Brevet FR2724805A1 — publié le 19960322

Procédé de fabrication d'non élément chauffant en polymère et produit obtenu. Cette invention concerne le domaine de 1' électrothermie. rtat de la technique On connait des procédés de fabrication d'éléments chauffants en polymère consistant dans la dépose sur un support isolant d'une couche conductrice à base de carbone élémentaire (suie) ou de graphite et d'une résine synthétique pour en assurer la liaison, imprégnée par serrage, sous des conditions de température, de temps et avec un effort convenant au type de résine synthétique utilisé; consistant ensuite dans la dépose du revêtement isolant électriquement et à serrer ensemble toutes les couches en respectant les conditions correspondantes. Ces procédés sont décrits notamment dans les brevets SU 180270, SU 598271, GB 860213. Tous ces procédés connus présentent l'inconvénient d'une tenue insuffisante des paramètres électriques et comme conséquence une mauvaise répartition des températures. L'antécédent le plus proche de la présente invention est le procédé de fabrication d'un élément chauffant en polymère décrit au brevet SU 598271, qui consiste à préparer dans un moulin à bille le liant conducteur de courant sous forme de solution dans l'alcool à 15-60% de résine phénol-formaldéhyde modifiée, de carbone industriel (suie) et de graphite en proportion 6:1 et en quantité totale d'environ 41% de la masse (par rapport au résidu résineux sec). L'imprégnation par ce liant du tissu en fibre de verre est alors effectué dans une machine à imprégner suivant les conditions appropriées pour obtenir le sandwich imprégné conducteur de courant avec la résistance du carré de tissu de (100 x 100 mm) Ro = 25 à 160 Ohms.Ensuite l'élément résistif est comprimé par une presse ayant les dimensions du futur élément chauffant, recouvert d'un revêtement isolant et soumis à la pression de toutes ses couches. L'inconvénient principal dudit procédé est l'impossibilité d'obtenir des valeurs stables de Ro fixées à l'avance sur le "sandwich" conducteur de courant en raison des fluctuations irrégulières de la résistance de la surface de l'élément résistif par rapport à la valeur initiale relevée lors du serrage, ces flutuations étant provoquées par la fluidité du liant conducteur de courant chauffé sous haute pression, et par le fait que les feuilles intercalées et les plaques de la presse ne sont pas rigoureusement parallèles. I1 en résulte une répartition très irrégulière (jusqu'à 400C et au delà) des températures sur la surface de l'élément chauffant fabriqué selon ce procédé, que ce soit à son état initial ou après une longue exploitation (pendant 15 à 20 ans). En raison de cette grande irrégularité de température des points chauds apparaissent à certains endroits de l'élément résistif provoquant des brûlures et des pannes de l'élément chauffant. L'objet de l'invention est d'améliorer la tenue résistive et thermique de l'élément chauffant en polymère et d'en réduire le taux de rebut. Ce but est atteint par le procédé de fabrication d'un élément chauffant en polymère caractérisé par le dépôt sur un support isolant d'une couche conductrice de courant à base de carbone élémentaire, de graphite et de résine synthétique pour former ainsi en imprégnant et en tassant un élément résistif; à déposer un revêtement isolant et à serrer ensemble toutes les couches, étant donné que l'imprégnation et le tassement sont effectués suivant les conditions de température, de temps et sous la pression adaptée au type de résine synthétique choisi. Ensuite pour faire durcir l'élément résistif avant de déposer le revêtement on le soumet au traitement thermique en l'empilant sans exercer de pression à une température comprise entre 130 et 1400C pendant 10 à 12 minutes par mm d'épaisseur.Les couches limitrophes du revêtement isolant doivent contenir 40 à 47% de la masse, soit 1,2 à 1,27 fois moins de liant que les couches extérieures. L'invention sera mieux comprise à la lecture d'un procédé préférentiel de réalisation indiqué pour illustrer l'invention et qui n'en restreint en aucune façon la portée, celle-là pouvant être réalisée selon tout autre procédé