Brevet FR2614310A1 — publié le 19881028

Domaine de l'invention La présente invention concerne des compositions liquides pour réduire la traînée qui conviennent pour être appliquées aux surfaces solides pour réduire la traînée ou la résistance hydrodynamique vis-à-vis des liquides s'écoulant sur ces surfaces. Arriere-plan de L'invention Il existe de nombreuses situations qui requièrent l'emploi de matériaux réducteurs de traînée pour fournir un système efficace d'énergie. Par exemple, des matériaux réducteurs de traînée ont été utilisés sur les coques des navires pour minimiser la turbulence le long de la surface de la coque du navire pour obtenir ainsi un gain de vitesse. Les méthodes traditionnelles de réduction de la traînée peuvent être exemplifiées par les méthodes suivantes 1. Application d'un revêtement lisse ayant un fini à lustre élevé sur la coque du navire ; le revêtement est ensuite poli pour produire une surface ayant un minimum de défauts pour induire ainsi une turbulence minimale. 2. Versement de matériaux choisis de manière appropriée sur la partie frontale du bateau ou du navire en déplacement ; ces matériaux sont choisis pour réduire la turbulence le long de l'interface entre l'eau et la surface du navire et par suite pour réduire la traînée. 3. Enduction de la coque du navire avec une composition de revêtement hydrophile choisie. Un revêtement hydrophile efficace consiste en un enduit de polyoxyéthylène dans l'eau qui est appliqué sur la surface de la coque du navire. Ce revêtement réduit la traînée, mais a une valeur commerciale minime, car le polyoxyéthyléne s'enlève de la surface de la coque du navire au bout d'un temps très court, et ainsi la réduction de la traînée n'est obtenue que pour une période de temps minimale. Sommaire de l'invention Selon l'un des aspects de la présente invention, un revêtement réducteur de traînée fournit une libération lente d'un agent réducteur de traînée à la surface sur laquelle est appliqué le revêtement. Ce revêtement fournit des caractéristiques de réduction de trainée de longue durée tant que le liquide passe sur la surface portant le revêtement. La composition de revêtement comprend une matière polymère réductrice de traînée dans une composition de peinture ou tout autre véhicule approprié. Ce véhicule peut éventuellement inclure des charges inertes. La composition de revêtement une fois appliquée sèche pour donner un revêtement fini lisse. L'agent actif réducteur de traînée est libéré lentement à la surface extérieure de la peinture sèche pour former une couche-continue d'agent réducteur de traînée Le long de la surface de la structure. Un tel système est supérieur à celui dans lequel le matériau réducteur de traînée est versé sur la partie frontale du navire en déplacement, car le matériau peut être libéré uniformément sur toute la surface submergée à une échelle microscopique. Conformément à un autre aspect de la présente invention, la composition de revêtement réductrice de traînée comprend une matière polymère réductrice de traînée finement divisée qui est à la fois hydrophile et soluble, un liant réactif ou soluble dans les solvants pour le matériau réducteur de traînée et un agent de durcissement pour le liant. L'agent de durcissement est un catalyseur et/ou un composant réactif qui provoque la réaction du liant réactif et son séchage sur la surface solide. Selon un autre aspect encore de l'invention, l'agent de durcissement peut être un système de solvant évaporable, de sorte que lorsque le solvant s'évapore, il reste un film contenant le liant sur la surface solide. Conformément à un autre aspect de l'invention, le liant peut être une cire, une laque acrylique ou une peinture de polyuréthanne à deux composants. Description brève des dessins Les compositions préférées selon l'invention sont testées pour déterminer leur efficacité de réduction de traînée, et les résultats sont montrés dans les dessins ci-joints, sur lesquels : - la figure 1 est un graphique montrant la réduction de la traînée d'une