Brevet FR2699320A1 — publié le 19940617

L'invention se rapporte aux fils et câbles électriques et plus particulièrement à un fil conducteur de l'électricité qui est enveloppé par une isolation spéciale. Le polytetrafluoréthylène (PTFE) est chimiquement inerte, il résiste à la chaleur, il a de bonnes propriétés d'isolation de l'électricité et il a un faible coefficient de frottement dans une large plage de température. Toutefois, lorsqu'il est utilisé en matière d'isolation sur un fil ou un câble électrique, le PTFE a une faible résistance à 1'entaillage, qui est définie par la force nécessaire à une lame effilée pour pénétrer dans la couche d'isolation d'un conducteur et établir le contact électrique avec celui-ci. Le PTFE peut tre produit sous forme poreuse expansée, comme décrit dans le brevet U. S. N 3 953 566. Cette matière, dénommée polytétrafluoréthylène poreux expansé (ePTFE), a une résistance mécanique étonnamment plus élevée que le PTFE ordinaire, tout en conservant la propriété d'tre chimiquement inerte et d'avoir la résistance à la chaleur du PTFE ordinaire. Toutefois, le ePTFE a la mme résistance relativement mauvaise à l'entaillage que le PTFE ordinaire. Un ePTFE densifié par compression est décrit dans le brevet U. S. N 4 732 626. Ce ePTFE densifié est tout d'abord expansé par le procédé du brevet U. S. N 3 953 566 mentionné ci-dessus, puis il est densifié par calandrage de façon qu'il aie une densité d'environ 1,6 g/cm3. Ce ePTFE densifié par compression est ensuite placé autour d'un fil conducteur et chauffé à une température supérieure à 385 C. Le conducteur résultant, isolé par ce ePTFE densifié, a la résistance mécanique élevée du ePTFE, mais il a une résistance améliorée à 1'entaillage. Toutefois, le ePTFE densifié n'assure pas de manière constante des liens entre couches ayant une résistance suffisante lorsqu'il est placé autour d'un conducteur. L'invention se rapporte à un fil électrique isolé, dont le conducteur est enveloppé d'un ruban formé d'un substrat de polytétrafluoréthylène poreux expansé sur un côté duquel est mis en adhérence, c'est-à-dire lié un fil de polymère thermoplastique ayant un point de fusion inférieur à 342 C, ce fil ayant une épaisseur sensiblement uniforme qui est inférieure à environ 9 microns. Suivant un mode de réalisation avantageux, le film thermoplastique a une épaisseur de 7 microns ou moins et de préférence de 5 microns ou moins. Le film thermoplastique est de préférence un polymère fluoré et très avantageusement un copolymère thermoplastique de tétrafluoréthylène. Le film thermoplastique peut former, selon son taux d'étirage, une pellicule très mince, c'est-à-dire d'une épaisseur de 9 microns ou moins, à la surface de laquelle le PTFE poreux expansé est continu et non poreux. L'invention va tre décrite plus en détail à titre d'exemple, en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective avec coupe partielle d'un élément composite selon la présente invention qui enveloppe un conducteur ; et la figure 2 est une représentation schématique d'un appareil d'essai dynamique de la résistance à l'entaillage. L'expansion, c'est-à-dire l'étirage du polytétrafluoréthylène est un procédé connu et décrit dans le brevet U. S. N 3 953 566 mentionné plus haut. Tout d'abord, du PTFE en poudre fine, qui peut contenir une charge, est mélangé avec une quantité suffisante d'un hydrocarbure facilitant l'extrusion, en général d'un alcool sans odeur d'origine minérale, jusqu'à ce qu'une pâte soit formée. La pâte est comprimée en une billette, puis envoyée dans une extrudeuse à pâte de manière qu'elle forme un élément homogène qui peut tre une barre, un filament, un tube ou une feuille qui peut tre une pellicule mince ou une membrane. La pièce homogène de PTFE peut tre éventuellement comprimée et ensuite séchée par volatilisation à la chaleur de l'hydrocarbure facilitant 1'extrusion. La volatilisation de cet agent d'extrusion permet d'obtenir une pièce homogène de PTFE qui a une faible porosité. Le PTFE poreux résultant est alors prt à tre revtu d'un polymère thermoplastique