Brevet FR2641273A1 — publié le 19900706

Elément Dlat textile conducteur fait de fils élémentaires de soie de verre L'invention concerne un élément plat textile conducteur fait de fils élémentaires de soie de verre, qui est apDroprié oour la fabrication de matières olasti- ques composites conductrices, de préférence, de composés thermodurcissables conducteurs, en particulier dans le procédé de pose manuelle (SMC) et dans le procédé opé- rant par enroulement. Les composites thermodurcissables conducteurs sont utilisés pour - le blindage électrique, magnétique et électromagnéti- que des composants dans les aDpareils électroniques et - le blindage électromagnétique des appareils électroni- ques, des locaux et des bâtiments. Leur utilisation s'étend en outre à l'industrie nautique, entre autres pour la fabrication de réflec- teurs radar sur les équipements de sauvetage en mer. On utilise aussi des composés thermodurcissaDles conduc- teurs dans la fabrication des récipients pour évacuer les charges électrostatiques. Les éléments plats textiles conducteurs formés de fils élémentaires de soie de verre s'utilisent aussi pour éviter l'accumulation de charges électrostatiques dans les revêtements de sol. L'incitation à utiliser des substances polymè- res dans de nouveaux domaines techniques a conduit la re- cherche sur les polymères à s'attacher au développement et à l'expérimentation de ce qu'on appelle les plasti- ques conducteurs. On distingue fondamentalement trois possibilités de fabrication de ces matériaux. 1. Dépôt de couches superficielles conductri- ces 2. Fabrication de matières plastiques intrinsè- quement conductrices 3. Incorporation d'additifs conducteurs dans la matrice polymère. Comme technologies pour déposer des couches su- perficielles conductrices, on connait la vaporisation, la pulvérisation cathodique, le dépôt électrolytique par projection, la projection à la flamme, l'utilisation de matières de revêtement métalliques, le dépôt de pellicu- les métalliques, de bandes métalliques, ainsi que d'élé- ments plats textiles métallisés, voir par exemple, DE-A-3 017 204, DE-A-3 045 790. L'inconvénient commun à ces technologies consis- te en ce qu'elles sont orincioalement d'un coût élevé en appareillage et/ou en main d'oeuvre. Le groupe des plastiques intrinsèquement conduc- teurs est encore en cours de développement. Les proprié- tés que l'on a obtenues jusqu'à présent, en particulier le comportement à long terme des paramètres mécaniques et âlectriques, exclut dès le départ les applications techniques. Dans le domaine des plastiques contenant des ad- ditifs conducteurs, on connatt un grand nombre de solu- tions qui font l'objet d'un titre de protection de pro- priété industrielle, telles que, par exemple, JP-A-58-206 640, JP-A-59-109 537, JP-A-59-184 239, JP-A-60-260 43, JP-A-60-55 053, JP-A-60-144 364. On utilise comme additifs conducteurs, entre au- tres, les poudres métalliques, flocons métalliques, fils métalliques, rubans métalliques, fibres de carbone, de graphite et d'acier, graphite et noirs conducteurs, fi- bres ou billes de verre métallisées. Les plastiques contenant du noir conducteur com- me additifs occupent actuellement la plus grande place (DE-A-3 135 430). Toutefois, ces matériaux présentent l'inconvénient consistant en ce que, avec eux, même avec une haute teneur en carbone, on ne peut obtenir que des valeurs de résistance de 10-100.cm, et que des valeurs de blindage médiocres avec une détérioration simultanée des propriétés mécaniques de la matière composite plasti- que. Tous les composites plastiques contenant des addi- tifs conducteurs, par exemple, des flocons métalliques, des ooudres métalliques, des fils métalliques, du graphi- te, du carbone conducteur, des fibres d'acier, présen- tent les inconvénients suivants: - on ne Deut obtenir de bonnes propriétés électriques qu'au détriment des