Brevet FR2778787A1 — publié le 19991119

Élément d'isolation électrique d'un appareil électrique de commutation et procédé de fabrication d'un tel élément. L'invention se rapporte à un élément d'isolation électrique d'un appareil électrique de commutation et à un procédé de fabrication d'un tel élément. Plus précisément, l'invention concerne un élément d'isolation électrique et réfractaire ne contenant pas d'amiante. L'élément d'isolation électrique, que l'on désignera simplement "isolant", doit comporter d'excellente propriété diélectrique pour des applications fonctionnant sous des tensions électriques élevées (par exemple des tensions supérieures au kilovolt). Par ailleurs, l'isolant doit être réfractaire pour résister à des températures importantes (par exemple des températures de l'ordre de 500 OC). Un tel isolant est par exemple utilisé dans les contacteurs électriques, notamment pour les cages de soufflage d'arc électrique. Les isolants sont généralement élaborés à partir d'un mortier comportant une charge minérale, une matrice minérale ou organique formant liant, par exemple un ciment, et éventuellement des fibres organiques ou minérales, telle que la fibre de verre. La charge minérale permet d'assurer les propriétés diélectriques et réfractaires et les fibres permettent de renforcer la résistance mécanique de l'isolant. Selon la complexité des formes de l'isolant, celui- ci peut soit être obtenue directement par moulage, soit obtenu à partir d'un isolant sous la forme d'un bloc, d'une ébauche, ou d'une planche qui sera usiné. Avant l'interdiction de l'utilisation de l'amiante à cause de sa toxicité, en particulier en France, l'amiante était classiquement utilisée comme charge minérale et mélangée avec un ciment ordinaire. En conséquence, depuis l'interdiction, on utilise des charges minérales de substitution, de manière à proposer un isolant sans amiante. Par ailleurs, l'isolant ainsi réalisé doit présenter des propriétés (diélectrique, réfractaire et résistance mécanique) au moins identiques, sinon supérieures, à celles d'un isolant ayant contenu de l'amiante. On connaît une charge minérale se présentant sous une forme fibreuse ou pulvérulente, tel que du métasilicate de calcium (CaSiO3), commercialisé sous la désignation de "Wollastonite", qui possède un point de fusion à 1540 C. L'emploi de Wollastonite permet d'améliorer l'usinabilité, de réduire le taux de retrait thermique de l'isolant et d'améliorer sa résistance en flexion. La silice (sables siliceux, silice cristalline ou autres) peut être utilisée comme charge minérale de substitution directement avec du ciment. La présence de silice provoque une augmentation de la dureté du matériau, ce qui rend difficile les opérations d'usinage ultérieures. On peut également utiliser, comme charge minérale, des particules comportant une taille de l'ordre du micron, tel que par exemple de la fumée de silice ou des cendres. Au cours des étapes d'élaboration du matériau, notamment d'étuvage, une réaction chimique pouzzolanique s'établit entre la les particules de silice incorporée et le calcium contenu dans le ciment pour former du silicate de calcium, ce qui permet d'améliorer sensiblement la résistance mécanique du matériau. Une telle charge minérale permet d'améliorer la plasticité et la viscosité de l'isolant, pour en faciliter la mise en oeuvre. Par contre, la mise en oeuvre d'un tel matériau n'est pas adapté à certains procédés, tel que le moulage sous presse, car le mortier peut être chassé du moule sous une forte pression de travail. L'invention a pour but de proposer un élément d'isolation électrique fabriqué à partir d'un matériau facile à mettre en oeuvre. Par ailleurs, l'élément comporte des propriétés structurales lui assurant une grande résistance mécanique, sous des contraintes mécaniques (flexion et compression) importantes, et une bonne usinabilité. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un élément d'isolation électrique d'un appareil électrique de commutation, caractérisé en ce qu'il comporte un mélange de 38 à 77 % en poids de ciment, de 19 à 58 % en poids de fibres de métasilicate de calcium et de 1 à 4 % en poids de fibres de verre, le mélange étant hydraté avec une quantité d'eau appropriée. Préférentiellement, le ciment est un ciment alumineux ayant une teneur en alumine comprise entre 50 et 80 %. On entend par "appareil électrique de commutation", tout appareil électrique susceptible d'interrompre ou de permettre la circulation d'un courant électrique, tel que par exemple un relais, un contacteur ou un disjoncteur, ou tout