et à subir un étirage avec lui. Toutefois, si l'on désire que le PTFE soit très poreux, un étirage de préconditionnement peut tre effectué à 200-300 C, de préférence de manière à obtenir environ 1,5 à 5 fois la longueur initiale. La pièce homogène de PTFE est assemblée à une couche de polymère thermoplastique par mise en contact de cette dernière avec une surface de la pièce homogène de PTFE. En général, le PTFE est sous forme d'une feuille ou d'une membrane et le polymère thermoplastique est sous forme d'une feuille ou d'une pellicule et celle-ci se place sur la feuille de PTFE. L'ensemble est chauffé à une température comprise entre le point de fusion du polymère thermoplastique et 356 C. La pièce homogène de PTFE est maintenue sous traction pendant qu'elle est chauffée, de façon qu'elle conserve ses dimensions pendant que la couche de polymère thermoplastique lui est assemblée. Le chauffage de la pièce homogène de PTFE peut s'effectuer de toutes manières connues dans cette technique, notamment à l'aide d'une source de chaleur de convexion, d'une source de chaleur de radiation ou d'une source de chaleur de conduction. Le source de chaleur de conduction peut tre une surface chauffée telle qu'un tambour, une matrice, un rouleau ou une plaque incurvée qui est chauffé. Pendant que la pièce homogène de PTFE est chauffée à une température supérieure à celle du point de fusion de la couche de polymère thermoplastique, celle-ci, qui est en contact avec la pièce de PTFE, est ramollie au moins partiellement et se colle à la surface de cette pièce, de manière à former une ébauche composite, c'est-à-dire un élément de PTFE qui est revtu et qui est prt à subir une expansion. Lorsqu'une source de chaleur de conduction est utilisée pour chauffer la pièce de PTFE, la surface de cette dernière doit tre placée contre la source de chaleur, de façon à empcher que la couche de polymère thermoplastique colle ou fonde sur elle. Le polymère thermoplastique de la couche a un point de fusion de 342 C ou moins. Les points de fusion des polymères thermoplastiques se déterminent par calorimétrie à balayage différentiel. Le polymère thermoplastique est d'un type qui se lie au substrat et peut tre un polypropylène, un polyamide, un polyester, un polyuréthanne ou un polyéthylène. Le polymère thermoplastique est de préférence un polymère fluoré. Des exemples de polymères fluorés thermoplastiques sont un copolymère fluoré d'éthylène et de propylène (FEP), un copolymère de tétrafluoréthylène et de perfluoro (propylvinyl éther) (PFA), des homopolymères de polychlorotrifluoréthylène (PCTFE) et ses copolymères avec du tétrafluoréthylène (TFE) ou du fluorure de vinylidène (VF2), un copolymère d'éthylène et de chlorotrifluoréthylène (ECTFE), un copolymère d'éthylène et de tétrafluoréthylène (ETFE), un fluorure de polyvinylidène (PVDF) et un fluorure de polyvinyle (PVF). Les polymères fluorés thermoplastiques sont avantageux, car ils ont une nature semblable à celle du PTFE, ils ont des points de fusion qui sont proches du point de fusion le plus bas du PTFE à l'état cristallin et en conséquence, ils sont des polymères thermoplastiques résistant à des températures relativement élevées. Les polymères fluorés thermoplastiques sont aussi de nature relativement inerte et donc ont une bonne résistance à la dégradation par de nombreux produits chimiques. La matière revtue subit une expansion par étirage selon le procédé du brevet U. S. N 3 953 566 mentionné plus haut. La plage de températures à laquelle 1'expansion de la matière est effectuée est comprise entre une température égale ou supérieure au point de fusion de la couche de polymère thermoplastique et un température égale ou supérieure à 342 C. La matière peut subir un étirage uniaxial, uniquement dans la direction de la longueur ; un étirage biaxial, en direction longitudinale et en direction transversale ; ou un étirage radial, c'est-à-dire en direction longitudinale et en direction transversale simultanément. Elle peut tre étirée en une ou plusieurs étapes. La pièce homogène de PTFE forme