Brevet FR2574803A1 — publié le 19860620

-- 1 -- Matériau thermoplastique conducteur de l'électricité et procédé de fabrication d'un tel matériau La présente invention concerne un matériau thermoplastique très conducteur de l'électricité, utilisable, par exemple, dans les joints conducteurs, dans les éléments bipolaires de piles à combustible, dans d'autres dispositifs électrochimiques, etc... Un tel matériau doit présenter simultanément plusieurs caractéris- tiques: - une résistivité électrique aussi faible que possible comprise, par exemple, entre quelques ohms. centimètre et quelques dixièmes d'ohms. centimètre; - une bonne homogénéité de composition et de caractéristiques, notamment électriques et mécaniques; - une absence d'additifs nuisibles aux catalyseurs éventuellement employés dans les dispositifs électrochimiques concernés; - une inertie chimique suffisante vis-à-vis des fluides pouvant circuler dans ces dispositifs électrochimiques, aux températures de travail uti- lisées; - un prix de revient très bas; - une aptitude à la mise en oeuvre industrielle économique par des opérations d'extrusion, calandrage, thermocompression, injection, etc... en vue d'obtenir en grandes séries des pièces ayant la forme générale de plaques minces de grande surface: épaisseurs voisines du millimètre; surface de plusieurs décimètres carrés pouvant atteindre le mètre carré; - des caractéristiques mécaniques telles que les plaques ainsi réalisées avec ce matériau ne soient pas fragiles mais possèdent une résistance à la flexion, à froid et à chaud, compatible avec les méthodes d'assemblage des dispositifs électrochimiques ou autres dont elles peuvent constituer des éléments; - une étanchéité suffisante aux gaz et aux liquides pour les épaisseurs de pièces indiquées ci-dessus; - une stabilité des caractéristiques dans le temps compatible avec les utilisations envisagées. -2- En ce qui concerne la résistivité, il est possible d'obtenir un matériau satisfaisant en incorporant au matériau thermoplastique des charges métalliques; mais le coût d'un tel matériau est très élevé et en outre les charges métalliques peuvent ne pas être chimiquement inertes vis-à-vis du milieu environnant. Il est donc plus avantageux pour ces raisons de mettre en oeuvre des charges carbonées, beaucoup moins coûteuses, et dont la réactivité est généralement beaucoup plus faible. De nombreux matériaux thermoplastiques conducteurs de l'électri- cité contenant des charges carbonées ont déjà été réalisés et, parfois, commercialisés comme en témoignent les articles suivants: - Electrical Conduction Mechanism in carbon filled polymers (IEEE Transactions May/June 1971; pages 913 à 916); - Modern Plastics International: March 1976; pages 45 à 47; - JEE; Novembre 1978 pages 42 à 45; - Modern Plastics International: August 1983; pages 38 à 40; - Research and Development: May 1984; pages 118 à 123; - Adhesives Age: June 1984; pages 17 à 20. Aucun des produits décrits dans ces articles ne présente l'ensemble des caractéristiques-précitées. Le tableau I ci-après résume les résistivités électriques des pro- duits commerciaux actuellement connus ainsi que quelques renseignements concernant leur fabrication, le taux de charge carbonée, et l'indice de viscosité à chaud (Melt Flow Index) qui conditionne leur mise en oeuvre économique pour réaliser des pièces minces de grande surface. 2574803- -3- TABLEAU I REFERENCE PROCEDE RESISTIVITE CONCENTRATION MELT INDEX type de machine (Jbcm) (%) (g/10 mn) DARLING Co mélangeur ouvert 25,4 64 DARLING Co 7,6 70 DARLING Co 5,1 76 Esso Research 57 39 (1) Esso Research 17 32 (1) L N P 5à 20 40 (2) UNIROYAL (TPR) 150 CAPREZ 9,3 30 14,4 à 2300 sous 21,6 Kg CAPREZ CP 6 4,5 à 2300 sous 21,6 Kg ABBEY 100 8 45 DUPONT DE NEMOURS 30 (NDX4769) TECKNIT 860 10 TECKNIT 861 5 CABELEC 0,7 50 CABELEC 09 47 (1): Noir de carbone Vulcan XC72 (2) Fibres de carbone On constate que les faibles résistivités électriques obtenues par les méthodes classiques (mélangeur ouvert ou mélangeur interne de type Banbury) le sont au prix d'un taux de charge