Brevet FR2681063A1 — publié le 19930312

Arrière plan de l'invention 1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un matériau thermiquement isolant à haute résistance ne contenant pas d'asbeste et un procédé pour produire ce matériau thermiquement isolant. 2 Etat de la technique antérieure Une plaque de ciment électriquement isolant (couramment dénommé hémite ou bois d'oeuvre) défini dans la norme japonaise JIS C 2210 est formée en moulant l'asbeste en utilisant du ciment de Portland comme liant Comme l'hémite est facilement découpée et possède une excellente propriété de résistance à la chaleur et une résistance mécanique élevée avec de bonnes caractéristiques d'usinage telles que propriété de fraisage, propriété d'alésage et ainsi de suite, elle est utilisée non seulement comme isolant électrique mais aussi comme isolant thermique Par exemple, le matériau peut être utilisé pour fabriquer une plaque thermiquement isolante pour une presse chauffée, un châssis pour un four à induc- tion et ainsi de suite qui doivent être découpés avant l'emploi et doivent avoir une résistance élevée. Cependant, comme les articles selon la norme JIS ci-dessus contiennent 40 % d'asbeste, il se produit une grande quantité de poussières de fibres d'asbeste toxiques En conséquence, on a besoin de proposer un matériau sans asbeste ayant des propriétés de résistance et d'usinabilité semblables à celles d'un matériau contenant de l'asbeste. De manière classique, un matériau thermiquement isolant ayant une densité de 1,6-2,0 g/cm 3 obtenu en liant de la poudre de talc et de la pâte en utilisant du ciment de Portland (publication non examinée de brevet japonais n Sho-61-109205) a été proposé comme succédané de qualité ciment ne contenant pas d'asbeste Cependant, le matériau proposé a l'inconvénient que sa résistance mécanique et ses dimensions sont fortement réduites par chauffage, parce que la seule fibre de renforcement est de la pulpe On outre, sa ténacité est insuffisante Lorsque le matériau est chauffé avec une application d'une forte charge ou dans des conditions de contrainte, le matériau est susceptible de se fissurer En conséquence, le matériau n'a pas reçu un bon accueil comme succédané de l'hémite et de produits analogues bien que le matériau ne contienne pas d'asbeste. Résumé de l'invention Un objet de la présente invention est de proposer un matériau thermi- quement isolant sans asbeste ayant des propriétés d'usinage équivalentes à celles de l'hémite ou du bois d'oeuvre, ayant des propriétés supérieures telles que résistance à la chaleur, résistance mécanique élevée et des caractéristiques électriques appro- priées. La présente invention propose un matériau thermiquement isolant usinable, de résistance mécanique élevée, contenant 1-5 % en poids de fibres de polyétheramide aromatique, dispersées sous la forme de filaments et 20- 70 % en poids de wollastonite fibreuse Le matériau thermiquement isolant a une matrice de silicate de calcium hydraté et possède une densité comprise entre 1,3 et 1,9 g/cm 3. La présente invention propose également un procédé de production du matériau Le procédé comprend les étapes suivantes: dispersion de fibres de poly- étheramide dans l'eau contenant un agent de dispersion de fibres; addition au liquide de dispersion obtenu de ciment de Portland et de silicate de qualité en poudre fine comme liant minéral et de wollastonite fibreuse comme charge non réactive; malaxage du mélange; déshydratation-moulage sous presse du mélange malaxé dans des conditions telles qu'on puisse obtenir un moulage ayant une densité de 1,3-1,9 g/cm 3; et enfin durcissement du moulage dans un autoclave. Description détaillée des modes de mise en oeuvre préférés Dans le matériau thermiquement isolant selon l'invention, les fibres de polyétheramide aromatique présentent un fort effet de renforcement même si leur teneur est faible, de sorte qu'elles