un élément poreux expansé lorsqu'il est étiré. L'élément de ePTFE est caractérisé par une série de noeuds reliés par des fibrilles. Lorsque la pièce homogène de PTFE subit une expansion de manière qu'elle forme un élément de ePTFE, la couche de polymère thermoplastique qui est collée à elle est portée par une de ses surfaces alors que cette couche est à l'état fondu, de sorte qu'elle forme une pellicule mince de polymère thermoplastique sur l'élément de ePTFE. Cette pellicule mince a une épaisseur inférieure à 9p et elle a de préférence une épaisseur correspondant à la moitié, de préférence à un dixième de l'épaisseur initiale de la couche de polymère. Par exemple, une couche de polymère thermoplastique ayant initialement une épaisseur de 25 g peut produire une pellicule mince ayant une épaisseur pouvant descendre jusqu'à 2,5 microns ou moins après expansion de la pièce homogène de PTFE en l'élément de ePTFE. La couche de polymère thermoplastique est en contact avec une surface de la pièce homogène de PTFE par laquelle elle est portée lorsque cette pièce subit une expansion à une température égale ou supérieure au point de fusion de la pellicule de polymère thermoplastique. Une seconde couche de polymère thermoplastique peut tre présente sur l'autre côté de la pièce de PTFE poreux expansé. Cette seconde couche peut tre étirée simultanément avec la première. En variante, la seconde couche de polymère thermoplastique peut tre étirée plus tard que la première pellicule mince, mais il faut éviter que cette dernière soit remise en fusion, il faut que la seconde couche de polymère thermoplastique aie un point de fusion inférieur à celui de la pellicule mince et l'étirage de la seconde couche doit tre effectué à une température égale ou supérieure à celle de son point de fusion, mais inférieure au point de fusion de la première pellicule mince de polymère thermoplastique. Suivant une autre variante encore de réalisation, une seconde couche de PTFE homogène peut tre placée sur la couche de polymère thermoplastique, de sorte que celle-ci est emprisonnée ou enserrée entre deux couches de PTFE. La seconde couche de PTFE peut tre étirée par le procédé décrit plus haut, en mme temps que ou après 1'expansion du premier élément homogène de PTFE. Une charge particulaire peut tre incorporée à la poudre fine de résine de PTFE par le processus décrit dans le brevet U. S. ? 4 985 296. Le terme"particulaire"se rapporte à des particules individuelles pouvant avoir tout rapport de la longueur à l'épaisseur et désigne donc des fibres ou des poudres. La charge particulaire peut tre une charge minérale et comprend des métaux, des métalloïdes, des oxydes métalliques, du graphite, du carbone, des céramiques et du verre. En variante, la charge particulaire peut tre une charge organique qui comprend des résines thermoplastiques. Les résines thermoplastiques peuvent tre un polyester éther cétone, un copolymère fluoré d'éthylène et de propylène, un copolymère de tétrafluoréthylène et de perfluoro (propylvinyléther) ou analogue. Sur la figure 1, le film de l'élément expansé composite 42 en couches est coupé à une largeur désirée, puis enroulé en hélice autour d'un conducteur électrique 41 ou autour d'autres couches de matières isolantes préalablement placées autour du conducteur, de manière à produire un fil ou câble gainé 40. L'élément composite expansé en couches et ayant la forme d'un film peut tre placé de manière que la couche mince 43 de polymère thermoplastique se trouve soit du coté du conducteur, soit du côté opposé. Cette couche composite peut aussi tre utilisée pour envelopper une fibre optique. Le film composite expansé en couches a une bonne résistance à l'entaillage et une résistance à la rupture qui est supérieure à celle des conducteurs ordinaires enrobés de PTFE. Lorsque la couche mince de polymère thermoplastique qui se trouve dans le film composite expansé en couches est continue, le fil ou câble enrobé a une bonne résistance à l'attaque ou aux liquides à faible tension superficielle. Le film composite expansé en couches