composition exprimée en moment de rotation en Newton-mètre en fonction du temps ; et - la igure 2 est un graphique montrant la réduction de la traînée exp@imée en moment de rotation en Newton-metre en fonction du temps pour une autre composition de revêtement réductrice de traînée. Description déta'llée des modes de réalisation préférés La composition de peinture qui sert de support à l'agent actif réducteur de traînée est du type qui fournit une libération lente de l'agent réducteur de traînée qu'elle contient à la surface de la peinture séchée. Ceci peut être obtenu avec une grande variété de co-~ositions de peinture qui sont compatibles avec l'agent réducteur de traînée. Il est entendu qu'il existe une grande variété c'agents réducteurs de traînée disponibles, tels que la gomme guar a' est un polysaccharide complexe dérivé de plantes. Cette gomme guar a des propriétés réductrices de frottement. D'autres compostions réductrices de frottement connues incluent Les suivantes : 30lyoxyethylene, polyacrylamides, carboxyméthylcellulose sodique farine de lin, hydroxyéthylcellulose, bromure de cétyltrimethylam-onium-1-naphtol et polystyrènesulfonate de sodium. Un ou plusieurs e ces polymères réducteurs de traînée peuvent être ajoutés à une cc-Dosition de peinture et appliqués sur une surface, par exemple Les coques de navire, pour réduire de façon significative la turf lente le long de ladite surface et augmenter la vitesse du navire. Outre le bénéfice d'augmenter la vitesse du navire, il y a également l'avantage additionnel de diminuer les bruits sonores le long de la coque du navire. Ceci minimise le risque de détection de la trajectoire du navire par un sonar ou analogue par d'autres bateaux, ce qui constitue un avantage significatif dans les zones de guerre.La composition selon la présente invention est également applicable aux navires naviguant sous l'eau tels que les sous-marins et aux torpilles qui auront une plus grande chance d'être indétectables durant la durée de vie du revêtement. De plus, la réduction des bruits de fond par application de tels revêtements pour les corps immergés contenant un appareillage de détection à sonar conduit à une meilleure détectabilité des autres navires. Une grande variété de polymères polyoxyéthylénes sont disponibles et ils sont de préférence à poids moléculaire élevé. Selon l'un des aspects de l'invention, les résines - de polyoxyéthylène vendues par la firme Union Carbide Corporation sous La marque commerciale POLYOX ont des poids moléculaires dans l'intervalle de 5 millions. La formule des résines VOLVOX solubles dans l'eau est (CH2-CH2-0)n et fait partie de la famille chimique des o polyéthers. Le polymère préféré a un point de fusion de 65 C avec une masse volumique de 384 kg/m3. Normalement, le polymère est une poudre blanche qui peut être broyée à une consistance fine, en particulier lorsqu'il est broyé à l'état congelé. Il est à noter que le broyage cryogène est très utile dans ces conditions.Un broyeur à percussion peut convenir pour ces applications selon lesquelles les composés à traiter sont superrefroidis par l'emploi de L'azote liquide qui peut être ajouté au broyeur en même temps que les particules de polymère à l'état congelé. Etant donné que Le polymère broyé récupéré est réchauffé à la température ambiante, un desséchant peut être utilisé pour s'assurer que l'humidité contenue dans l'air ne se condense pas sur les particules fines de polymère froid. Divers polyacrylamides sont disponibles comme agents réducteurs de traînée, par exemple SEPARAN AP-30 (marque déposée) vendu par Dow Chemical, K-PAM (marque déposée) vendu par American Cyanamid, J-100 (marque déposée) vendu par Dow Cfiemical, ET-597 (marque déposée) vendu par Dow Chemical et POLYHULL-27 (marque déposée) vendu par Stein-Hall. Il y a plusieurs sources de carboxyméthylcellulosé sodique telles que CMC-7 HSCP (marque déposée) vendu par Hercules Powder Company. La composition de peinture est compatible avec un ou plusieurs agents réducteurs de traînée choisis