Brevet FR2476841A1 — publié le 19810828

La présente invention concerne un procédé de transformation des caractéristiques physiques d'un matériau. Des études de physique, faites tant sur le plan théorique que pratique, ont montré que les caractéristiques physiques et physico-chimiques d'un matériau dépendaient de la vitesse ou de la variation de vitesse de refroidissement du matériau lors de son passage entre un état fondu ou pâteux et un état solide, qu'il s'agisse de matériaux à structure cristalline ou amorphe. Par exemple : la résilience du polycarbonate devient nulle à très faible vitesse de refroidissement. D'autre part la transparence des matériaux semi-cristallin dépend largement du degré de refroidissement. En règle général, les contraintes thermiques induites dépendent de la vitesse lors du changement d'état. Dans un cas, la température de transition est appelée "température de solidification", et, dans l'autre cas, il s'agit de la température de transition vitreuse. Les études, faites jusqu'à présent, en laboratoires, ont consisté à travailler à pression constante et à modifier la vitesse de refroidissement du matériau en isolant celui-ci ou en accélérant son échange de chaleur vers l'extérieur. Des essais en laboratoire permettent de tracer, point par point, les courbes donnant la température de transition, telle que la température de solidification de transition vitreuse en fonction d'un paramètre physique tel que la pression. Or, les procédés connus consistant à modifier l'échange de chaleur entre le matériau en cours de refroidissement et l'extérieur, sont limités par des impératifs de transfert de chaleur, de conduction, de convexion, etc ... qu'il n'est pas toujours possible de modifier de façon importante pour faire varier ia rapidité de l'échange de chaleur ou la variation de température dans des limites suffisantes pour influencer les caractéristiques physiques du matériau lorsque celuici est de nouveau a' la température ambiante. La présente invention se propose de créer un procédé permettant de modifier, de façon contralée2 la variation de vitesse de changement de température d'un matériau en cours de refroidissement, en agissant, de façon independantee sur la variation de la température de transition a l'aide dgun des paramètres qui influencent eelle-ei, A cet effet, l'invention concerne un procédé pour modifier les caractéristiques physiques et physico-chimiques d'un matériau par refroidissement de ce matériau entre un état fondu, pâteux et un état solide (cristallin ou amorphe) par abaissement de température, procédé caractérisé en ce qu'on relie la variation de température et la variation d'au moins une autre variable physique (pression, fréquence de vibration, amplitude de vibration, tension et intensité d'un champ électrique) par une relation choisie en fonction des caractéristiques que doit présenter le matériau, cette variation de température et des variables, en fonction du temps, étant définie par rapport à la courbe qui détermine la température de transition en fonction du dit paramètre. La présente invention sera décrite plus en détail a l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un graphique illustrant l'influence de la variation de la vitesse de refroidissement sur l'état final du matériau après refroidissement. - la figure 2 est un graphique donnant la variation de volume spécifique en fonction de la température à différentes pressions. - la figure 3 est un graphique donnant la variation de la température de transition en fonction d'un paramètre physique. - la figure 4 est un graphique général illustrant le procédé selon l'invention. Comme indiqué dans le préambule, il est connu que les caractéristiques physiques des matériaux varient en fonction du traitement qu'ils subissent par exemple de la vitesse de refroidissement entre un état liquide et un état solide. A titre d'exemple, on examinera ci-après deux cas de variation correspondant à la variation du volume spécifique d'un matériau en fonction de la température. Dans le premier cas (figure 1), on obtient des parties de courbes différentes suivant la rapidité du refroidissement. Dans l'autre cas (figure 2), l'ensemble des courbes est différent suivant la pression fixe à laquelle s'étudie la variation. La transition est elle-meme fonction de la pression appliquée. Les courbes-de la figure 2 représentent la variation du volume spécifique (inverse de la densité) d'un matériau en fonction de la température, lorsque le matériau est soumis à trois pressions distinctes P1, P2, P3, ces pressions étant croissantes. Les trois courbes montrent nettement que, pour les températures élevées, la variation du volume spécifique est plus forte que pour les températures faibles, les deux parties de chaque courbe à pression constante se rejoignant en un point définis- sant la transition Mll, M12, M13 correspondant respectivement aux températures de transition Tg (P1), Tg (P2)7 Tg (P3). Donc il est possible d'étudier la variation point par point de la transition en fonction d'un paramètre, dans ce cas Tg en fonction P. Le graphique