donnent une ténacité élevée au matériau thermi- quement isolant Il est préférable de choisir la teneur en fibres entre 0,5 et 5,0 % en poids Si la teneur est inférieure à 0,5 % en poids, la résistance du matériau thermi- quement isolant est insuffisante pour diverses utilisations Si la teneur est supé- rieure à 5,0 % en poids, il devient alors difficile de disperser uniformément les fibres dans le procédé de production et en conséquence il reste des mottes de fibres qui réduisent les propriétés d'usinage du matériau Dans le mode de mise en oeuvre, il est préférable de choisir la longueur des fibres de 3-12 mm L'effet de renforcement n'est pas satisfaisant si la longueur des fibres est inférieure à 3 mm, également, la propriété de dispersion dans le procédé de production devient mau- vaise si la longueur dépasse 12 mm de sorte que l'on obtient les mêmes résultats indésirables que mentionné précédemment. La wollastonite joue un rôle important dans la propriété d'usinage du matériau thermiquement isolant de l'invention Autrement dit, la composition de la wollastonite fibreuse peut faciliter le découpage du matériau thermiquement isolant, même si le matériau thermiquement isolant est un produit moulé de haute densité En outre, les fibres de polyétheramide aromatique sont difficiles à couper à cause de leur forte ténacité et si elles sont utilisées pour renforcer un produit moulé de qualité ciment ou de qualité silicate de calcium, il peut y avoir production de peluches dans une surface finie découpée, bien que l'effet de renforcement soit grand Dans le matériau thermiquement isolant contenant une grande quantité de wollastonite fibreuse selon la présente invention, cependant, il n'y a pas production de peluches de fibres ce qui donne une surface travaillée esthétique La raison pour laquelle le matériau de la présente invention donne un produit sans peluche après découpage est que, dans le matériau thermiquement isolant, des particules solides de wollastonite fribreuse existant au voisinage des fibres de polyétheramide aromatique peuvent fixer les fibres de polyétheramide aromatique se détachant du bord latéral d'un outil d'usinage pour aider le découpage du bord latéral. La wollastonite fibreuse est également utile pour réduire le taux de retrait thermique du matériau thermiquement isolant et pour améliorer sa résistance à la flexion. L'action précédente n'est pas suffisamment remplie si la teneur en wollastonite fibreuse est inférieure à 20 % en poids Cependant, il n'est pas préfé- rable que sa teneur soit supérieure à 70 % en poids, parce que la résistance est réduite. Dans le mode de mise en oeuvre, il est préférable de choisir la densité du matériau entre 1,3 et 1,9 g/cm 3 de manière à obtenir une résistance suffisante tout en assurant la propriété d'usinage Autrement dit, bien qu'un produit de haute densité ayant une densité de 1,9 g/cm 3 ou plus ait une résistance élevé, il est difficile à découper, et sa propriété de résistance à la chaleur devient mauvaise. Ensuite, on décrira le procédé de production du matériau thermi- quement isolant selon l'invention. D'abord, on prépare de l'eau contenant en dissolution un agent de dispersion des fibres tels qu'oxyde de polyéthylène, polyacrylamide, polyacrylate de sodium et analogues Ensuite, on ajoute à l'eau des fibres de polyétheramide aromatiques et on agite pour disperser Les fibres de polyétheramide aromatique sont commercialisées par TEITIN LIMITED sous la marque TECHNORA On peut utiliser du TECHNORA comme agent de dispersion des fibres et ses fils multi- filaments sont découpés à l'avance à environ 3-12 mm de long Outre l'addition des fibres de polyétheramide aromatique au liquide de dispersion de fibres, des auxiliaires de moulage tels que de la pulpe, un agent réducteur d'eau et analogues peuvent être ajoutés selon le besoin au liquide de dispersion des fibres avant addition des fibres ou en