ci-dessus, et est susceptible de sécher pour donner une surface relativement tisse lorsque la composition de revêtement est appliquée à une surface solide. Les compositions de peinture incluent les laques acryliques et les peintures marines de polyuréthanne à deux composants ayant un fini à lustre élevé. D'autres véhicules appropriés incluent divers types de cire, tels que la cire de carnauba, la cérésine, la cire d'abeille, la cire de mouton et la paraffine. Le véhicule préféré du groupe précité est la peinture de polyuréthanne à deux composants à Lustre élevé. La quantité efficace d'agent réducteur de traînée dans la composition de peinture doit être approximativement de 10 à 30 x du poids du film de peinture sec.L'épaisseur de film efficace peut aller jusqu'à 225 micromètres et il est à noter que le film de revêtement de peinture peut gonfler jusqu'à atteindre des épaisseurs plus grandes. Ces revêtements peuvent être sablés avant l'usage. Normalement, l'aspect fini de la peinture est plat. Les compositions de peinture peuvent être appliquées par pulvérisation ou à la brosse selon les circonstances et l'utilisation, bien que l'application par pulvérisation soit préférée pour La peinture des coques de navire. Une peinture marine de polyuréthanne à deux composants ayant un fini à lustre élevé est celle vendue sous la marque déposée AWLGRIP par la société U.S. Paint. Les deux composants consistent en la base de blanc AWLGRIP et en AWL-CAT n02. Un solvant peut être employé pour faciliter l'incorporation de l'agent polyoxyéthylène dans la composition de peinture. Le solvant préféré est un mélange d'acétate d'éthyle, de toluène, d'éthylèneglycol et d'acétate d'éther monoéthylique. Ce solvant est vendu par U.S. Paint sous la marque déposée T003. Des charges inertes peuvent être incluses dans la composition pour prolonger la libération de L'agent réducteur de traînée, ces charges inertes incluant le chlorure de sodium et le sucre.Le tableau 1 qui suit présente des exemples de compositions pour le revêtement réducteur de traînée. TABLEAU 1 Revêtements TN AWL Ingrédient 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Réducteur 1003 30,55 33,31 36,07 30,51 31,60 33,73 33,00 32,14 34,34 27,00 30,00 30,00 27,50 30,00 31,56 Polyox FRA (-400 mailles) 23,15 25,24 27,40 21,57 22,35 23,86 25,00 25,11 25,25 25,00 27,50 32,50 25,00 25,00 20,79 Chlorure de sodium - - - 4,79 9,93 15,90 5,00 7,55 10,10 2,50 25,0 2,50 - - 4,00 (-400 mailles) Sucre (-400 mailles) - - - - - - - - - - - - 2,50 5,00 Base blanc Awlgrip 25,56 22,87 20,09 23,83 19,19 14,65 22,08 19,45 16,73 24,85 22,10 19,30 25,00 22,00 25,46 Awl-Cat n 2 20,74 18,58 16,44 19,30 16,93 11,86 17,92 15,75 13,58 20,15 17,90 15,70 20,00 18,00 18,19 Total 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 % non volatil 46,8 51,7 56,9 49,0 51,1 53,7 51,0 51,4 51,2 53,1 52,7 52,4 53,5 52,5 50,0 % FRA dans film sec 46,8 51,7 56,9 42,4 42,5 43,5 51,0 49,1 49,3 47,1 52,2 57,3 46,7 47,6 41,6 % NaCl dans film sec - - - 9,4 18,9 29,0 9,8 14,8 19,7 4,7 4,7 4,8 - - 0,0 % sucre dans film sec - - - - - - - - - - - - 4,7 9,5 400 mailles correspondent à une ouverture de maille de 0,038 mm. Les exemples de revêtement selon la présente invention peuvent être testés pour déterminer leur caractéristique de réduction de traînée par application des revêtements aux substrats en forme de disque. Les substrats en forme de disque peuvent être ensuite entraînés en rotation dans un liquide approprié tel que l'eau, et le changement du couple de rotation appliqué pour faire tourner le disque peut être enregistré pour déterminer les propriétés de réduction de traînée. Le disque sans le revêtement peut également être utilisé pour fournir une lecture moyenne des revêtements similaires sans l'agent actif de réduction de traînée. Exemple 1 Un revêtement réducteur de traînée typique qui peut être appliqué par pulvérisation sur un substrat solide présente la composition suivante FORMULE 1 en poids Awlgrip n02 23,4 Solvant Awlgrip T003 10;2 Pigment Duramite (marque déposée) 20,6 Polyox (Union Carbide) (polyoxyéthylène) 13,1 Base blanc Awlgrip 32,7 100,0 La composition de revêtement est appliquée sur les deux cotés d'un disque en aluminium à un taux approprié pour donner une épaisseur de film à l'état sec de 125-240 micromètres. Le film sec est poli par du papier abrasif n" 400 et trempé pendant deux, heures dans L'eau de mer synthétique.Lorsqu'on le fait tourner dans l'eau de mer synthétique, le disque montre une réduction de la traînée pendant 5 heures en comparaison avec la réduction de La traînée fournie par un disque similaire revêtu de la composition de peinture de polyuréthanne polie ne contenant pas de POLYOL. La réduction initiale de la traînée est de 40,8 % et après 20 minutes environ la réduction de la traînée tombe à environ 11 %. Il y á ensuite un gain graduel de traînée jusqu'à 5 heures après quoi aucune réduction n'est observée. La réduction moyenne de traînée est donc d'environ 7 %. La réduction totale de traînée de ce test est montrée à La figure 1. Exemple 2 Un autre exemple d'une formulation de revêtement pour réduire la traînée répond à la formule suivante : FORMULE 2 % en poids Awlgrip n 2 25,2 Solvant Awlgrip T003 8,3 Pigment Duramite (marque déposée) 20,8 Polyox Union Carbide Base blanc Awlgrip 36,0 100,0 Ce revêtement est appliqué par pulvérisation sur les deux côtés d'un disque en aluminium à un taux approprié pour fournir une épaisseur de film à L'état sec de 180-220 micromètres. Le film sec est poli par du papier abrasif grossier et entraîné en rotation dans l'eau de mer synthétique pendant 90 minutes durant lesquelles la traînée est réduite pendant 65 minutes comparativement à un disque similaire muni d'un revêtement poli de peinture de polyuréthanne ne contenant pas d'agent réducteur de traînée.La réduction initiale de la traînée est de 41 %. Après conditionnement à la température ambiante pendant 3 jours et repolissage par du papier grossier, Le disque revêtu est retesté dans l'eau de mer synthétique et donne une réduction de la traînée pendant 190 minutes comparativement à la réduction de la traînée fournie par un disque muni du revêtement standard poli de polyuréthanne. La réduction initiale de traînée retestée est de 25 % et la réduction moyenne de traînée est de 15,4 X. Les résultats du test de cette formulation donnant la réduction de la traînée en fonction du temps sont montrés sur la figure 2. Dans la plupart des compositions de revêtement, il est souhaitable d'employer un agent réducteur de traînée sous forme finement broyée. Il est à noter que l'agent réducteur de traînée peut être soluble dans le solvant utilisé pour incorporer l'agent dans la composition de peinture de base.- Normalement, toutefois, ltagent réducteur de traînée n'est pas soluble dans la composition de peinture de base. Par exemple, le polyoxyéthylène lorsqu'il est utilisé comme agent réducteur de traînée est introduit dans la composition de peinture de base sous forme finement broyée, traversant de préférence un tamis de 400 mailles (ouverture de maille de 0,038 mm). Ceci est suffisamment fin pour permettre l'application de la peinture par pulvérisation et/ou à la brosse sans produire de surface extrêmement rugueuse, bien que, comme noté, les applications à surface rugueuse puissent être sablées avant l'utilisation sans affecter de manière appréciable les propriétés-de réduction de la traînée du'revêtement. Bien que l'on ait décrit en détail les modes de réalisation préférés de l'invention, il est entendu que pour l'homme du métier, on peut y apporter diverses variations sans sortir du cadre de l'invention ou de la portée des revendications ci-jointes. REVENDICATIONS 1. Une composition liquide pour réduire la traînée, utile pour l'application aux surfaces solides pour réduire la traînée vis-à-vis des liquides s'écoulant sur lesdites surfaces, ladite composition étant caractérisée en ce qu'elle comprend une matière polymère finement divisée réductrice de traînée qui est à la fois hydrophile et soluble, un liant pour ladite matière réductrice de traînée et un agent de durcissement pour ledit liant, l'agent de durcissement provoquant la solidification du liant lorsque ladite composition liquide est appliquée à une surface solide, ladite matière réductrice de traînée étant dispersée dans ledit liant et diffusant dans le liquide qui s'écoule sur la surface solide à laquelle est appliquée ladite composition liquide pour réduire la turbulence à l'interface entre la surface solide et le liquide s'écoulant sur ladite surface. 