propriétés mécaniques, - la résistance des paramètres électriques aux alternan- ces de température est insuffisante, - le traitement du carbone et des autres substances pul- vérulentes implique quelquefois des dépenses considéra- bles pour le protection sanitaire, la protection de la main d'oeuvre et la sécurité contre l'incendie; - la plupart des additifs influencent défavorablement l'aspect; - lors du traitement exécuté avec les techniques habi- tuelles, l'utilisation des fibres d'acier et des flocons métalliques, entraîne une usure extrêmement intense des installations utilisées. Il en résulte que les additifs à structure fi- breuse, en particulier les fibres de verre ou soies de verre métallisées présentent un intérêt de plus en plus grand. Jusqu'à présent, il n'était pas connu d'utili- ser des fibres de verre métallisées, présentées sous la forme de fibres de verre revêtues d'aluminium, en tant que seul additif pour conférer des propriétés conductri- ces à des polymères. US-A-4 566 990 décrit la fabrica- tion de mélanges synergétiques d'additifs conducteurs pour la production de matières plastiques destinées au blindage électromagnétique. Ici, on utilise, en dehors 4- des fibres de verre revêtues d'aluminium, également des flocons d'aluminium et des fibres de verre. Le mélange est transformé en un thermoplaste conducteur par le pro- cédé de moulage par injection. EP-A-0 014 104 décrit la fabrication de pré-imprégnés ("Prepregs") conducteurs de a chaleur et conducteurs de l'électricité, obtenus en imprégnant un tissu de soie de verre partiellement compo- sé de soies de verre revêtues d'aluminium, avec une rési- ne époxyde, une résine de polyuréthane, du PA ou un ooly- sulfone. Comme soie de verre, on utilise ce qu'on appel- le un fil hybride. L'inconvénient de ce Droduit protégé par un titre de propriété industrielle consiste en ce que, dans la fabrication du tissu de soie de verre métal- lisé, les phases de traitement additionnelles grèvent dé- favorablement le prix de revient et en ce que le proces- sus de tissage est problématique parce qu'en l'absence de mesures protectrices additionnelles, le fil de soie de verre métallisé est incaDable de résister aux hautes contraintes mécaniques en raison de sa fragilité et de la diminution de sa résistance mécanique. Le but de l'invention est de créer un élément plat textile conducteur, peu colteux, composé de fils élémentaires de soie de verre qui soit tel que les oro- priétés mécaniques connues restent conservées dans le composite plastique et que, par ailleurs, on obtienne une résistance électrique d'un ordre de grandeur infé- rieure à 1 x 108f.cm. La présente invention se donne pour but de créer des fils élémentaires de soie de verre revêtus d'aluminium, coupés, dépourvus d'orientation privilégiée et assemblés par un liant pour former un élément nlat textile destiné à la fabrication de composites thermodur- cissables conducteurs. Selon l'invention, l'élément plat textile con- ducteur est composé de fils élémentaires de soie de ver- re revêtus d'aluminium. Le revêtement optimal pour la fa- brication d'un composite themodurcissable conducteur est réalisé avec des procédés habituels pendant le processus de fabrication des fils élémentaires de soie de verre re- vêtus d'aluminium tandis que les systèmes de revêtement qui sont mis en oeuvre sont modifiés. Le diamètre des fils élémentaires est de 13 à 30 um et la proportion d'aluminium représente au moins 8 % de la masse totale du fil élémentaire métallisé. L'épaisseur de revêtement d'aluminium déposé sur le fil élémentaire est d'au moins 3 um puisque l'effet de blindage pour les ondes électri- ques pénétrant par rayonnement dans le domaine des méga- hertz à gigahertz n'est obtenu qu'avec une profondeur de pénétration de l'ordre du micron. Ces fils élémentaires revêtus d'aluminium sont découpés à une longueur de fi- bres de 25 à 100 mm et assemblés à l'aide d'un liant chi- mique. Les conditions qu'on exige des fils élémentai- res de soie de verre revêtus d'aluminium sont les suivan- tes: 1. la métallisation doit intéresser un nombre aussi grand que possible des fils élémentaires. 