équivalent qui apparaîtra à l'homme de l'art. Dans ce procédé préférentiel le tissu en fibre de verre est imprégné par le liant conducteur de courant dans une machine à imprégner à puits vertical. Les paramètres de l'imprégnation sont caractérisés de la manière suivante - vitesse en m/mm : 0,9 à 1, 25, - température de séchage dans le puits électrique (1050 + 5) dans le puits à vapeur : (1050 + 5); - débit d'air dans le puits en m3/h : 1 500 à 1 800. Le Tableau 1 donne les valeurs comparatives avec l'art antérieur des conditions de température, de temps et de pression de serrage pour fabriquer les éléments chauffants selon la présente invention. A la différence de brevet SU 598271 le procédé proposé par les auteurs comprend le durcissement de l'élément résistif dans une étuve suivant les conditions optimisées (voir Tableau 2) : température entre 130 et 1400C; exposition entre 10 et 12 minutes par mm de hauteur de la pile des éléments résistifs, sans serrage. Dans le brevet SU 598271 l'élément résistif est durci sous une presse, la pression spécifique du serrage varie entre 5 et 40 kg/cm2 suivant la valeur demandée de réduction de la résistance de la couche chauffante. I1 en résulte l'impossibilité d'obtenir des éléments résistifs ayant une répartition régulière de la résistance sur la surface et comme conséquence une mauvaise répartition de la température dans les éléments chauffants en polymère. Cette irrégularité est renforcée lorsqu'il y a manque de parallélisme entre les feuilles intercalaires et entre les plaques de la presse. Comme le montre le Tableau 2, l'écart maximal en répartition de température sur un élément résistif et donc sur un élément chauffant non-métallique est compris entre 6 et 80C (contre 12 à 300C dans le procédé décrit dans le brevet SU 598271) grâce à l'optimisation des conditions de température et de temps du durcissement de l'élément résistif, mais surtout par suite de la suppression du serrage. En même temps l'écart de résistance du matériau de l'élément résistif reste le même que celui du tissu conducteur de courant après l'imprégnation, soit 2 Ohms sur la trame. Le durcissement à une température allant jusqu'à 1451500C ne modifie par la valeur de la résistance de l'élément résistif, laquelle reste donc la même qu'avant durcissement. Cependant, lors de la fabrication de l'élément chauffant non-métallique quand on dépose le revêtement isolant sur l'élément résistif, les conditions de température et de temps du durcissement peuvent modifier de façon importante la résistance de l'élément chauffant non-métallique et l'écart de température à la surface. Pour obtenir l'élément minimal des températures compris entre 6 et 80C les conditions optimales du durcissement de l'élément résistif seront : température de durcissement entre 130 et 1400C; durée d'exposition entre 10 et 12 minutes par mm d'épaisseur de la pile des éléments résistifs. Cependant quand on utilise l'élément résistif durci suivant le régime optimal la valeur de la résistance de l'élément chauffant non-métallique peut changer en fonction de l'effort spécifique de serrage et du taux de liant dans les couches du revêtement isolant limitrophes de l'élément résistif (voir Tableau 3). Or, l'objectif important pendant la fabrication d'un élément chauffant non-métallique est d'assurer que la résistance de ce dernier soit la même ou proche de celle de l'élément résistif, à partir duquel il est fabriqué. Pendant la fabrication des éléments chauffants nonmétalliques d'épaisseur moyenne entre 1,2 et 1,5 mm le taux du liant dans les couches isolantes du tissu imprégné doit être tel que le plastique vitrifié ainsi obtenu soit d'une seule pièce sans lamination, ni fêlures, ni cavités etc..., avec adhérence des couches entre elles et résistance à l'arrachée de 300 kg/cm2 minimum. Les divers matériaux décoratifs comme papier, tissus de coton etc... employés pour fabriquer surtout les éléments chauffants ménagers demandent une quantité supplémentaire de liant pour assurer une bonne pénétration dans les couches isolantes. I1 a été constaté que pour satisfaire à ces exigences il suffisait d'avoir un taux de liant dans les couches isolantes