même temps que l'addition des fibres et dispersés ou dissous dans le liquide. Lorsque l'agitation a été effectué suffisamment pour obtenir un liquide de dispersion dans lequel les fibres ont été dispersées sous la forme de filaments, le liant minéral est ajouté au liquide de dispersion Le ciment de Portland et la poudre fine de qualité silicate sont de préférence utilisés comme liant La poudre de silice, la farine de silice et analogues peuvent être utilisées comme poudre fine de qualité silicate. Une matière première particulièrement fine de qualité silicate, par exemple la farine de silice, peut être ajoutée et dispersée au moment de la prépa- ration du liquide de dispersion de fibres précédent puisqu'il est difficile d'incor- porer une telle matière de façon uniforme à un stade ultérieur La poudre fine de qualité silicate réagit avec la chaux séparée du ciment de Portland pour produire ainsi du silicate de calcium dans le traitement en autoclave après moulage La matière première est ajoutée en quantité d'environ 30-100 % en poids par rapport au ciment de Portland. Ensuite, la wollastonite fibreuse est ajoutée au liquide en même temps que l'addition du liant minéral ou après son addition et on mélange suffisamment. La qualité de l'agent de dispersion des fibres tel qu'oxyde de polyéthylène, poly- acrylamide, polyacrylate de sodium ou analogue est modifiée par l'alcali dans le ciment dans le procédé de mélange de sorte qu'il perd son caractère fibreux, sa viscosité et sa propriété de rétention de l'eau, tandis qu'il présente un effet de cohésion de poudre facilitant le moulage avec déshydratation Il est donc préféra- ble d'utiliser les matières précédentes comme agent de dispersion des fibres dans le procédé de production selon la présente invention. Le mortier uniforme qui a été obtenu comme décrit ci-dessus est soumis au moulage sous presse avec déshydratation A ce moment, les conditions de moulage sont ajustées pour que le produit final ait une densité de 1, 3- 1,9 g/cm 3. Le produit moulé obtenu est prédurci à température ambiante selon une méthode généralement utilisée et envoyé dans un autoclave pour le durcissement à chaud et sous pression à environ 150-179 C pendant environ 7 à 10 h Bien que le silicate de calcium produit soit presque dans un stade dit C-S-H dans les con- ditions de traitement, il est nécessaire d'effectuer le traitement soigneusement dans des conditions qui ne soient pas plus rigoureuses que celles du durcissement en autoclave précédent, pour éviter la détérioration des fibres de polyétheramide aromatique. Le produit moulé traité est utilisé après avoir été usiné, par exemple par découpage, perçage ou alésage, fraisage etc selon les besoins. Exemples La wollastonite fibreuse (norme A 60) utilisée dans les exemples et exemples comparatifs suivants était fabriquée en Inde Le diamètre moyen et la longueur moyenne des particules fibreuses étaient de 16 uni et 150 yum respecti- vement Comme fibres de polyétheramide aromatique on a utilisé TECHNORA 1320 (produit par TEIJIN Ltd; diamètre de filament 12 Sam; fil multifilament de 1000 filaments de denier 1 500) qui était découpé à 6 mm de long Le ciment de Portland, la poudre de silice et la farine de silice ont été mélangés ensemble dans le proportions pondérales 60:20:20 pour former le liant minéral On a utilisé KAO MIGHTY (KAO Corporation) comme agent réducteur d'eau L'oxyde de polyéthylène utilisé comme agent de dispersion des fibres était ALCOXE E 160 (MEISET CHEMICAL WORKS Ltd). La méthode d'essai du produit était la suivante: 1 Résistance à la flexion et ténacité une éprouvette de mm x 120 mm x 10 mm chauffée à 105 ou 200 'C pendant 4 h a été soumise à un test de flexion en trois points avec une portée de 100 mm La ténacité était exprimée par la valeur obtenue en divisant la surface (quantité de travail) d'une quantité de flexion jusqu'à 2 mm dans la courbe contrainte-flexion dans le test de flexion par la section droite de l'éprouvette. 