appareil dans lequel une isolation électrique est nécessaire pour isoler au moins deux conducteurs soumis à des potentiels électriques respectifs différents (par exemple, dans un transformateur). L'isolant est élaboré à partir d'un mortier dont la rhéologie facilite l'obtention d'élément d'isolation électrique par moulage. La wollastonite utilisée est un minéral non métallique de couleur blanche qui est préférentiellement fibreux. Cette wollastonite est connue sous le nom de NYAD-G (marque déposée). La wollastonite permet d'améliorer l'usinabilité de l'isolant, par l'augmentation des vitesses de coupe de l'outillage d'usinage et par l'absence d'éclat et d'arrachement lors d'opération de fraisage ou de tournage. En tant que fibre de renfort, la wollastonite seule n'a qu'un effet modéré sur la résistance mécanique de l'isolant et, en complément, on utilise des fibres de verre. Les fibres de verre ont pour effet d'augmenter la résistance mécanique de l'isolant, une fois que celui-ci est durci. On peut également utiliser un type particulier de fibres de verre, telles que les fibres de verre couramment désignées "water dispersive" et commercialisées par Cem Fil/Saint GOBAIN, qui sont connues comme ayant une propriété de dispersion en filament indépendants en présence d'eau. En moulage, l'utilisation de telles fibre de verre permet de renforcer mécaniquement le mortier frais et d'éviter la rupture de certaines parties fragiles de l'isolant, lorsque celui-ci doit être démoulé rapidement, ce qui permet d'améliorer la productivité. Le ciment utilisé est soit un ciment ordinaire lorsque les conditions d'utilisation de l'isolant ne nécessitent pas de qualité réfractaire particulière, soit dans le cas contraire, un ciment alumineux à base d'aluminate de calcium qui possède des propriétés connues réfractaires et anti-corrosives. Dans le cas d'un ciment alumineux, la teneur en alumine est variable en fonction de la température de fonctionnement à laquelle l'isolant sera soumis et devra résister. De plus, contrairement à un mortier utilisant un ciment ordinaire, un mortier utilisant un ciment alumineux présente l'avantage de commencer à durcir après environ 8 heures, en y incorporant un agent qui permet de retarder la prise du mortier, tel que de l'acide citrique. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un élément d'isolation électrique d'un appareil électrique de commutation, l'élément contenant un mélange de 38 à 77 % en poids de ciment, de 19 à 58 % en poids de fibres de métasilicate de calcium et de 1 à 4 % en poids de fibres de verre, ce procédé comportant les étapes consistant à mélanger à sec les fibres de verre, les fibres de métasilicate de calcium et le ciment; verser le mélange dans un malaxeur contenant de l'eau pour obtenir un mortier homogène; couler le mortier dans l'empreinte d'un moule. Les différents constituants de l'isolant sont d'abord mélangés à sec puis versés, avec un débit sensiblement constant, dans la cuve d'un malaxeur contenant de l'eau. Le mélange à sec préalable permet d'obtenir une répartition homogène entre les fibres de wollastonite, les fibres de verre, et le ciment. En effet, dans le cas contraire o les constituants seraient directement versés dans l'eau, il se formerait des pelotes de fibres de verre, couramment désignés "oursins", dont la présence dans le mortier est préjudiciable. Le malaxeur est choisi de manière à assurer un mélange optimal et réduire le temps de malaxage. Le mortier est ensuite versé dans l'empreinte d'un moule puis le moulage s'effectue soit par gravité, soit sous presse. Pour cela, la presse comprime le mortier jusqu'à une pression d'une valeur finale comprise entre 6,3 et 20 MPa. La compression s'effectue progressivement de manière croissante et, préférentiellement, par paliers. Pour le moulage sous presse, il a été constaté que la valeur finale de la pression influe sur la résistance en flexion de l'isolant. Par ailleurs, le moulage sous presse permet de chasser l'excédent d'eau et les poches d'air présentes dans le mortier. On obtient un isolant présentant un bel aspect de surface et exempt de défauts internes. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description qui va suivre d'un élément d'isolation électrique d'un appareil électrique de commutation et de son procédé de fabrication. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une courbe montrant l'évolution de la résistance en flexion en fonction du rapport en poids de ciment/fibres de wollastonite, avec une teneur en fibres de verre maintenue constante, - la figure 2 est une courbe montrant l'évolution de la résistance en flexion en fonction de la teneur en fibres de verre, le rapport en poids de ciment/fibres de wollastonite étant prédéterminé et maintenu constant, - la figure 3 est une courbe montrant l'évolution de la résistance en flexion en fonction de la pression mise en oeuvre lors de l'étape de moulage sous presse. L'isolant est élaboré à partir d'un mortier comportant du ciment, des fibres de métasilicate de calcium (Wollastonite) et des fibres de verre. En fonction des applications, le ciment est soit un ciment ordinaire (Ciment Portland) ou soit, préférentiellement, un ciment alumineux dont la teneur en alumine (A1203) est comprise entre 50 et 80 %. A titre d'exemple, on pourra utiliser un ciment alumineux contenant 70 % d'alumine lorsque la température de fonctionnement à laquelle doit résister l'isolant est supérieure à 600 C, par exemple un ciment de type Secar 71 ou 80 fabriqué par LAFARGE, et un ciment alumineux contenant 50 % d'alumine lorsque la température de fonctionnement à laquelle doit résister l'isolant est inférieure à 400 OC, par exemple un ciment de type Secar 51 ou Fondu fabriqué par LAFARGE. La teneur de l'isolant en ciment est comprise entre 38 et 77 % en poids. Le métasilicate de calcium utilisé, autrement désigné "Wollastonite", se présente sous la forme de fibres comportant une longueur moyenne et un diamètre moyen respectivement de 15im et de 1 Hm. Les fibres se présentent sous la forme de particules aciculaires, c'est à dire que les cristaux sont aciculaires, et le rapport d'acicularité (longueur/diamètre) est supérieur ou égal à 15. La wollastonite utilisée est par exemple connue sous le nom NYAD-G (marque déposée) fabriquée par NYCO (marque déposée) ou de la wollastonite fibreuse 60-200 commercialisée par le Comptoir de Minéraux et Matières premières (C.M.M.P). Le métasilicate de calcium (QUASI3) se compose essentiellement d'oxyde de calcium (CaO) et de dioxyde de silicium (SiO2) avec d'autres constituants (oxyde de fer, alumine,....) en très faible teneur. La wollastonite est incorporée au ciment dans une proportion comprise entre 19 et 58 % en poids. La wollastonite permet d'éviter l'apparition de fissures dans l'isolant sous des températures de fonctionnement élevées (de l'ordre de 500 C) et a une température de fusion située à 1540 C. Mélangées seules avec le ciment, les fibres de wollastonite n'ont qu'un effet limité sur la valeur de la résistance mécanique de l'isolant. Pour augmenter la résistance mécanique, on utilise des fibres de verre qui ont une longueur comprise entre 3 et 25 mm et qui sont préférentiellement alcali- résistantes pour éviter toute détérioration en présence de l'alcali développée lors de l'hydratation du ciment. Des fibres de verre particulières peuvent également être utilisées, par exemple des fibres de verre couramment désignées "water dispersive" et commercialisées par Cem fil/Saint Gobain, qui sont connues notamment comme ayant la propriété de se disperser en filament indépendants en présence d'eau. La teneur de l'isolant en fibres de verre est comprise entre 1 et 4 %. Pour des applications particulière, par exemple en verrerie, o l'on souhaite un isolant possédant un faible coefficient de frottement, on pourra substituer une partie de la wollastonite, par exemple au moins 10 % et au plus 50 % en poids, par du silicate de magnesium, plus connu sous le nom de talc, ou par du graphite naturel. Des échantillons d'isolant ont été réalisés à partir de différents mortiers dont le rapport en poids de ciment/fibres de wollastonite a été modifié. Par la suite, le dit rapport sera désigné par A. La teneur en fibres de verre est fixée à 3.8 % en poids et les fibres de verre utilisées ont une longueur moyenne de 12 mm. Des tests de résistance à la flexion ont été réalisés sur les différents échantillons. Le tableau n l récapitule les résultats des essais et les masses des différents constituants du mortier. Tableau n l Masse de ciment (g) 2400 3000 3600 4200 4800 Masse de wollastonite 3600 3000 2400 1800 2000 (g) Masse de fibres de verre 240 240 240 240 240 (g) A 0,66 1 1,5 2,33 4 résistance à la flexion 18,11 22,26 24,56 24,39 22,35 (Mpa) Comme le montre le tableau, on peut remarquer qu'une teneur trop importante en fibre de wollastonite réduit sensiblement la valeur de la résistance à la flexion de l'isolant. La figure 1 est le graphique du résultat des essais, dans lequel la courbe représente l'évolution de la résistance en flexion (exprimée en MPa) en fonction de A, avec une teneur en fibres de verre maintenue constante. Comme