2. La couche métallique ne doit présenter aucu- ne interruption (conductibilité ininterrompue). 3. Le film métallique ne doit pas entourer tota- lement le fil de verre, afin que l'effet de renforcement connu des composites fibre de verre-résine reste conser- vé, au moins en partie. Le produit selon l'invention peut être modifié en fonction de l'application envisagée en agissant sur les paramètres densité de fibres et longueur de fibres. L'avantage le plus essentiel du produit selon l'invention consiste dans le fait que sa fabrication est pratiquement sans problème et qu'elle est moins coQteuse que, par exemple, la fabrication d'un tissu de soie de - 2641273 verre métallisé. Les raisons en sont, d'une part, la sup- pression des phases de traitement additionnelles et, d'autre part, le fait que, en l'absence de mesures de protection additionnelles, le fil élémentaire de soie de verre métallisé n'est pas apte à résister aux hautes con- traintes mécaniques qu'il subit dans le processus de fi- lage en raison de sa fragilité et de sa faible résistan- ce mécanique. La fabrication économique du produit selon l'invention est fondée sur la technologie optimale de mé- tallisation, la métallisation par fusion en filage et le fait que l'aluminium est un métal simple à manipuler et peu coQteux. Au tableau 1, les technologies de métallisation qui sont en principe possibles pour la soie de verre, sont évaluées en termes de résistance électrique des fils élémentaires et de coûts de fabrications spécifi- ques. Tableau 1 Procédé de fabrication de fibres de verre métallisées. Procédé Résistance Coût spécifique électrique des I de fabrication I fils élémentaires en (M/kg) (I. cm) Imprégnation avec des laques contenant 0,5 1000-2000 des pigments métalliques Galvanisation 0,01 500-1000 par projection I Ij Vaporisation I 25-50 500-1000 sous vide Métallisation 2,5 100-50 par fusion au filage (AI) Déoôt de métaux sans courant par réduction pen- dant le proces- 106-108 300-500 sus de filage La fabrication de comoosites thermodurcissables conducteurs avec le produit selon l'invention s'effectue par application des procédés habituels du traitement des matières plastiques, tels que le procédé de pose manuel- le, le procédé SMC ou le procédé par enroulement. Selon le procédé de fabrication, on peut obte- nir les caractéristiques électriques et mécaniques sui- vantes: Tableau 2: procédé de oose manuelle avec des 0 systèmes de résine époxyde durcissant à froid ou à chaud. | Nombre Atténuation de Résistance |Module E de blindage intérieure en GPa couches 0-1000 MHz v en.cm | |tSEen dB I 2 t 6-12 120) t 3 t 10-15 100) t 4 I 22-29 18)6,5-9,3 t 5 I 25-32 15) t 6 I 25-31 15) l lI Taoleau 3: orocédé d'enroulement avec des systèmes de résine époxyde durcissant à froid. |Nombre de fils Atténuation IRésistance I Module E élémentaires d'écran intérieure en GPa dans le brin I 1000 MHz | v en.cm 1 |d'enroulement JSE en dB I I I. I I I I I t i 90 25-30 j 45,0 I) 1000 j 27-42 I 12,5 J)5,2-7,7 1980 I 30-43 I 1,5) 5000 I 36-45 I 1,0 O I I) Tableau 4: procédé SMC avec des systèmes de résines de polyuréthane. Teneur en fibres 55 M% Longeur des Atténuation Résistance Module E fibres L d'écran intérieure en GPa en mm 0-1000 MHz en.cm en dB I If I I 12 6-10 125,0) 24 17-26 11,5 I)3,5-5,5 36 25-41 1,5) 48 23-45 0,5 I) I II Les résultats montrent qu'il y a nettement *ne relation de dépendance entre les propriétés d'at nua- tion d'écran et la teneur en fibres ou la longueJr des fibres ainsi que la résistance intérieure. On a pu obte- nir la correlation suivante entre la résistance interrLu- b) re et l'atténuation