forme aussi par lui-mme une barrière contre les liquides à faible tension superficielle lorsqu'il forme un stratifié avec d'autres éléments en feuille. Les exemples suivants de la présente invention ne sont donnés qu'à titre d'exemple et ne sont pas destinés à limiter la portée de l'invention. Les essais qui ont été effectués vont tout d'abord tre décrits. Epaisseur du film L'épaisseur des films utilisés a été déterminée à l'aide d'un micromètre. L'épaisseur des couches des éléments composites des exemples a été déterminée par une technique de mensuration stochastique-ergodique ou par analyse aux infrarouges. L'uniformité de l'épaisseur a été observée visuellement. Résistance à l'entaillage Pour calculer la résistance à l'entaillage, un échantillon de 30,5 cm de longueur d'un fil isolé a été placé dans une machine d'essai dynamique de résistance à l'entaillage telle que représentée sur la figure 2. Un fil échantillon 1 est supporté et tenu par un butoir 3. Un bloc 5 ayant un rayon de 0,025 + 0,001 mm est positionné perpendiculairement à l'axe du fil 1 et contre la surface extérieure de l'isolation. La machine comprend un bras de levier fileté 7 et un poids 9 comportant un trou taraudé correspondant, de manière que, lorsque le bras de levier fileté subit une rotation, le poids se déplace transversalement sur lui en s'éloignant d'un point de pivotement 10. Lorsque le poids se déplace, la force s'exerçant sur la lame 5 augmente. La vitesse de rotation du bras de levier fileté est constante, de façon que la force de la lame augmente à un taux de 10 kg/minute. Un circuit électrique détecte l'instant auquel la lame a percé l'isolation et touche le conducteur et il arrte la rotation du bras de levier fileté. Ceci marque la fin de l'essai. Une horloge mesure le temps qui s'est écoulé entre le début et la fin de l'essai. Cette mesure de temps pendant lequel la force augmente à un taux connu permet le calcul de la force s'exerçant sur la lame à l'instant de la défaillance. Ceci représente la mesure de la résistance à l'entaillage. Les mesures dynamiques de résistance à l'entaillage sont effectuées sur chaque échantillon et la moyenne des résultats est effectuée. Les résultats des essais sont largement fonction du tranchant local de la lame et donc imposent des critères stricts à la dureté de cette dernière et à l'uniformité sur la totalité de la surface de coupe. Il faut prendre soin de n'utiliser que des lames qui sont effilées uniformément et qui sont durables. Il faut que la lame soit calibrée avant chaque essai. Un procédé de vérification du calibrage de la lame consiste à tester un fil solide de 0,25 mm de diamètre qui est isolé par une épaisseur de 0,12 mm d'un copolymère extrudé d'éthylène et de tétrafluoréthylène. Lorsque la défaillance se produit à 1, 0 kilogramme plus ou moins 0,1 kilogramme, la lame a le tranchant souhaité. Résistance à la traction du film Pour déterminer la résistance à la traction d'un film, il faut en déterminer l'épaisseur à l'aide d'un micromètre et en déterminer la largeur à l'aide d'un gabarit linéaire. Il faut utiliser une machine de type à vitesse constante d'écartement entre les deux paires de mâchoires pour tester les échantillons à la rupture. La vitesse d'écartement utilisée est de 25,4 cm/min. La charge maximale et l'allongement en pourcent sous charge maximale sont enregistrés. L'effort sous charge maximale est déterminé par division de la charge maximale par la superficie minimale en coupe transversale mesurée sur l'échantillon. La matrice de la résistance à la traction s'obtint par multiplication de 1'effort sous charge maximale par le rapport de la densité du PTFE solide (2,18 g/cm3) à la densité de l'échantillon. Un groupe de trois échantillons est utilisé pour chaque valeur énumérée plus bas. Charge à la rupture d'un fil isolé Pour déterminer la force nécessaire à casser un échantillon d'un fil isolé, le procédé ASTM portant la référence D 3032-91 est utilisé avec quelques modifications mentionnées ci-dessous. Les échantillons soumis aux essais comprennent le conducteur ainsi