carbonée très élevé. Les produits ainsi obtenus ne sont pas utilisables pour l'injec- tion économique de pièces minces de grande surface du fait de leur fluidité à chaud insuffisante ou de la fragilité des objets obtenus. Le brevet américain n 4.124.747 décrit par ailleurs un procédé discontinu consistant à mélanger dans un malaxeur préchauffé de type Banbury un mélange d'un copolymère thermoplastique de propylène-éthylène et de carbone finement divisé, la proportion de carbone étant de l'ordre de 30% en poids. Le préchauffage est de l'ordre de 100 ; le malaxage est effectué pendant une durée de l'ordre de 3 à 5 minutes. Le matériau thermoplastique ainsi obtenu peut être extrudé sous forme de feuilles dont l'épaisseur est comprise entre 150 microns et 500 microns et dont la résistivité est de l'ordre de quelques ohms-centimètre. Mais sa mise en oeuvre par injection en vue d'obtenir des pièces minces et de grande surface est pratiquement impossible pour les raisons déjà indi- quées ci-dessus. Par ailleurs, la Demanderesse a réalisé un certain nombre d'essais en vue de tenter d'améliorer cette situation, en utilisant des mélan- geurs ouverts ou fermés (de type Banbury) ainsi que par mélange préalable des deux constituants à l'état de poudre dans un mélangeur ultra-rapide, suivi d'une plastification de ce mélange dans une boudineuse. Les prin- cipaux résultats de ces essais sont résumés ci-dessous dans le Tableau II. -- 5 -- TABLEAU II REFERENCE PROCEDE RESISTIVITE CONCENTRATION MELT INDEX type de machine en Jb cm en % en g/10 mn ESSAI n 1 Mélangeur 0,85 47 ouvert ESSAI n 2 Mélangeur 0,87 47 ouvert ESSAI no 3 Banbury 0,43 47 O à 2300 sous 21 kg ESSAI n 4 Banbury 0,80 47 ESSAI n 5 Banbury 1 47 1 à 2300 sous 21,6 kg _ En conclusion, il semble que les différents procédés utilisés jus- qu'ici ne permettent pas d'obtenir une assez bonne dispersion du noir de carbone dans la résine pour réaliser un matériau suffisamment conducteur de l'électricité sans recourir à des concentrations de carbone qui entraînent un indice de fluidité à chaud beaucoup trop bas pour permettre l'injection de pièces minces de grande surface. La présente invention a pour but de réaliser un matériau thermo- plastique conducteur qui présente une résistivité encore inférieure à celle des matériaux précédents, c'est-à-dire de l'ordre de quelques dizièmes d'ohm-cm, et dont la fluidité à chaud soit suffisante pour que l'on puisse lui faire subir industriellement les opérations précitées, afin d'obtenir des feuilles conductrices très minces et peu fragiles. Un objet de la présente invention est un matériau thermoplastique - 6 - conducteur de l'électricité à base d'un mélange de résine thermoplas- tique et de charges carbonées. Un autre objet de la présente invention est un procédé de fabrica- tion continu d'un tel matériau thermoplastique. L'invention est caractérisée par le fait que l'on met en oeuvre un malaxeur à double vis, la longueur de la vis étant supérieure à vingt fois son diamètre, que l'on introduit en continu ladite résine thermo- plastique dans une première zone de ladite double vis o elle subit un compactage et un préchauffage, que ladite résine passe ensuite dans une seconde zone de ladite double vis o elle subit un malaxage et une plastification, que l'on introduit en continu des charges carbonées par- ticulaires, dans une proportion de 30% à 50%,en poids, au niveau d'une troisième zone de la double vis pour la dispersion desdites charges, la vitesse de rotation de la double vis étant comprise entre 150 et 250 tours par minute, la température desdites zones étant située entre 165 C et 300 C, ledit mélange étant ensuite récupéré à la sortie d'une tête d'extrusion. La proportion de charges carbonées est de préférence comprise entre 35% et 45% en poids. Selon un perfectionnement au procédé, on introduit, soit en même temps que les charges carbonées particulaires, soit à un autre moment, des charges carbonées fibreuses dans une proportion inférieure à 10% en poids. Avantageusement on met en oeuvre une double vis comportant une quatrième