2 Taux de retrait à chaud: on a mesuré le taux de retrait de l'éprou- vette d'essai en flexion ci-dessus lorsqu'elle était chauffée à 200 'C pendant 24 h. 3 Poli de la surface fraisée: la surface d'un produit a été fraisée avec une fraise et on a mesuré l'existence de peluches de fibres de polyétheramide aromatique et le boulochage dû au flux de fibres non résolu produit dans la surface fraisée L'échelle comparative des catégories de poli est la suivante: A Surface uniforme et lisse n'ayant pas de peluche et pas de boulochage; B Surface lisse ayant quelques peluches; C Surface partiellement irrégulière ayant un flux de fibres insuffisamment dispersées et des peluches; D Surface irrégulière due à un flux de fibres presque pas dispersées et au boulo- chage. 4 Test d'alésage: le travail d'alésage a été effectué avec un foret ayant un diamètre de 10 mm, une vitesse de rotation de 260 tr/min et une vitesse d'avance de 40 mm/min sans utiliser de plaque inférieure et on a mesuré la dimen- sion de l'entaille produite dans l'échantillon en poinçonnant l'alésage. Test de découpage: un échantillon a été découpé à sec en utilisant une scie diamantée (dimension extérieure 356 mm; épaisseur ou bord 3 mm) à une vitesse de rotation de 180 tr/min et avec une vitesse d'avance de 2000 mm/min et on a mesuré la dimension de l'entaille dans l'extrémité découpée de l'échantillon. Exemple 1 La pulpe, la farine de silice et l'agent réduisant l'eau ont été mélangés ensemble dans l'eau et on a placé dans un mixeur une quantité prédéterminée du mélange liquide obtenu On a ensuite ajouté au mélange liquide l'oxyde de poly- éthylène, agent de dispersion des fibres, et on a encore agité Ensuite, on a ajouté au mélange liquide des fibres de polyétheramide aromatique et on a agité suffi- samment pour les mettre à l'état de filaments La wollastonite fibreuse, le ciment de Portland, la poudre de silice et l'agent réducteur d'eau ont été ajoutés au liquide et on a agité pour préparer un mortier uniforme Le mortier obtenu a été soumis au moulage-déshydratation sous presse pour préparer une plaque de 120 mm x mm x 15 mm dans des conditions pour obtenir un produit final ayant une densité de 1,6 g/cm 3, prédurci à température ordinaire pendant 12 h et durci en autoclave à 179 'C pendant 10 h. Dans le procédé de production précédent, on a produit 3 types de matériaux thermiquement isolants en n'utilisant pas de wollastonite fibreuse ou en changeant sa proportion Le tableau 1 indique la composition des matières premières et les caractéristiques du produit de chacun des exemples. Tableau 1 Comparaison des exemples Comparaison Ex 1 Ex 2 Composition des matières premières: Proportions (en poids) Wollastonite fibreuse O 45 75 Fibres de polyétheramide aromatique 2 2 2 Liant minéral 95 50 20 Pulpe 1 1 1 Agent réducteur d'eau 0,1 0,1 0,1 Oxyde de polyéthylène 0,2 0,2 0, 2 Eau 100 140 180 Caractéristiques du produit Résistance à la flexion (M Pa) à 105 C 18,0 31,0 15, 0 à 200 'C 15,0 30,0 12, 0 Ténacité (kg/cm) à 105 C 2,0 2,4 1, 9 à 200 'C 1,8 2,3 1, 6 Taux de retrait à chaud (%) 0,21 0,06 0, 04 Poli de la surface découpée C A B Test d'alésage (mm) 2,5 0,5 0,5 Test de découpage (mm) 2,0 0,5 0,5 Exemple 2 On a produit trois types de matériaux thermiquement isolants par le même procédé qu'à l'exemple 1 en fixant les proportions de la wollastonite fibreuse et du liant minéral, tandis que l'on changeait la proportion des fibres de polyéther aromatique. Le tableau 2 montre la composition des matières premières et les caractéristiques du produit de chacun des exemples. Tableau 2 Comparaison des exemples Composition des matières premières: Wollastonite fibreuse Fibres de polyétheramide aromatique Liant minéral Talc Pulpe Agent réducteur d'eau Oxyde de polyéthylène Eau Caractéristiques du produit Résistance à la flexion (M Pa) à 