que l'isolation. Un intervalle de 25,4 cm est utilisé au lieu de l'intervalle de 5,1 cm dans l'appareil d'essai de traction. De mme, la distance de l'écart entre les joues de la machine d'essai de traction est de 25,4 cm. Un minimum de cinq essais a été effectué pour chaque échantillon. Résistance à l'abrasion par grattage Pour déterminer la résistance au grattage et à l'abrasion d'une couche d'isolation placée sur un conducteur, un échantillon de fil isolé est fixé sur un dispositif d'essai d'abrasion. Le dispositif d'essai d'abrasion comprend un support sur lequel un tronçon d'un ruban double face contenant un adhésif sensible à la pression a été placé. Deux serre-fils placés à distance l'un de l'autre et à proximité du support retiennent l'échantillon contre celui-ci. Une tte à mouvements alternatifs comportant une aiguille de 0,41 mm de diamètre est en contact avec la surface extérieure de l'échantillon retenu contre le support. Un poids de 50 g est placé sur la tte de manière qu'il exerce une force de 0,49 N orientée vers le bas sur l'échantillon. La tte est fixée à un élément lui faisant subir un mouvement alternatif et qui, lorsqu'il est mis en marche, fait avancer et reculer la tte sur le tronçon de fil sur une distance de 0,5 mm à une vitesse d'environ un cycle par seconde. Le dispositif d'essai de résistance à l'abrasion reste en marche jusqu'à ce qu'une épaisseur suffisante de la couche d'isolation aie été raclée ou enlevée par abrasion et qu'un contact électrique soit établi entre l'aiguille que contient la tte effectuant un mouvement alternatif et un conducteur que contient l'échantillon. Un circuit électrique détecte le moment auquel l'aiguille a enlevé l'isolation par grattage et il arrte les mouvements de la tte. Un compteur automatique enregistre le nombre de cycles que la tte à mouvements alternatifs a effectués. Résistance de l'isolation électrique Pour déterminer la résistance de l'isolation (RI), qui est une mesure du rapport de la tension appliquée au courant total entre deux électrodes en contact avec un isolant spécifique, 1'essai suivant est effectué : 7,62 m d'un échantillon d'un conducteur isolé sont enroulés sur une bobine. La bobine est abaissée dans un bain d'une solution d'essai contenant 2 % en poids de perfluoro-octanoate d'ammonium (FC 143 vendu par 3M Inc.) et 5 % en poids de chlorure de sodium. Les deux extrémités du conducteur isolé sont dégagées de la bobine et maintenues au-dessus de la surface de la solution d'essai du bain. L'échantillon est laissé dans le bain pendant 4 heures de manière qu'il s'imprègne de la solution avant qu'un courant électrique lui soit appliqué. Une fuite de courant est mesurée entre le conducteur et la solution d'essai par une source de 500 volts. Une valeur de 1, 93 x 109 ohm/100 m ou supérieure est considérée comme une valeur de passage dans cet essai. Exemples Préparation de la bande Cet exemple décrit la préparation d'une bande d'une couche composite. La couche de la pellicule de polymère thermoplastique est continue. Une poudre fine de résine de PTFE a été additionnée d'une certaine quantité d'alcool sans odeur d'origine minérale et mélangée jusqu'à ce qu'une pâte soit formée. La pâte a été comprimée sous vide de manière qu'elle forme une billette et celle-ci a été ensuite extrudée dans une filière de manière qu'elle forme un élément homogène de PTFE. L'élément homogène extrudé de PTFE a été comprimé entre deux rouleaux jusqu'à ce qu'une feuille homogène de 430 microns d'épaisseur soit obtenue. Cette feuille contenait encore une certaine quantité d'alcool d'origine minérale. L'alcool a été extrait par volatilisation de la feuille homogène de PTFE par chauffage et le résultat a été une feuille poreuse sèche homogène. Ensuite, cette feuille a été étirée, alors qu'elle était encore chaude, sur une longueur correspondant à deux fois sa longueur initiale par passage sur une série de rouleaux serrés les uns contre les autres et entraînés à des vitesses différentes. Une feuille de polymère thermoplastique, à savoir d'un copolymère de tétrafluoréthylène