2. Une composition liquide réductrice de traînée selon la revendication 1, caractérisée en ce que le liquide qui s'écoule sur la surface solide est choisie dans le groupe comprenant les solutions salines, l'eau de mer et l'eau des lacs. 3. Une composition liquide réductrice de traînée selon la revendication 2, caractérisée en ce que la matière réductrice de traînée est choisie dans le groupe comprenant la gomme guar, le polyoxyéthylène, les polyacrylamides, la carboxyméthylcellulose sodique, la farine de lin, l'hydroxyéthylcellulose, le bromure de cétyltriméthylammonium-1-naphtol et le polystyrènesulfonate de sodium. 4. Une composition liquide réductrice de traînée selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le liant est choisi dans le groupe comprenant les cires, les laques acryliques et la peinture de polyuréthanne à deux composants. 5. Une composition liquide réductrice de traînée selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le liant est choisi dans le groupe comprenant les cires et les laques acryliques et L'agent de durcissement est un solvant approprié. 6. Une composition liquide réductrice de traînée selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le liant est une peinture marine de polyuréthanne à deux composants à lustre élevé comprenant une base et un composant réactif et/ou un catalyseur dans un mélange de solvant et la matière réductrice de traînée est du polyoxyéthyléne ayant un poids moléculaire dans l'intervalle de 5 millions. 7. Une composition liquide réductrice de traînée selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'agent de durcissement est un catalyseur approprié et/ou un composant réactif. 8. Un procédé pour réduire la traînée à l'interface liquide/ solide pendant l'écoulement d'un liquide sur une surface solide, caractérisé en ce que l'on applique une composition liquide réductri ce de traînée à ladite surface solide, cette composition liquide incluant une matière polymère finement divisée réductrice de traînée qui est à la fois hydrophile et soluble, un liant pour cette matière réductrice de traînée et un agent de durcissement pour ce liant, ledit procédé consistant à appliquer une couche de revêtement mince de ladite composition liquide sur ladite surface solide, à laisser l'agent de durcissement provoquer le durcissement et la solidification du liant contenant la matière réductrice de traînée à l'état dispersé dans ledit liant. 9. Un procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le liquide qui s'écoule sur la surface solide est choisi dans le groupe comprenant les solutions salines, l'eau de mer et L'eau des lacs. 10. Un procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une quantité suffisante de ladite composition liquide de revêtement est appliquée à la surface solide pour fournir un revêtement ayant une épaisseur de film à L'état sec d'une épaisseur comprise dans l'intervalle de 125 à 240 microns. 11. Un procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit revêtement est légèrement sabCé avant l'utilisation. 12. Un procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit revêtement est appliqué à un navire naviguant en surface ou naviguant sous l'eau, et en ce que le revêtement appliqué est trempe dans l'eau pour le gonfler avant l'utilisation dudit navire naviguant en surface ou sous l'eau. 13. Un procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit revêtement ainsi appliqué réduit la turbulence et entraîne une réduction du bruit à l'interface liquide/solide.