zone faisant suite à ladite troisième zone et destinée à réa- liser un dégazage dudit mélange à une pression comprise entre la pression atmosphérique et quelques millibars. De manière tout-à-fait inattendue, on obtient un produit dont les caractéristiques électriques et mécaniques sont tout-à-fait remarquables lorsque la charge carbonée est une charge particulaire: la-résistivité électrique est d'un ordre de grandeur inférieure à celle obtenue pour un matériau de même composition réalisé par les méthodes classiques, tandis que les caractéristiques mécaniques des plaques minces de grande surface qu'il permet d'obtenir, par injection, par exemple, sont nettement supé- rieures. 7- De manière tout aussi inattendue, la conductivité électrique du matériau ci-dessus se trouve encore multipliée de plusieurs fois sa valeur, si la charge carbonée particulaire est additionnée de quelques pour cent d'une charge carbonée fibreuse. On peut choisir comme résine thermoplastique un copolymère d'éthy- lène et de propylène et comme charges carbonées des noirs de carbone de types variés. Ces charges carbonées doivent être très conductrices et d'un prix de. revient aussi bas que possible tout en étant faciles à incorporer dans la résine. Plus leur densité est faible, plus leur dispersion est bonne, mais plus l'incorporation se révèle délicate. Des compromis sont à choisir entre un taux de charge faible avec un noir très divisé et un taux de charge plus élevé avec un noir plus dense mais plus facile à incorporer. Les résultats précités sont obtenus plus aisément si l'alimenta- tion en continu en résine thermoplastique et en charges carbonées est effectuée par l'intermédiaire de doseurs gravimétriques garantissant une variation du dosage inférieure ou égale à a 1% de la valeur de consigne. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront au cours de la description suivante d'un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans le dessin annexé: - la figure 1 est une vue tout à fait schématique d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. - la figure 2 montre la variation de la résistivité t (A cm) en fonc- tion de la concentration C% en noir de carbone, pour un matériau fabriqué selon le procédé de l'art antérieur (courbe A) et pour un matériau fabriqué selon le procédé de l'invention (courbe B). - la figure 3 reprend à l'échelle agrandie la courbe B de la figure 2 ainsi qu'une courbe (D) montrant les variations de l'indice de fluidité du matériau obtenu par le procédé selon l'inventionen fonction de la concentration C% en noir de carbone. - la figure 4 montre la variation de la résistivité Il (J cm) en fonc- tion de la concentration C' (%) de charges carbonées fibreuses, d'un matériau fabriqué selon une variante du procédé de l'invention (courbe F). -8 - On a illustré très schématiquement dans la figure 1 un malaxeur 11 permettant la fabrication du matériau selon l'invention. Il s'agit d'un malaxeur à double vis de type de ceux vendus sous la marque WERNER und PFLEIDERER, la longueur de la double vis étant supérieure à vingt fois son diamètre. A titre d'exemple les malaxeurs vendus sous la référence ZSK 30 et ZSK 57 ont respectivement un diamètre de 30 mm et 57 mm. La double vis est entourée de fourreaux, référencés de 1 à 10 dans la figure, et qui sont régulés comme on va le voir plus loin à des températures comprises entre 165 C et 300 C. La double vis est actionnée par un moteur schématiquement représenté par la boîte 20 et sa vitesse de rotation est comprise entre 150 tours par minute et 250 tours par minute. Un eopolymère de propylène et d'éthylène 22 dosé avec une préci- sion de - 1% dans un doseur gravimétrique 21 est introduit par un dispo- sitif 25 dans la première zone de la double vis entourée par le four- reau 1; à ce niveau la résine est compactée et préchauffée, mais il faut éviter toute gélification. Au niveau des fourreaux 2 et 3, la double vis réalise un malaxage et une plastification de la résine, le fourreau 2 étant régulé à 220 C et le fourreau 3 à 295 C. Au niveau du fourreau 4, également