de 40 à 47% de la masse. Cependant si on laisse effectivement une telle quantité de liant dans les couches isolantes limitrophes de l'élément résistif, la résistance de l'élément chauffant non-métallique est très différente de celle de l'élément résistif après le traitement thermique (voir Tableau 2) et il n'est plus possible d'obtenir un élément chauffant nonmétallique avec une résistance fixe et stable (7 Ohms). Compte tenu de ceci la présente invention adopte pour les couches isolantes limitrophes de l'élément résistif un taux de liant de 1,2 à 1,27 fois inférieur à celui des couches extérieures, soit entre 33 et 37% de la masse. Lorsque la valeur du taux de liant est inférieure à 33% de la masse l'adhérence demandée entre les couches n'est plus assurée, ainsi que l'adhérence de l'isolant de l'élément résistif. En même temps la variation de l'effort spécifique de serrage pendant la fabrication des éléments chauffants nonmétalliques dans les limites de 20-25 kgf/cm2 ne modifie pratiquement pas la résistance de l'élément résistif et permet d'obtenir la valeur demandée de résistance de l'élément chauffant dans les limites tolérées d'écart de 7 Ohms. L'expérience montre que si l'effort spécifique de serrage tombe en dessous de 20 kgf/cm2, l'aspect extérieur de l'élément chauffant se dégrade, on voit apparaître des défauts de serrage, d'imprégnation, l'adhérence entre les couches baisse tandis qu'un effort supérieur à 25 kgf/cm2 exprime trop de liant depuis les couches isolantes et provoque les défauts énumérés ci-dessus. Ainsi les spécificités du procédé selon l'invention sont 1) Durcissement des éléments résistifs empilés dans les conditions optimisées suivantes : à 130-1400C pendant 10 à 12 minutes par mm de pile sans serrage. 2) Dans les couches du revêtement isolant limitrophes de l'élément résistif le taux de liant est maintenu dans un rapport de 1,2 à 1,27 fois inférieur à celui relevé dans les couches extérieures où ce taux égale 40 à 47% de la masse. Seule la combinaison de ces conditions spécifiques permet d'obtenir un élément résistif et un élément chauffant non-métallique avec une résistance stable et une température répartie régulièrement, ainsi que de réduire le taux de rebut des éléments chauffants. Selon le procédé l'invention a été utilisé pour la fabrication de lots pilotes d'éléments résistifs et d'éléments chauffants électriques en polymères lesquels ont été soumis aux tests dont les résultats confirment leur bonne stabilité ainsi qu'il apparaît dans le Tableau 2. Les caractéristiques du meilleur produit obtenu par le procédé selon l'invention sont les suivantes 1. Dimension de l'élément résistif : 680 x 330 mm, les barres se trouvent sur le côté court. 2. Conditions de durcissement de l'élément chauffant non-métallique : la température monte jusqu'à 145-1500C en 35-40 minutes, exposition à cette température pendant 20 à 25 minutes pour 1 mm d'épaisseur de l'élément chauffant non-métallique soumis au serrage, effort spécifique de serrage 25 kgf/cm2. 3. L'écart maximal en résistance et en température de l'élément chauffant non-métallique est mesuré à l'aide de capteurs spéciaux en 8 points au minimum régulièrement répartis sur toute la surface (mais pas à moins de 20-25 n des barres conductrices). 4. Le revêtement isolant de l'élément chauffant nonmétallique comporte 4 couches de tissu de verre isolant électrique du type 331-100P, imprégnée de liant epoxyphénol ou phénol-formaldéhyde avec un taux de dépôt de 40 à 47% de la masse. Le produit obtenu par la mise en oeuvre du procédé présente une resistivité de 120, un taux de liant compris entre 33 et 37%, une résistance comprise entre 123 et 126 Ohms, un facteur d'adhérence entre les couches de 300 à 320 kg/cm2. Les tests de fiabilité de ce produit selon l'invention sont reproduits dans le Tableau 3. Tableau 1 N Opération Procédé brevet SU 598271 Procédé selon 1'invention 1 2 3 4 1. Préparation du liant conducteur de courant A base de carboen (suie), de graphite et de résine synthétique Imprégnation du tissu de verre par le liant Suivant les conditions requises pour obtenir un élément résistif avec 2. conducteur avec tassement par les