tions 6 du PTFE Substrat polymère et 7, caractérisé en expansé. selon l'une des revendica- ce que le polymère est ) Substrat polymère tions 6 et 7, caractérisé en polypropylène. 11) Substrat polymère tions 6 et 7, caractérisé en polyamide. 12) Substrat polymère tions 6 et 7, caractérisé en polyarimide. 13) Substrat polymère tions 6 à 12, caractérisé en matériau de garnissage. selon l'une des revendica- ce que le polymère est du selon l'une des revendica- ce que le polymère est un selon l'une des revendica- ce que le polymère est un selon l'une des revendica- ce qu'on le tresse en un