de la figure 1 montre la variation du volume spécifique V en fonction de la température T pour une pression donnée. La courbe obtenue sans action sur la variation de température pour l'accélérer ou la ralentir se compose comme précédemment de deux parties C12 C2 qui se rejoignent au point de transition M14. Si l'on accélère-le -refroidissement, l'Evo- lution se fait non pas suivant la courbe C2 mais suivant la courbe C3 à partir du point M15. La transition est donc ellemême dépendante de la variation de vitesse de -refroidissement. Le graphique de la figure 3 représente la courbe C donnant la temperature de transition Tg en fonction d'un paramètre physique x. Cette température de transition est la température de solidification dans le cas d'un matériau se solidifiant suivant une structure cristalline ou la température de trans i- tion vitreuse dans le cas d'un matériau amorphe ou encore toute autre transition du type secondaire dans le cas d'un matériau présentant des particularités physico-chimiques distinctes de part et d'autre de cette transition secondaire, la courbe C a été tracée point par point, la variable x constituant en fait un paramètre. Selon le graphique, la courbe-C sépare une région supé- rieure correspondant aux températures élevées. Dans cette région au-desssus de la courbe C, le matériau est à un état E1. En-dessous de la courbe C, le matériau est à un état E2. Pour l'établissement de la courbe C selon les études, le passage entre l'6tat El et l'état E2 se fait en restant à une valeur eonstante du paramètre x, c'est-à-dire en travaillant sur une droite D1 parallèle à l'axe des températures. Cette droite D1, correspondant au paramètre xl, coupe la courbe au point M En un point M', situé au-dessus du point Ml, le matériau est à l'état E1 ; en un point M", situé en-dessous du point M1, le matériau est à l'état E2. Le passage entre les états M', M" se fait par abaissement de la température. Selon les études connues, la courbe C a été tracée en choisissant une série de valeurs xl, x2 ... pour le paramètre X et en recherchant chaque fois le point de transition M1, M2 en travaillant sur des droites verticales D1, D2 ... correspondant à des paramètres xl, x2 ... A chaque point de transition M1 correspond une température de transition Tg (x1). Le point M1 pouvant être lui-meme dépendant de la vitesse de refroidissement (voir figure 1), c'est-à-dire de la vitesse sui vant laquelle est parcouru l'intervalle M', M", il est également nécessaire de connaître les familles de courbe (C) correspondant à des vitesses différentes de refroidissement. Dans la plupart des cas, le paramètre physique x est la pression. Des études ont également été faites en laboratoire pour utiliser comme paramètre une fréquence de vibration (mécanique, électrique ou électromagnétique), et l'amplitude (ou intensité) de la vibration. Dans ces divers cas, la forme de la courbe de transition est de meme nature, c'est-à-dire que la courbe sépare nettement l'état E1 de l'état E2 sans présenter de boucle, de point de rebroussement, etc ... Une autre caractéristique commune à toutes les courbes C est que celles-ci sont croissantes en fonction de la croissance des paramètres si ces courbes ne sont pas croissantes, il est possible de choisir une représentation graphique donnant une courbe croissante en fonction d'un paramètre ou de- l'inverse d'un paramètre. La figure 4 est un graphique illustrant le procédé de l'invention. Selon la caractéristique générale de l'invention, pour modifier la vitesse de changement de température au passage de la courbe de transition C, c'est-à-dire pour modifier la vitesse de passage de l'état E1 à l'état E2, il est prévu de lier-la variation de température-T et la variation d'un autre paramètre physique x influençant la température de transition au voisinage et pendant son changement d'état- suivant une fonction -F (T, -x). Selon l'art antérieur, l'évolution de la température du matériau qui initialement se trouve à l'état représenté par le point M', se fait en maintenant constant le paramètre X à la valeur xl. L'évolution se fait de façon descendante suivant la verticale D1 passant par le point M' qui coupe la courbe de transition C au point M1. La vitesse de changement de température est uniquement dépendante du transfert de chaleur impliqué lors de cette évolution. Selon l'invention, on fait-évoluer la température T et le paramètre x en fonction des caractéristiques physico-chimiques que doit présenter le matériau une fois ramené à la température ambiante Si cette évolution des paramètres-T, x est liée par la fonction F qui se représente par une courbe décroissante vers le x croissant entre le point initial N et le point d'tinter section R de la courbe de transition C au point x3, l'évolution correspond à une tempe de l'état E1 à l'état E2 dont la vitesse de refroidissement est contrôlable à l'aide du taux de variation de la température par transfert de chaleur, et aussi à l'aide de la variable x dont le taux de variation peut être changé indépendamment des conditions de transfert de chaleur. Si, suivant une