RO=(100x100 mm) rouleaux d'essorage Durcissement de l'élément résistif dans 3. les conditions suivantes: - température en C 145 à 165 130 à 140 15 à 20 mn/mm d'épaisseur de la - temps d'exposition 10 à 12 mn/mm d'épaisseur de la pile couche chauffante pas de serrage (dans une enceinte - effort spécifique de serrage en kgf/cm2 5 à 40 kgf/cm2 thermique) Taux de liant dans les couches Empilage des couches isolantes du tissu isolantes limitrophes de l'élément Taux de liant dans les couches 4. de verre imprégnées d'un liant isolant résistif 1,2 à 1,27 fois inférieur à électriquement celui dans les couches extérieures qui égale 40 à 47% de la masse Serrage de l'élément chauffant électrique Suivant les paramètres de température; de temps et d'effort adaptés au type de 5. en polymères liant conducteur et de liant isolant. Tableau 2 Conditions de durcissement Ecart Ecart Temps. Résistance Résistance maximal de maximal mn/mm de de de la résistance de Procédé de fabrication d'épaisseur Effort l'élément l'élément l'élément du matériau température de l'élément chauffant Température de la spécifique chaufant résistif en résistif de l'élément de la en C couche de serrage non-métalliq Ohms en Ohms résistif en surface en chauffante en kgf/cm2 ue en Ohms Ohms C (ou de la pile) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 procédé SU 598271 1 120 145-150 15-20 5 110 10 160 12 1 120 145-150 15-20 25 95 15 120 22 1 120 145-150 15-20 40 85 20 90 30 Procédé selon l'invention 2 de contrôle 120 pas de durcissement 120 # 2 300 25 3 de contrôle 120 100 20-25 - 120 # 2 240 20 4 de contrôle 120 120 20-25 - 120 # 2 210 16 5 de contrôle 120 130 20-25 - 120 # 2 180 14 Procédé selon 6 120 130 10-12 - 120 # 2 160 6 l'invention Procédé selon 7 120 140 10-12 - 120 # 2 165 8 l'invontion 8 de contrôle 120 140 5-6 - 120 # 2 170 13 9 de contrôle 120 145 10-12 - 110 # 2 138 12 10 de contrôle 120 150 20-25 - 86 # 2 110 15 Tableau 3 Résistance Taux de liant dans Résistance Adhésion Cas de de les couches de entre les lamination à l'élément isolantes I'élément couches (à la limite résistif limitrophes de chauffant l'arrachée) entre No après le l'élément résistif en Ohms en kgf/cm2 l'élément traitement en % de la masse résistif et la thermique couche en Ohms isolante 1. 120 25 (contrôle) @ 120 200 @ + 2. | 120 30 (contrôle) 120 250 + 33 (selon 3. 120 120 300 l'invention) 35 (selon 4. 120 123 320 l'invention) 37 (proposé à 5. 120 126 330 breveter) 6. 120 40 (contrôle) 152 350 7. 120 47 (contrôle) 165 400 Note: 1. Effort spécifique de serrage pendant la fabrication de l'élément chauffant: 25 kgf/cm2 2. L'adhérence entre les couches (a l'arrachée) est mesurée sur les échantillons standard découpés dans les éléments chauffants. 3. La présence de cas de lamination à la limite entre l'élément résistif et la couche isolante est détectée par l'analyse de microstructure. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un élément chauffant électrique en polymère par dépôt de résine synthétique sur un support isolant d'une couche conductrice de courant à base de carbone élémentaire, de graphite, l'élément résistif étant obtenu en imprégnant et en pressant; puis revêtu d'un revêtement isolant serré ensemble avec toutes les couches, l'imprégnation, le tassement et le serrage étant effectués dans des conditions de température, de temps et avec l'effort adaptés au type de résine synthétique utilisé; caractérisé par le fait que pour obtenir une résistance optimale et une température répartie d'une manière homogène, ainsi que pour réduire le taux de rebut, les éléments résistifs empilés sont soumis à un traitement thermique durcissant sans serrage à une température comprise entre 130 et 1400C pendant 10 à 12 minutes par mm de hauteur de la pile, et par le fait que les couches isolantes limitrophes sont déposées avec un taux de liant de 1,2 à 1,27 fois inférieur à celui des couches extérieures qui égale 40 à 47% de la masse. 2. Produit obtenu selon la revendication 1 caractérisé par une résistivité 120, un taux de liant compris entre 33 et 37%, une résistance comprise entre 123 et 126 Ohms, un facteur d'adhérence entre les couches de 300 à 320 kg/cm2.