et de perfluoro (propylvinyl éther) (PFA) de 51 microns d'épaisseur a été obtenue (200 LP vendu par E. I. du Pont de Nemours et Cie). La feuille de PFA a été découpée de manière que sa largeur soit légèrement inférieure à celle de la feuille homogène sèche de PTFE. La feuille de PFA a été placée sur la feuille sèche homogène de PTFE qui, de son côté, a été envoyée sur une plaque chauffée incurvée, portée à une température de 340 C qui est supérieure au point de fusion de la feuille de PFA. Les deux feuilles ont été étirées ensemble de façon qu'elles soient allongées dans un rapport 1, 2 à 1 de manière qu'elles forment un stratifié. La vitesse à laquelle les feuilles ont été passées sur la plaque chauffée et incurvée était de 12,19 m/min. Le stratifié a été étiré dans deux zones successives de chauffage, l'une réglée à 330 C, l'autre à 340 C. Le stratifié a été étiré à 54 fois sa longueur initiale de manière que la feuille homogène sèche de PTFE forme une couche poreuse expansée de polytetrafluoréthylène représentant un film composite expansé en couches conforme à la présente invention. Le film composite expansé en couches avait une épaisseur totale de 61 microns. L'analyse aux infrarouges de ce film a permis de déterminer que l'épaisseur de PFA était de 6,3 microns. Sa surface était brillante, ce qui montrait qu'elle était lisse. La couche de PFA avait une épaisseur sensiblement uniforme. Les propriétés de résistance à la traction ont été déterminées pour un groupe de trois échantillons. Les résultats de cet essai étaient les suivants : Charge à la rupture (N) 342, 99 + 10, 36 Effort à la charge maximale (N/m) 2,840x108 + 8,584x106 % d'allongement sous charge maximale (%) 8,562 0,563 Effort de 2 8 6 par unité de surface (N/m2) 5,605x108 + 6,902x106 Exemple 1 Un élément composite expansé en couches produit comme spécifié a été ensuite découpé en longueur et enroulé en hélice par des techniques classiques d'enroulement d'un ruban sur un conducteur normalisé 36 (7/44). Quatre couches ont été déposées et donc l'épaisseur de la gaine était d'environ 0,098 mm. Ces couches ont été déposées de manière que la pellicule thermoplastique se trouve à l'extérieur. Un conducteur isolé comparatif a été réalisé à l'aide uniquement d'un film poreux expansé de PTFE, c'està-dire sans la couche de polymère thermoplastique, par le procédé décrit dans le brevet U. S. N 4 732 629. Avant l'essai, le conducteur isolé de comparaison a été mis dans un bain de sel fondu, chauffé à une température d'environ 390 C pendant environ 10 secondes afin d'agglomérer le PTFE. Le conducteur isolé de l'invention a été mis dans un four rempli d'air à une température d'environ 370 C pendant environ 27 secondes afin d'agglomérer le ePTFE. Les différentes propriétés physiques des conducteurs isolés ainsi obtenus ont ensuite été testées. Les résultats de ces essais sont les suivants : Essais Exemple Exemple comparatif Charge à la rupture (N) 48,9 28,9. Abrasion par grattage (jusqu'à défaillance) 325 cycles 38 cycles Résistance de l'isolation (ohm/100 m) 1,84 x 1011 Résistance à l'entaillage 1,8 0,7 On observe donc que le conducteur isolé de l'invention a une meilleure résistance à l'abrasion par grattage et se rompt sous une charge plus grande que 1'exemple de comparaison. La comparaison de la résistance à l'entaillage a montré que le conducteur isolé de l'invention est très supérieur à celui de l'échantillon de comparaison. REVENDICATIONS 1. Conducteur électrique comprenant un conducteur et un gainage, caractérisé en ce que le gainage se compose d'une couche d'un élément composite en forme de film qui comprend une couche de polytétrafluoréthylène expansé poreux qui est mise en adhérence avec une pellicule lisse de polymère thermoplastique, ladite pellicule de polymère ayant un point de fusion de 342 C ou moins et une épaisseur sensiblement uniforme qui est inférieure à environ 9 microns, ledit élément composite ayant la forme d'un film enroulé sur le conducteur. 2. Conducteur gainé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur est un fil.