d'écran. SE en dB -1 - I I - - I - n L.cm I I i I I I -2 -1 0 1 2 3 4 Ceci montre qu'avec les procédés connus pour la modification des thermodurcissables, on peut utiliser des plastiques possédant une résistance électrique suffi- samment basse et, par conséquent, un effet de blindage élevé vis-à-vis des rayonnements électromagnétiques de l'intervalle allant jusqu'à 1000 MHz. En même temps, en dépit du faible niveau de ré- sistance mécanique des fibres de verre métallisées, com- parativement aux produits de fibre de verre tradition- nels, on démontre un effet de renforcement mécanique. Cet effet représente environ 50 % de l'effet qu'on peut obtenir avec des produits de soie de verre normaux, lors- qu'on met en oeuvre des systèmes de revêtement spéciale- ment adaptés. Cette combinaison de caractéristiques de conductibilité électrique et de renforcement mécanique peut être obtenue avec des additifs conducteurs tradi- tionnels, en particulier le carbone et les flocons d'alu- 11. minium. Un autre avantage des pinces moulées fabriquées par le procédé précité consiste dans la constance relati- vement grande des paramètres électriques face aux con- traintes thermiques alternées. Dans le cas de thermos- plastiques renforcés de fibres d'acier, on observe une chute de 80 % des valeurs de la résistance intérieure après cinq cycles de température de 20-80 C. On peut dé- montrer des effets analogues dans le cas d'autres addi- tifs métalliques (poudres, paillettes). Dans le cas de pièces moulées contenant de la soie de verre métallisée, ces phénomènes n'ont été observés, encore que dans une mesure très réduite, qu'à des températures maximales de cycle de > 150 C. L'avantage essentiel des composites thermodur- cissables conducteurs réalisés à base de l'élément plat selon l'invention consiste dans l'avantage, déjà indi- qué, à savoir, sa fabrication économique. R E V E N D I C A T I 0 NS 1. Elément plat textile conducteur composé de fils élémentaires de soie de verre, caractérisé en ce qu'il est composé de fils élémentaires de soie de verre métallisés, d'une longueur limitée, sans orientation pri- vilégiée et assemblés à l'aide d'un liant chimique. 2. Elément plat textile conducteur composé de fils élémentaires de soie de verre selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la métallisation des fils élémentaires de soie de verre s'effectue à l'aide d'un bain d'aluminium fondu. 3. Elément plat textile conducteur composé de fils élémentaires de soie de verre selon la revendica- tion 1 et la revendication 2, caractérisé en ce que la fraction aluminium représente au moins 8 % de la masse totale du fil élémentaire métallisé. 4. Elément plat textile conducteur composé de fils élémentaires de soie de verre selon les revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'épaisseur de la cou- che d'aluminium déoosée sur le fil élémentaire représen- te au moins 3 um. 5. Elément plat textile conducteur à base de fils élémentaires de soie de verre selon les revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le diamètre des fils élémentaires est de 13 à 30 pum, de préférence de 25 pm. 6. Elément plat textile conducteur à base de fils élémentaires de soie de verre selon les revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur des fi- bres des fils élémentaires est de 25 à 100 mm, de préfé- rence de 50 mm. 7. Elément plat textile conducteur à base de fils élémentaires de soie de verre selon les revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le fil élémentaire de soie de verre est entouré du fil métallique sur la moi- tié du tour. 8. Elément plat textile conducteur à base de fils élémentaires de soie de verre selon les revendica- tions 1, 2 et 6, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la fabrication de matières composites plastiques conductrices, de préférence, de composites thermodurcis- sables conducteurs.