régulé à 295 C, on introduit des charges carbonées de type noir de carbone 24. Ces charges ont été préalablement dosées avec grande précision dans un doseur gravimétrique 23. Il se produit alors l'incor- poration du noir de carbone 24 et sa dispersion dans la résine. La constance et la précision du taux de charge conductrice sont essentiels pour la constance de la conductivité et de l'indice de flui- dité à chaud qui constituent les caractéristiques principales du pro- duit, compte-tenu de sa fonction et de sa mise en oeuvre par injection rapide qui nécessite une matière première de caractéristiques très constantes. Comme déjà mentionné, aucune des autres techniques de fabrication de mélanges conducteurs ne permet d'obtenir simultanément une très bonne dispersion de la charge, une concentration constante et donc une conduc- tibilité aussi élevée et uniforme, ainsi qu'un indice de fluidité à chaud satisfaisant et constant compatibles avec les mises en oeuvre et les applications envisagées. Le malaxage et la dispersion se poursuivent dans la double vis au -9 niveau des fourreaux 5 à -10, le fourreau 5 étant régulé à 295 0C, les fourreaux 6 à 10 à 200 C. Un dégazage du mélange est prévu au niveau du fourreau 9, par exemple sous 55 mBars. Le mélange obtenu passe à travers une tête d'extrusion 30 régulée à une température de l'ordre de 250 C. L'extrusion s'effeetue à travers une filière de dix trous présentant un diamètre de quelques millimètres chacun, le matériau à la sortie de la filière se trouvant à une tempé- rature de l'ordre de 270 C. Les joncs ainsi formés passent dans un bac d'eau et sont introduits dans un granulateur. On peut obtenir par exemple un débit de matériau de l'ordre de Kg/heure lorsque la double vis tourne à 250 tours/minute. La figure 2 montre les caractéristiques électriques tout à fait surprenantes du matériau obtenu par le procédé selon l'invention, vis-àvis de celles des produits vendus dans le commerce et de celles du matériau obtenu par le procédé discontinu BANBURY de l'art antérieur. Les produits de base du mélange sont les mêmes dans les deux cas. Le noir de carbone est le noir VULCAN XC 72 de marque CABOT. La courbe A montre les valeurs de résistivité pour le matériau de l'art antérieur et la courbe B celles du matériau selon l'invention. Ainsi, pour une concen- tration en noir de carbone d'environ 35%, la résistivité du mélange de l'art antérieur est de 6dfcm, alors que celle du mélange selon l'inven- tion est seulement 0,85J cm. On pourrait obtenir un mélange de l'art antérieur présentant une résistivité du même ordre de grandeur, mais ceci nécessiterait une concentration en noir de carbone de l'ordre de 50%. Un tel mélange aurait une viscosité telle qu'il serait inutilisable en injection. De plus les plaques minces réalisables par thermocompres- sion avec un tel matériau seraient d'une très grande fragilité. Si on se reporte à la figure 3, on retrouve la courbe B de la figure 2 à l'échelle agrandie, mais aussi la courbe D de l'indice de fluidité (i) en fonction de la concentration C(%) en noir de carbone. Le point E représente la résistivité du mélange de l'art antérieur pour une concentration déjà très élevée de 47% de carbone dont l'indice de viscosité à chaud est, par ailleurs, incompatible avec l'injection de pièces conductrices minces de grande surface. On peut remplacer le noir de carbone Vulcan par d'autres charges - 10 - carbonées particulaires. Ainsi, le Ketjen black de marque AKZO a permis d'obtenir, par le même procédé, avec un taux de charge de 25%, la même résistivité que le Vulcan au taux de 38%. Les résultats tout à fait surprenants obtenus grâce à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention permettent de réaliser par injection des produits du type élément bipolaire pour pile à combustible sur des machines de grande production. En plus de leur grande conductibilité, ces éléments présentent de nombreuses autres qualités, notamment: - la dureté: 60 à 70 Shore - la souplesse: un élément de 1,5 mm d'épaisseur peut être fléchi sans dommage en arc de cercle de 150 mm de diamètre. - la résistance à la traction: ledit élément peut subir une contrainte maximale de 2,5 da N/mm à 3,5 da N/mm pour un allongement de 4,0% à 7,5%. - l'inertie thermique et l'inertie chimique. Selon un perfectionnement au procédé selon l'invention on a ajouté au mélange précédemment décrit contenant déjà 38% de noir VULCAN XC 72, des charges carbonées fibreuses dans un rapport de poids de 3% à 9%. On a observé de manière surprenante une multiplication de la conductivité électrique par un facteur allant de 3 à 6.