le montre la figure 1, au fur et à mesure que la teneur en fibres de wollastonite diminue, la résistance en flexion augmente pour atteindre un maximum qui s'établit à une valeur de l'ordre de 25 Mpa. Pour ce maximum, le rapport A idéal s'établit à 1, 5. La résistance mécanique décroît ensuite à partir du maximum lorsque la teneur en fibres de wollastonite baisse. D'autres échantillons d'isolant ont été réalisés de manière à vérifier l'influence de la teneur en fibres de verre sur la valeur de la résistance en flexion. Les fibres de verre utilisée ont une longueur moyenne de 12 mm et le rapport A est fixé à 1,5, c'est à dire le rapport pour lequel la valeur de la résistance en flexion est maximale, c'est à dire 25 MPa. Des test de flexion ont été réalisés sur ces échantillons. Le tableau n 2 récapitule le résultat des essais et les proportions massiques des différents constituants. Tableau n 2 Masse de ciment (g) 3600 3600 3600 3600 3600 3600 Masse de wollastonite 2400 2400 2400 2400 2400 2400 (g) Masse de fibres de 60 120 180 240 300 360 verre (g) % de fibres de verre 1 1,96 2,91 3,85 4,76 5,66 résistance à la 22,5 22,8 24,2 25,5 25,3 22,6 flexion (Mpa) La figure 2 est un graphique dans lequel la courbe représente le résultat de l'évolution de la résistance mécanique en flexion (exprimée en Mpa) en fonction de la teneur en fibre de verre. La teneur en ciment et en fibres de wollastonite est fixée respectivement à 58 % et à 39 % en poids. Comme le montre la figure 2, lorsque la teneur en fibres de verre passe de 1 à 1,96 %, il s'établit un palier pour lequel la résistance en flexion reste pratiquement inchangée, c'est à dire une valeur de l'ordre de 22,5 Mpa. Dès que la teneur en fibres de verre dépasse 1,96 %, la résistance mécanique augmente pour atteindre un maximum qui s'établit à 25,5 Mpa. La teneur correspondante en fibres de verre est 3, 85 %. Ensuite, lorsque la teneur en fibres de verre augmente, la résistance mécanique décroît. Pour la fabrication de l'isolant, les meilleures propriétés mécaniques ont été obtenues pour un mortier réalisé avec un rapport A égal à 1,5. La teneur de l'isolant en fibres de verre est estimée entre 3 et 5% en poids. Nous allons maintenant décrire le procédé de fabrication de l'élément d'isolation électrique. Préférentiellement, les différents constituants sont d'abord mélangés à sec de manière à homogénéiser le mélange. Celui-ci est ensuite versé, selon un débit sensiblement uniforme, dans la cuve remplie d'eau d'un malaxeur. Le malaxeur est par exemple du type comportant des bras à mouvement planétaire, de manière à réduire la durée de malaxage qui est en moyenne de 30 mn. La teneur en eau est fonction de celle en ciment et le rapport en poids eau/ciment est compris entre 0,6 et 0,8. Il est à noter que les différents constituants peuvent être versés directement dans la cuve du malaxeur, mélangés puis hydratés. Des adjuvants peuvent être dilués dans l'eau, tel que de l'acide citrique pour retarder la prise du ciment, notamment en fonction des conditions atmosphériques lors de la mise en oeuvre du mortier. On pourra également ajouter dans l'eau des agents plastifiants ou fluidifiants, comme par exemple des lignosulfonates, des agents superplastifiants, comme par exemple des résines mélamines sulfonées, des naphtalènes sulfonates ou des vinyles sulfonates, des agents défloculants, comme par exemple des tri-polyphosphates de sodium, ou agents hydrofuges, comme par exemple des stéarates solubles. En moulage par gravité, les fibres de wollastonite ont tendance à se ségréguer, c'est à dire à former des strates dans le mortier. Pour éviter cela, de manière à conserver un répartition homogène des fibres dans le mortier, on pourra verser de l'éther cellulosique soluble dans l'eau de gâchage. Le mortier ainsi obtenu est ensuite versé dans l'empreinte d'un moule de manière à obtenir des isolants de toutes formes, tels que des plaques, blocs ou ébauches, selon les applications. Le mortier peut également être utilisé en l'état, par exemple, pour enduire d'une couche une pièce, sans propriétés physiques particulières, avec du mortier selon l'invention pour lui donner les propriété d'isolation électriques et réfractaires de l'isolant. Le mortier peut être utilisé comme enduit pour réparer des isolants endommagés. Préférentiellement, le moulage s'effectue sous presse, de manière à évacuer l'eau excédentaire et les bulles d'air présentes dans le mortier. Un échantillon d'isolant a été réalisé en mélangeant 3600 g de ciment, 2400 g de fibres de wollastonite et 240 g de fibres de verre. Comme le montre la figure 3, on remarque un accroissement sensiblement linéaire entre la pression de travail et la résistance mécanique. Par ailleurs, on remarque qu'une pression de travail de 16 MPa assure une résistance en flexion pour l'isolant de l'ordre de 25 Mpa. L'augmentation de la pression de moulage s'effectue progressivement, de manière croissante et par paliers, c'est à dire que l'ancienne valeur de la pression est augmentée de 1 Mpa puis maintenue à cette pression pendant environ 20 s. Dès que la pression finale est atteinte, par exemple 16 MPa, celle-ci est maintenue pendant environ 240 s de manière à assurer une bonne évacuation de l'eau excédentaire. La pièce est ensuite démoulée puis débute une phase de cure dans laquelle on cherche à contrôler l'humidification de la pièce démoulée de manière à assurer une bonne prise du ciment. En effet, le ciment nécessite un minimum d'eau de manière à assurer sa prise. Durant cette phase de cure, la pièce est placée pendant 24 heures dans une enceinte à température ambiante et saturée en eau, puis noyée dans de l'eau pendant également 24 heures et finalement séchée six jours à température ambiante. Il est à noter que, dans le cas o l'isolant est une pièce massive, comme par exemple un isolant réalisé sous la forme d'une planche d'une surface de 1 m2 et d'une épaisseur supérieure à 30 mm, l'isolant ne doit pas être noyé dans l'eau pour éviter l'apparition de fissures en surface. Huit jours après l'étape de mise en forme, l'isolant peut alors être usiné. Ensuite, l'isolant est étuvé à une température de 140 C maintenue pendant 24 heures. L'étuvage permet d'évaporer l'eau résiduelle dans l'isolant. Ensuite, de manière à imperméabiliser l'isolant et éviter toute reprise d'humidité, l'isolant est plongé dans un bain de liquide, notamment du toluène, contenant du silicone. Le toluène assure la pénétration du silicone à l'intérieur de l'isolant, sur une épaisseur qui varie sensiblement selon la durée du traitement. L'isolant est ensuite étuvé à une température de 140 OC, pour évaporer le toluène restant et pour assurer la polymérisation du silicone. Les propriétés de l'isolant réalisé sont résumées dans le tableau n 3. L(T_) nbTa;Lq uoTiqeTTp ep UaTDiT@o0D _Ol 9'L (1_A'imo'M) anbTuLI ITATqonPUOD % z'O aeuoDilTs seide eqTpTwnf,p GsTid@a ú + EOT (edw) uoissexdwoD eI aDu-esTsG I À E (EdN>) uoixe; ue aouesTsq úoU neGIqel Eú REVENDICATIONS 1. Élément d'isolation électrique d'un appareil électrique de commutation, caractérisé en ce qu'il comporte un mélange de 38 à 77 % en poids de ciment, de 19 à 58 % en poids de fibres de métasilicate de calcium et de 1 à 4 % en poids de fibres de verre, le mélange étant hydraté avec une quantité d'eau appropriée. 2. Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ciment est un ciment alumineux ayant une teneur en alumine comprise entre 50 et 80 %. 3. Élément selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il forme les parois d'une cage de soufflage d'arc électrique. 4. Procédé de fabrication d'un élément d'isolation électrique d'un appareil électrique de commutation, l'élément contenant un mélange de 38 à 77 % en poids de ciment, de 19 à 58 % en poids de fibres de métasilicate de calcium et de 1 à 4 % en poids de fibres de verre, ce procédé comportant les étapes consistant à: (A) mélanger à sec les fibres de verre, les fibres de métasilicate de calcium et le ciment, (B) verser le mélange dans un malaxeur contenant de l'eau pour obtenir un mortier homogène, (C) couler le mortier dans l'empreinte d'un moule. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'isolant est obtenu par un moulage sous presse, le mortier étant comprimé jusqu'à une pression d'une valeur finale comprise entre 6,3 et 20 MPa. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'augmentation de la pression s'effectue progressivement de manière croissante. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'augmentation de la pression s'effectue par paliers. 8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'après avoir démoulé la pièce moulée, on effectue les étapes successives suivantes: (D) placer la pièce moulée dans une enceinte à température ambiante et saturée en eau, (E) noyer la pièce moulée dans de l'eau, (F) laisser reposer la pièce moulée dans l'air ambiant. 9. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes consistant à: (I) usiner la pièce moulée, (J) étuver la pièce usinée, (K) imperméabiliser la pièce étuvée. 10. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que de l'acide citrique est versée dans l'eau lors de l'étape (B).