105 C à 200 C Ténacité (kg/cm) à 105 C à 200 'C Taux de retrait à chaud (%) Poli de la surface découpée Test d'alésage (mm) Test de découpage (mm) Comparaison Ex 1 Proportions (en poids) 40 0 2 45 10 3 1 0,1 0,1 0,2 0,2 140 28,0 22,0 0,9 0,6 0,07 A 0,5 0,5 31,0 ,0 2,4 2,3 0,06 A 0,5 0,5 Ex.2 0,1 0,2 ,0 24,0 3,9 3,6 0,04 D 1,5 2,0 Exemple 3 On a produit trois types de matériaux thermiquement isolants avec la composition des matières premières du tableau 3 par le même procédé qu'à l'exemple 1. Le tableau 3 indique également les caractéristiques des matériaux thermiquement isolants obtenus. Tableau 3 Comparaison des exemples Composition des matières premières: Wollastonite fibreuse Fibres de polyétheramide aromatique Liant minéral Pulpe Agent réducteur d'eau Polyacrylate de sodium Oxyde de polyéthylène Polyacrylamide Eau Caractéristiques du produit Résistance à la flexion (M Pa) à 105-C à 200 C Ténacité (kg/cm) à 105 C à 200 C Taux de retrait à chaud (%) Poli de la surface découpée Test d'alésage (mm) Test de découpage (mm) Comparaison Proportions 0,1 0,2 ,0 28,0 2,4 2,2 0,07 B 0,5 0,5 Comme décrit ci-dessus, le matériau thermiquement isolant selon la présente invention a une résistance et une ténacité améliorées à cause de l'effet synergique entre les fibres de polyétheramide aromatique dispersées sous la forme de filaments et de la wollastonite fibreuse, bien que le matériau thermiquement isolant ne contienne pas d'asbeste Les propriétés de résistance à la chaleur et les propriétés d'usinage sont supérieures En conséquence, le matériau thermiquement isolant selon la présente invention peut être largement utilisé comme succédané Ex 1 (en poids) 0,1 0,1 o O Ex.2 0,1 o O 0,2 33, 0 ,0 32 ? 0 ,0 2,5 2,4 0,06 A 0,5 0,5 2,6 2,4 0,07 B 0,5 0,5 d'une plaque en ciment d'asbeste, c'est-à-dire l'hémite, à utiliser comme plaque électriquement isolante, comme matériau thermiquement isolant et analogues. il REVENDICATIONS 1 Matériau thermiquement isolant de résistance mécanique élevée, caractérisé en ce qu'il comprend: environ 1-5 % en poids de fibres de polyétheramide aromatique dispersées dans l'eau sous la forme de filaments; entre 20 et 70 % en poids de wollastonite fibreuse; et une matrice faite d'un silicate de calcium hydraté, ledit matériau ther- miquement isolant ayant une densité comprise entre 1,3 et 1,9 g/cm 3. 2 Un matériau thermiquement isolant de résistance mécanique élevée caractérisé en ce qu'il comprend: au moins 1 % en poids de fibres de polyétheramide aromatique disper- sées dans l'eau sous la forme de filaments; au moins 20 % en poids de wollastonite fibreuse; et un liant minéral contenant un mélange de ciment de Portland, de poudre de silice et de farine de silice dans les proportions pondérales 60:20:20 respectivement, ledit matériau thermiquement isolant ayant une densité comprise entre 1,3 et 1,9 g/cm 3. 3 Matériau thermiquement isolant selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre environ 1 % en poids de pulpe et 0,1 % en poids d'un agent réducteur d'eau. 4 Procédé de fabrication d'un matériau thermiquement isolant, carac- térisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: dispersion de fibres de polyétheramide aromatique dans l'eau contenant un agent de dispersion des fibres pour obtenir une dispersion liquide; addition à la dispersion liquide de ciment de Portland et de poudre fine de qualité silicate comme liant minéral et de wollastonite fibreuse comme charge non réactive; malaxage du mélange de liant minéral et de charge; déshydratation-moulage sous presse du mélange malaxé de manière à obtenir un article moulé ayant une densité comprise entre 1,3 et 1,9 g/cm 3; et durcissement de l'article moulé en autoclave. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on utilise comme dit agent de dispersion des fibres un produit choisi parmi l'oxyde de poly- éthylène, le polyacrylamide et le polyacrylate de sodium.