seconde possibilité, on fait évoluer les paramètres T, x,de façon à ce que leur évolution soit liée par la fonction G (T, x), la courbe correspondante initiée au point N coupe la courbe de transition C au point S, au-dessus de l'horizontale passant par le point N et coupant la courbe C au point L d'abscisse x2. L'horizontale NL correspond à la formation de l'état E2 par action seule de la variation du paramètre x, la température restant constante, la vitesse de "refroidissement" peut alors être contrôlée en fonction du taux de variation de x sur l'horizontale NL. Suivant un troisième cas, on fait évoluer la variation de la température et du paramètre x suivant la fonction H (T, x), de façon que la courbe représentative passant par le point N, coupe la courbe de transition C en un point T situe en-dessous du point M, c'est-à-dire correspondant à un paramètre x5 inférieur au paramètre xl. Dans le premier cas, courbe Fr (Tg X) g la température du matériau diminue avant d'atteindre la température de transition Tg (X3) au point R, et pendant ce même temps le paramètre x augmente résultant en une approche accélérée de lsetat E2. Par contre, dans le second cas, correspondant à la courbe G (T, x), la température croit en même temps que croit le paramètre x, ce qui indique que l'effet d'une augmentation de température peut être compensé, à l'aide de la variation de Tg avec x, par up accroissement programmé de x dans le même temps. Dans le troisième cas, la température décroît en même temps que décroît le paramètre x, les taux de variation pouvant être programmés indépendamment. De façon générale, le paramètre x peut correspondre à une grandeur physique ou à l'inverse d'une grandeur physique. Habituellement, le paramètre sera la pression (vibratoire ou non) et/ou la fréquence de vibration, et/ou l'amplitude de vibration auxquelles sera soumis le matériau pendant son passage de la courbe de transition. Mathématiquement, le procédé de l'invention s'analyse par les dérivées partielles. En effet, si T est la température de transition g du du matériau t t le temps # x une première variable susceptible de faire varier T g y une seconde variable également susceptible de faire varier Tg alors la variation de température en fonction du temps s'écrit De façon approchée, au voisinage du point de transition T go choisi correspondant aux valeurs xO et yO des variables x et y, on a Ainsi, la variation de Tg en fonction du temps t au voisinage d'un point choisi de la courbe C (ou de la surface dans le cas des variables x et y) se commande en agissant sur #x #y x et y en fonction du temps (#t et #t). La vitesse d'appro- che de l'état E2 est directement fonction de la variation (dT /dt) et de celle de (dT/dt) qui, elle, est commandée par le paramètre de transfert de chaleur. Or, si, à titre d'exemple, x est une pression variable dans le temps et y une fréquence variable dans le temps, il suffit de choisir les variations en fonction de la variation totale à obtenir. S'il n'y a qu'une variable, par exemple x, on a nécessairement ss t = et la formule se simplifie. L'invention s'applique également de façon générale à un nombre quelconque de variables dans le temps, et susceptible d'agir sur la température de transition. De façon générale, le procédé, selon l'invention, s'applique au traitement des matériaux, pour obtenir à partir de matériaux connus, ayant des propriétés connues, des matériaux identiques chimiquement, mais ayant des propriétés physiques et physico-chimiques tres modifiées, pour accentuer certaines caractéristiques recherchées, au profit d'autres qui sont atténuées. REVENDICATIONS 10) Procédé pour modifier les caractéristiques physiques et physico-chimiques d'un matériau par refroidissement de ce matériau entre un état fondu, pâteux (E1) et un état solide (cristallin ou amorphe) (E2) par abaissement de température, procédé caractérisé en ce qu'on relie la variation de température et la variation d'au moins une autre variable physique en fonction du temps (pression, fréquence de vibration, amplitude de vibration, tension d'intensité d'un champ électrique) par une relation choisie et programmée en fonction des caractéris- tiques que doit présenter le matériau et les conditions de transfert de chaleur imposant la variation de température. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on relie la température et la pression pour les faire varier suivant une fonction donnée. 30) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on relie la température et la fréquence de vibration. 40) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on relie la température et l'amplitude de vibration. 50) procédé appliqué à un matériau diélectrique, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on relie. la température à la tension et à l'intensité d'un champPélectrique appliqué à ce matériau diélectrique. 60) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on relie la température, la pression et la fréquence de vibration, l'amplitude de vibration, la tension et l'intensité de champ électrique, suivant une fonction à six variables.