-Si on se réfère à la figure 4, on peut voir qu'avec une addition de fibres C' de 3%, 6% et 9%, on passe successivement à des résistivités _' de 0,25, 0,14 et 0,12 Ohm centi- mètre. Il convient de remarquer que l'utilisation de fibres de carbone seule conduirait à des résistivités considérables, même avec des taux de charge beaucoup plus élevés que ceux utilisés jusqu'ici. Par exemple, un mélange de 60% de Nylon 6/6 et 40% de fibres de carbone fabriqué par L.N.P. présente une résistivité de 5 à 20 Ohms-centimètre. Avec un mélange conducteur chargé à 6% de fibres de carbone courtes selon l'invention, la Demanderesse a réalisé dans les mêmes conditions que celles décrites plus haut des éléments bipolaires de piles à combus- tible qui possèdent toutes les qualités décrites précédemment avec, en plus, une conductibilité très supérieure. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été décrit, notamment en ce qui concerne le type de malaxeur double vis, les températures de régulation des différents fourreaux, la nature de la résine thermoplastique et celle des charges carbonées. - 12 - REVENDICATIONS 1/ Matériau thermoplastique conducteur de l'électricité, comprenant un mélange de résine thermoplastique et de charges carbonées, caractérisé par le fait qu'il comprend une charge carbonée particulaire dans une proportion de 30% à 50% en poids et une charge carbonée fibreuse dans une proportion de O à 10% en poids. 2/ Procédé de fabrication d'un matériau thermoplastique selon la reven- dication 1, caractérisé par le fait que l'on met en oeuvre un malaxeur à double vis, la longueur de la vis étant supérieure à vingt fois son diamètre, que l'on introduit en continu ladite résine thermoplastique dans une première zone de ladite double vis o elle subit un compactage et un préchauffage, que ladite résine passe ensuite dans une seconde zone de ladite double vis o elle subit un malaxage et une plastification, que l'on introduit en continu des charges carbonées particulaires, dans une proportion de 30% à 50% en poids, au niveau d'une troisième zone de la double vis pour la dispersion desdites charges, la vitesse de rotation de la double vis étant comprise entre 150 et 250 tours par minute, la température desdites zones étant située entre 165 C et 300 C, ledit mélange étant ensuite récupéré à la sortie d'une tête d'extrusion. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on introduit dans ledit mélanges au niveau d'une desdites zones, des char- ges carbonées fibreuses dans une proportion inférieure à 10% en poids. 4/ Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on met en oeuvre une double vis comportant une quatrième zone faisant suite à ladite troisième zone et destinée à réaliser un dégazage dudit mélange à une pression comprise entre la pression atmosphérique et quelques millibars. / Procédé de fabrication selon l'une des revendications 2 à 4, caracté- risé par le fait que l'on choisit comme résine thermoplastique un copo- lymère de propylène et d'éthylène et comme charges carbonées particu- laires un noir de carbone, la proportion en poids de noir étant comprise entre 35% et 45%. 6/ Procédé de fabrication selon l'une des revendications 2 à 5, caracté- risé par le fait que l'alimentation en continu en résine thermoplastique 13- et en charges carbonées est effectuée par l'intermédiaire de doseurs gravimétriques garantissant une précision inférieure ou égale à + 1%. 7/ Matériau thermoplastique conducteur obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes.