Brevet FR2924192A1 — publié le 20090529

Procédé de fabrication d'un joint d'étanchéité comportant du polytétrafluoroéthylène La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un 5 joint d'étanchéité comportant du polytétrafluoroéthylène et au joint d'étanchéité ainsi obtenu. Le polytétrafluoroéthylène est connu notamment pour ses propriétés de surface, il présente en effet un faible coefficient de friction, et il est largement utilisé dans des fonctions liées à l'étanchéité. Il est utilisé io abondamment pour réaliser des joints d'étanchéité, par exemple des joints plats et des joints annulaires de diverses sections. II présente en outre une excellente résistance aux substances chimiques et une bonne stabilité thermique. Ces joints sont par exemple obtenus par moulage à chaud de 15 polytétrafluoroéthylène. Cependant, le polytétrafluoroéthylène est relativement malaisé à mettre en oeuvre de sorte que toutes les formes de joint ne peuvent pas être obtenues avec ce polymère. Dans certaines applications, et notamment en présence 20 d'hydrocarbures, il a été imaginé de réaliser des joints en mélangeant de la poudre de polytétrafluoroéthylène avec un élastomère perfluoré de rnanière à obtenir ensuite un joint apte à être vulcanisé. La mise en oeuvre d'un tel joint est relativement complexe. On pourra se référer notamment au document JP 2000 012054, lequel décrit ce joint et son 25 procédé d'obtention. Par ailleurs, le moulage à chaud du polytétrafluoroéthylène, tend à provoquer une dégradation des propriétés du matériau natif et partant, une perte des propriétés mécaniques du joint ainsi obtenu. En effet, le polymère est porté à une température supérieure à une température limite 30 voisine de sa température de fusion, ce qui peut modifier notamment la proportion de zones cristallines et de zones amorphes du polymère proprement dit. Au surplus, le moulage à chaud du polytétrafluoroéthylène peut provoquer des émanations de gaz toxiques, et par exemple du perfluoro-isobuthylène, lorsque le contrôle de la température n'est pas correctement assuré. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente 5 invention, est de fournir un procédé qui permette non seulement de produire un joint en polytétrafluoroéthylène de manière relativement peu complexe et par conséquent moins coûteuse mais aussi, de produire un joint dont les propriétés d'étanchéité sont accrues. Dans le but de résoudre ce problème, la présente invention propose, lo selon un premier objet, un procédé de fabrication de joints d'étanchéité comportant du polytétrafluoroéthylène, ledit procédé étant du type selon lequel on fournit du polytétrafluoroéthylène sous forme de grains de poudre ; et selon l'invention le procédé comprend en outre les étapes suivantes : on agglomère lesdits grains de poudre pour former un 15 agglomérat puis on comprime ledit agglomérat pour souder lesdits grains de poudre agglomérés entre eux ce qui permet d'obtenir une seule pièce en polytétrafluoroéthylène ; et enfin, on récupère ladite seule pièce pour former un joint d'étanchéité. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans le mode de 20 traitement des grains de poudre de polytétrafluoroéthylène, pour lesquels le polymère est à l'état natif ou bien très légèrement transformé, et par conséquent dont le taux de cristallinité est encore relativement important, lesquels grains de poudre se soudent les uns aux autres pour former un corps solide en une seule et même pièce. En effet, la compression de 25 l'agglomérat de grains de poudre provoque un échauffement de surface, ce qui permet leur soudure, sans pour autant provoquer une augmentation substantielle de la température du coeur des grains, dont les propriétés restent intactes. De la sorte, on obtient une seule pièce en polytétrafluoroéthylène, dont les propriétés intrinsèques sont globalement 30 celles du polymère à l'état natif, ce qui lui confère des caractéristiques mécaniques supérieures à une même pièce obtenue par extrusion de polytétrafluoroéthylène. On rappellera que le taux de cristallinité d'un polymère correspond à la proportion de zones cristallisées par rapport à la proportion de zones amorphes. Les zones cristallisées sont par définition organisées, et par conséquent plus denses, et confèrent notamment au polymère, une plus grande résistance mécanique. Dans certaines circonstances, le polymère sous forme pulvérulente a déjà subi des transformations qui ont provoqué une diminution du taux de cristallinité par rapport au taux de cristallinité d'un polymère à l'état natif. Toutefois, ce taux de cristallinité diminué demeure supérieur au taux de cristallinité d'un polymère qui aurait subi des transformations thermiques par moulage lo par exemple. En outre, la mise en oeuvre est relativement moins contraignante et plus économique d'un point de vue énergétique que la mise en oeuvre du polytétrafluoroéthylène selon l'art antérieur, puisqu'il n'est pas nécessaire de porter le polymère, à tout du moins une partie de la masse de 15 l'aglomérat, à une température au moins égale à son point de fusion. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, lesdits grains de poudre en polytétrafluoroéthylène présentant une température de fusion déterminée, ledit agglomérat est porté à une température inférieure à ladite température de fusion 20 déterminée, de manière à ne pas modifier la structure interne du polymère natif des grains de poudre, mais néanmoins, à fournir une première quantité d'énergie nécessaire à la soudure des grains de poudre entre eux. Le surplus d'énergie, est alors fourni lors de la compression de l'agglomérat. On comprend, que selon le procédé, il est important de 25 fournir aux grains une quantité d'énergie suffisante pour fondre suffisamment de matière en surface des grains pour provoquer leur soudure par recristallisation au refroidissement, et que la première quantité d'énergie thermique fournie directement à l'agglomérat par chauffage avant la compression, n'est pas suffisant. 30 Par exemple, l'agglomérat de grains de poudre est porté à une température supérieure à 200° C, par exemple 280° C, laquelle est inférieure à la température de fusion du polytétrafluoroéthylène qui est de 327° C, mais qui permet déjà de fournir une quantité d'énergie thermique intéressante pour induire une bonne soudure des grains de poudre entre eux. Par ailleurs, et selon un mode particulier de réalisation de l'invention avantageux, on percute ledit agglomérat entre deux poinçons, montés à coulissement sur une matrice, pour comprimer ledit agglomérat. Ainsi, on provoque le choc des grains de poudre entre eux en entraînant l'un des deux poinçons vers l'autre à grande vitesse et avec une forte accélération, de manière à produire un impact de part et d'autre de l'agglomérat de io grains de poudre. Selon un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, l'un des poinçons est maintenu en position fixe, tandis que l'autre est entraîné à percussion vers ledit un des poinçons. Avantageusement, on comprime ledit agglomérat en exerçant une pluralité de percussions dudit agglomérat entre les deux poinçons de 15 manière à apporter une énergie nécessaire à la fusion d'une quantité suffisante de polymère en surface des grains de poudre et provoquer leur soudure lors de la cristallisation s'opérant au refroidissement. Préférentiellement, on percute l'agglomérat entre 30 et 150 fois, par exemple 100 fois à une fréquence comprise entre, une fois toutes les 20 deux secondes et cinq fois par seconde. De manière préférée, lesdits grains de poudre fournis présentent une granulométrie dont l'extremum de la courbe de Gauss est compris entre 5 et 100 pm, par exemple 20 pm, de manière à obtenir une pièce homogène sans porosité. Par ailleurs, selon un mode préféré de mise en 25 oeuvre, on usine ladite seule pièce récupérée pour former ledit joint d'étanchéité. Selon un autre mode de mise en oeuvre, la pièce récupérée est directement utilisable comme joint d'étanchéité. Pour cela, l'outillage est adapté et comporte une matrice, des poinçons inférieur et supérieur, ainsi qu'une � broche � aussi dénommée � noyau �. 30 Selon un autre objet, la présente invention propose un joint d'étanchéité en polytétrafluoroéthylène fabriqué par un procédé de fabrication du type décrit ci-dessus. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : s - la Figure 1 est une vue schématique illustrant un dispositif de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un joint d'étanchéité conforme à l'invention et dans un premier état ; - la Figure 2 montre le dispositif représenté sur la Figure 1, dans un second état ; ~o - la Figure 3 représente schématiquement une installation permettant de tester un joint d'étanchéité conforme à l'invention ; et, - la Figure 4, illustre un test comparatif de différents joints d'étanchéité réalisé dans l'installation représentée sur la Figure 3. La Figure 1 représente schématiquement une presse 10 sous 15 laquelle est installé un outillage de compression comportant une matrice 12 et deux poinçons, l'un inférieur 14, l'autre supérieur 16. La matrice 12 présente un logement cylindrique 18 d'un diamètre de 50 mm et les poinçons 14, 16 présentent une section droite identique au diamètre du logement cylindrique 18, au jeu fonctionnel près, de manière à pouvoir 20 coulisser librement à l'intérieur. La presse 10 permet de percuter le poinçon supérieur 16 lorsqu'il est engagé dans le logement cylindrique 18, tandis que le poinçon inférieur 14 est maintenu en position fixe dans la matrice 12. Le poinçon supérieur 16 est percuté par l'intermédiaire d'une masse de 350 kg, par exemple. La masse est propulsée à grande vitesse, 25 entre 1 et 5 m/s, grâce à des moyens hydrauliques, par exemple à une vitesse de deux mètres/seconde. Au surplus, la presse 10 permet de réaliser des percussions répétées sur le poinçon supérieur 16, et en l'espèce, les percussions sont réalisées à une fréquence déterminée, par exemple de un Hertz. Par ailleurs, la matrice 12 et les poinçons 14, 16 30 sont équipés de moyens de chauffage permettant de fournir de l'énergie thermique dans le logement 18. Selon l'invention, on choisit de la poudre de polytétrafluoroéthylène natif ou bien présentant un taux de cristallinité d'un polymère proche de l'état natif, d'une granulométrie moyenne de 20 pm, et issue directement du réacteur de polymérisation, moyennement un traitement intermédiaire pour l'obtenir sous forme de poudre. Les grains de poudre sont constitués de polytétrafluoroéthylène d'un taux de cristallinité compris entre 75 et 85% et en l'espèce de 78 %. Ainsi, les zones cristallisées qui se forment dans le polymère dès sa genèse, et qui lui confèrent des propriétés mécaniques avantageuses, sont-elles conservées avec un fort to pourcentage malgré le traitement intermédiaire pour obtenir la poudre. Conformément au procédé de fabrication, objet de l'invention, le poinçon inférieur 14 est maintenu partiellement engagé dans la matrice 12 tandis que le poinçon supérieur 16 est maintenu dans une position écartée de la matrice 12, de manière à charger le logement 18 avec la 15 poudre de polytétrafluoroéthylène natif du type précité. On notera que le polytétrafluoroéthylène est à l'état natif ou bien dans un état où son taux de cristallinité est proche de celui de l'état natif. En l'espèce, environ 40 g de poudre 20 sont portés dans le logement 18 contre le poinçon inférieur 14. 20 Au préalable, on active les moyens de chauffage de la matrice, pour porter les poinçons à une température optimale, par exemple de 250°C, et on préchauffe la poudre de polytétrafluoroéthylène à une même valeur de température. Lorsque la température de l'outillage est stabilisée, on charge ladite poudre 20 préchauffée dans le logement 18. 25 Puis, tel que représenté sur la Figure 2, on agglomère d'abord les grains de poudre 20 par l'intermédiaire du poinçon supérieur 16 en l'introduisant dans le logement cylindrique 18 et en exerçant sur lui une pression importante tandis que le poinçon inférieur 14 est maintenu en position fixe par rapport à la matrice 12. En l'espèce, la pression exercée 30 est comprise entre 40 et 80 MPa, par exemple de l'ordre de 60 MPa, de sorte que l'on obtient un agglomérat de grains de poudre, duquel l'air a été chassé, à l'intérieur d'un espace confiné délimité par le logement cylindrique 18. Ensuite, on vient percuter le poinçon supérieur 16 par l'intermédiaire de la masse, à une fréquence de un Hertz durant 99 secondes. De la sorte, l'agglomérat de grains de poudre 20 subit 99 percussions et en l'espèce, la quantité d'énergie totale fournie à l'agglomérat est d'environ 100 kJ, plus précisément 99 792 J. Ainsi, grâce à cette énergie fournie, à la fois thermique et mécanique, d'un total par gramme de poudre de 2400 J environ, on io provoque la fusion de la surface des grains et partant, lorsque la température de surface décroît, leur soudure entre eux. On obtient alors, une seule et même pièce solide cylindrique, non poreuse ou à tout du moins qui présente une porosité minimale, et relativement isotrope. Son diamètre est sensiblement de 49,5 mm tandis que son épaisseur est 15 voisine de 9, 5 mm. Le taux de cristallinité du polytétrafluoroéthylène de la pièce ainsi obtenue, et de l'ordre de 80 %, soit sensiblement celui de la poudre de polytétrafluoroéthylène natif initialement introduite dans la presse 10. Par conséquent, il apparaît clairement, que le procédé conforme à l'invention 20 n'entraîne aucune dégradation mesurable de la structure du polymère natif et en particulier une relaxation des zones cristallisées. On pourra comparer ce taux de cristallinité à celui du polytétrafluoroéthylène transformé à chaud, par exemple extrudé, qui n'est plus que de 50 ou 60 %. De fait, les caractéristiques mécaniques du 25 matériau ainsi obtenu sont dégradées, ainsi qu'on le montrera ci-après. Une mesure de la densité de la pièce ainsi formée selon le procédé conforme à l'invention en comparaison de la densité du polytétrafluoroéthylène transformé à chaud, permet de corroborer cette différence de cristallinité. En effet, la densité de la pièce obtenue est 30 voisine de 2,27 tandis que la densité du polytétrafluoroéthylène transformé à chaud n'est que de 2,19. Les propriétés d'étanchéité de la pièce obtenue ont été comparées à des joints en polytétrafluoroéthylène du commerce, obtenus par l'intermédiaire d'une transformation à chaud du polymère. Pour ce faire, ces joints présentant un diamètre externe de 46 mm, un diamètre interne de 30 mm et une épaisseur de 8 mm, des joints de mêmes dimensions ont été usinés dans des pièces obtenues selon le procédé objet de l'invention. Il a été prêté attention durant l'usinage, à l'état de surface des joints afin qu'il soit comparable à celui des joints du commerce. Les joints ainsi usinés ont été comparés aux joints d'étanchéité du to commerce grâce à une installation représentée schématiquement sur la Figure 3. Cette installation simule le fonctionnement d'un presse-étoupe de robinet industriel. Elle comprend un corps tubulaire principal 22 d'un diamètre de 46 mm et un manchon axial 24 logé coaxialement à l'intérieur du corps 15 tubulaire principal 22. Le manchon axial 24 présente lui, un diamètre de 30 millimètres. En outre, le manchon axial 24 présente un épaulement 26 sur lequel est monté une première bague métallique poreuse 28. Un joint d'étanchéité à tester 30 est engagé dans le corps tubulaire principal 22 autour du manchon axial 24 et en appui sur la bague métallique poreuse 20 28. Compte tenu des dimensions des joints d'étanchéité choisis, d'un diamètre externe de 46 mm et d'un diamètre interne de 30 mm, l'espace défini entre le manchon axial 24 et le corps tubulaire principal 22 est entièrement obturé et il délimite un espace interne du corps tubulaire principal 22 en deux chambres étanches l'une par rapport à l'autre, une 25 chambre inférieure 29 et une chambre supérieure 31. En outre, une seconde bague métallique poreuse 32 est montée en appui contre le joint d'étanchéité à tester 30. De la sorte, une pression de 20 MPa, par exemple, peut être appliquée sur la seconde bague métallique poreuse 32, tandis que la première bague métallique poreuse 28 est maintenue en 30 position fixe par l'intermédiaire de l'épaulement 26. Ainsi, le joint d'étanchéité à tester 30 est-il comprimé entre les deux bagues métalliques poreuses 28, 32 dans une situation de fonctionnement normale. Dans le but de contrôler les propriétés d'étanchéité du joint à tester 30, la chambre inférieure 29 est mise sous pression d'hélium à une valeur initiale de 50 bars et la chute de pression de cette chambre inférieure 29 est mesurée dans le temps. On observera que les bagues métalliques poreuses 28, 32 autorisent le passage de l'hélium sans perte de charge significative. Aussi, l'hélium traverse la bague inférieure 28 et la pression en gaz est uniforme sur le joint d'étanchéité à tester 30. L'hélium est le fluide de référence pour la mesure d'étanchéité par gaz traçeur. Ont ainsi été comparés, deux joints d'étanchéité du commerce en to polytétrafluoroéthylène et deux joints d'étanchéité usinés à partir d'une pièce obtenue conformément au procédé selon l'invention. Les résultats sont reportés dans le graphique à la Figure 4. II est à noter que l'hélium s'infiltre non seulement à travers le joint lui-même, mais aussi à l'interface axiale du joint testé et de la paroi du corps tubulaire principal 22 d'une 15 part, et celle du joint et de la paroi du manchon 24 d'autre part. Le signal mesuré est donc la résultante des deux chemins de fuite. Il est admis que cette fuite interfaciale est moins importante pour le polytétrafluoroéthylène que pour d'autres matériaux tels que le graphite. De plus, il a été veillé à ce que l'usinage procure un état de surface des anneaux en 20 polytétrafluoroéthylène peu différent de celui des joints du commerce ; il est donc raisonnable de penser que les différences de comportement en étanchéité proviennent principalement du transfert de gaz à travers les joints. Ainsi, on observe qu'au bout de 60 000 secondes, à partir d'une 25 pression initiale de 50 bars, et ce, pour deux joints d'étanchéité conformes à l'invention, les chutes de pression correspondant aux courbes 34 et 36 sont respectivement de 1,5 et de 5,3 bars. Alors qu'au bout de ce même temps, les chutes de pression, pour les deux joints d'étanchéité du commerce, les chutes de pression correspondant aux courbes 38 et 40 30 sont respectivement de 15 et de 25 bars. Ainsi, les joints d'étanchéité conformes à l'invention, conservent leur étanchéité dans le temps alors que l'étanchéité des joints du commerce, décroît plus rapidement. Par conséquent, les propriétés d'étanchéité des joints obtenus selon le procédé conforme à l'invention, sont supérieures à celles des joints en polytétrafluoroéthylène du commerce. Un autre objet de la présente invention, est de fournir un joint 5 d'étanchéité en polytétrafluoroéthylène, obtenu selon un procédé conforme à l'invention. Par ailleurs, il est prévu d'incorporer à la poudre de polytétrafluoroéthylène, différents autres polymères fluorés tels que, l'éthylène-propylène fluoré (FEP), le perfluoroalkoxy (PFA), le ~o polyfluorovinylidène (PVDF) ou encore un copolymère modifié d'éthylène et de tétrafluoroéthylène (ETFE), de manière à ajuster les propriétés du joint alors fabriqués aux divers matériaux entre lesquels il est interposé. En outre, il est également prévu d'incorporer à la poudre de polytétrafluoroéthylène, des polymères élastomériques de manière à 15 augmenter la résilience du joint. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de joints d'étanchéité en polytétrafluoroéthylène, ledit procédé étant du type selon lequel on fournit du polytétrafluoroéthylène sous forme de grains de poudre (20) ; caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : - on agglomère lesdits grains de poudre (20) pour former un agglomérat ; - on comprime ledit agglomérat pour souder lesdits grains de poudre lo agglomérés entre eux et de manière à obtenir une seule pièce en polytétrafluoroéthylène ; et, - on récupère ladite seule pièce pour former un joint d'étanchéité. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lesdits grains de poudre en polytétrafluoroéthylène présentant une 15 température de fusion déterminée, ledit agglomérat est porté à une température inférieure à ladite température de fusion déterminée. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit agglomérat est porté à une température supérieure à 200°C. 4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des 20 revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on percute ledit agglomérat entre deux poinçons (14, 16) pour comprimer ledit agglomérat. 5. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on comprime ledit agglomérat en exerçant une pluralité de percussions dudit agglomérat entre les deux poinçons (14, 16). 25 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on percute ledit agglomérat à une fréquence déterminée. 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite fréquence est comprise entre 0,5 et 5 Hertz. 8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits grains de poudre (20) fournis présentent une granulométrie dont l'extremum de la courbe de Gauss est compris entre 5 et 100 microns. 9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on usine ladite seule pièce récupérée pour former ledit joint d'étanchéité. 10. Joint d'étanchéité en polytétrafluoroéthylène caractérisé en ce 5 qu'il est fabriqué par un procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.