Brevet FR2990323A1 — publié le 20131108

ELEMENT DE BOITIER D'APPAREILLAGE ELECTRIQUE COMPRENANT UNE COMPOSITION IGNIFUGE SPECIFIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un élément de boîtier pour appareillage électrique comprenant une composition composite ignifuge comprenant une association originale d'au moins un polymère thermoplastique spécifique, d'au moins une charge particulaire spécifique et d'au moins un agent ignifuge spécifique, cette composition répondant à des propriétés mécaniques très favorables alliées à d'excellentes propriétés ignifuges. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les compositions composites à base d'au moins un polymère thermoplastique sont utilisées couramment dans l'industrie électrique en raison des propriétés inhérentes à ce type de polymères en termes de facilité de mise en oeuvre et de mise en forme, de propriétés mécaniques, de faible densité et de coûts modérés, par rapport notamment à des matériaux plus traditionnels tels que le métal, la laine, le bois ou le verre. Toutefois, les polymères thermoplastiques, en raison de leur nature organique, présentent un caractère hautement inflammable, ce qui nécessite l'utilisation d'agents ignifuges, afin qu'ils puissent être utilisés dans des environnements soumis à des températures élevées, tel que cela est le cas dans les appareils électriques. En effet, les compositions composites utilisées dans les appareils électriques doivent satisfaire à des normes sévères en matière de résistance au feu, lesquelles normes sont notamment régies par les normes de la CEI applicables en Europe, et notamment en France, telles que : -la norme CEI 60695-2-11 pour produits finis, qui définit la performance d'inflammabilité requise GWFI (correspondant à la terminologie anglaise « Glow Wire Flamability Index »), laquelle s'élève à 850°C pour le matériel continu sans surveillance ou à 960°C pour le matériel placé dans des conditions plus drastiques ; ou -la norme CEI 60695-2-13, qui définit la 15 performance d'allumabilité GWIT (correspondant à la terminologie anglaise « Glow Wire Ignition Temperature »), laquelle doit se situer au minimum à 775°C. Des agents ignifuges couramment utilisés et 20 les plus efficaces sont les agents ignifuges halogénés. Toutefois, ces agents risquent d'être interdits à terme, car ils présentent des inconvénients vis-à-vis de l'environnement, en raison de leur caractère hautement toxique, notamment lorsqu'ils sont soumis à 25 une combustion. Des agents ignifuges non halogénés utilisés fréquemment sont les agents ignifuges appartenant à la famille des hydroxydes métalliques (comme l'hydroxyde d'aluminium et l'hydroxyde de magnésium), tels que cela 30 est le cas dans les matériaux composites exemplifiés dans US 2008/0093107. Comparativement aux agents ignifuges halogénés, les hydroxydes métalliques libèrent peu de fumées, lorsqu'ils sont soumis à une combustion et sont peu toxiques. En revanche, les compositions composites comprenant ces agents présentent des propriétés mécaniques très insuffisantes, notamment une résistance mécanique et un module en flexion faibles, ce qui les rend peu fiables pour une utilisation dans le domaine électrique. Enfin, les agents ignifuges, pour remplir leur fonction, sont très souvent incorporés à des teneurs très élevées dans les compositions composites, ce qui contribue à dégrader les propriétés mécaniques de ces dernières et ce qui peut également générer des problèmes de pollution induits par l'exsudation de l'agent ignifuge, lors de l'utilisation de l'appareil dans lequel les compositions sont incorporées. Les problèmes rencontrés en terme environnemental pour les agents ignifuges halogénes peuvent également se retrouver avec les polymères thermoplastiques entrant dans la constitution des compositions composites. Ceci est le cas notamment lorsque les polymères appartiennent à la famille des polystyrènes, des poly(chlorure de vinyle), qui, d'une part, sont tributaires, pour leur élaboration, de la chimie du pétrole relativement polluante et, d'autre part, présentent des difficultés de recyclage, une fois leur utilisation arrivée à échéance. Face aux problématiques susmentionnées, les auteurs de la présente invention se sont fixé pour but de mettre au point un élément de boîtier pour appareillage électrique à base d'une composition spécifique répondant aux spécificités suivantes : - des propriétés ignifuges sans recourir à des agents ignifuges halogénés ou à des agents appartenant à la famille des hydroxydes métalliques ; - des propriétés mécaniques qui ne soient pas dégradées au profit des propriétés ignifuges ; - l'absence de pollution liée à l'exsudation de l'agent ignifuge lors de l'utilisation de la composition ou de la pièce. Ce but a été atteint par un élément de boîtier pour appareillage électrique comprenant une composition composite ignifuge comprenant une association originale d'au moins un polymère thermoplastique spécifique, d'au moins une charge particulaire spécifique et d'au moins un agent ignifuge spécifique. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ainsi, l'invention a trait à un élément de 20 boîtier pour appareillage électrique comprenant une composition composite comprenant une matrice polymérique comprenant au moins un polymère choisi parmi les polyamides et les polytéréphtalates, dans laquelle sont dispersés une charge du type sépiolite 25 présente en une teneur inférieure à 10% en masse par rapport à la masse totale de la composition et un composé appartenant à la famille des cyanurates de mélamine, ce dernier étant compris dans la composition à une teneur allant de 1 à 5% en masse par rapport à la 30 masse totale de la composition. Par polyamide, on entend un polymère du type polycondensat, dans lequel les unités répétitives sont liées par le biais de groupes amides, ce type de polymère pouvant être des homopolymères (à savoir des polymères comprenant un seul et même type d'unités répétitives) ou des copolymères (à savoir des polymères comprenant plusieurs types d'unités répétitives). Parmi les polyamides particulièrement adaptés à l'invention, on peut citer les polyamides linéaires résultant classiquement d'une polycondensation d'un acide dicarboxylique comprenant de 4 à 12 atomes de carbone avec une diamine comprenant de 4 à 14 atomes de carbone ou encore résultant d'une polycondensation par ouverture de cycle de composés lactames. Des polyamides répondant à cette définition peuvent être, en particulier : -des polyamides 6, à savoir des polyamides comprenant un enchaînement d'unités répétitives de formule (I) suivante : ( N (CH2)5 C ) I I 0 (I) -des polyamides 6/66, à savoir des 25 polyamides comprenant un enchaînement d'unités répétitives de formule (I) suivante : (ifiN (CH2)5 C ) Il 0 ( I ) et d'unités répétitives de formule (II) suivante : ( NH (CH2)6 NH C (C1-12)4 C Il Il 0 0 (il) Par polytéréphtalate, on entend un polymère du type polycondensat résultant classiquement d'une 10 polycondensation de l'acide téréphtalique et d'un composé polyol. En particulier, on peut citer les polytéréphtalates résultant classiquement d'une polycondensation de l'acide téréphtalique avec un diol 15 comprenant de 2 à 10 atomes de carbone. Des polytéréphtaltes répondant à cette définition peuvent être, en particulier, un poly(téréphtalate de butylène) (connu sous l'abréviation PBT) se caractérisant par un enchaînement 20 d'unités répétitives de formule (III) suivante : 4c,2*-0 4/ Que ce soit pour les polyamides ou les polytéréphtalates, ces polymères sont particulièrement intéressants pour entrer dans la composition de l'invention, dans la mesure où ils présentent les caractéristiques suivantes : -ils sont thermoplastiques, ce qui rend la composition les comprenant particulièrement malléable et à même de pouvoir constituer des pièces de formes variées ; -ils sont dénués d'atomes d'halogènes, ce qui est compatible avec les règles environnementales en vigueur, et notamment avec la directive européenne Reach ; -ils présentent de bonnes propriétés 15 mécaniques à hautes températures et à contraintes élevées ; -ils sont facilement disponibles, car ils sont produits selon des tonnages très importants, ce qui les rend particulièrement intéressants en termes de 20 coûts contrairement aux polymères du type polystyrène ou polychlorure de vinyle. Comme mentionné plus haut, le ou les polymères présents dans la composition constituent une matrice polymérique, ce qui signifie, en d'autres 25 termes, qu'ils sont présents en proportion massique majoritaire par rapport aux autres constituants de la composition que sont la sépiolite et le composé appartenant à la famille des cyanurates de mélamine. Avantageusement, la matrice représente de 30 80 à 85% en masse par rapport à la masse totale de la composition. La sépiolite utilisée en tant que charge de la matrice polymérique susmentionnée est un minéral appartenant à la famille des argiles de structure fibreuse, et d'un point de vue de la composition, à la famille des silicates de magnésium hydratés (de formule idéale SinFlg8030(OH)4(0H2).8H20) se présentant sous forme de particules en forme d'aiguilles Elle se caractérise également par une surface active particulièrement élevée, par exemple, supérieure à 300 m2/g et une densité très élevée de groupes silanols (-SiOH), d'où résulte le caractère très hydrophile de ce type d'argiles. Les particules s'associent pour former des agrégats poreux présentant un réseau capillaire étendu, ce qui explique à la fois la porosité importante et la masse légère de la sépiolite. Enfin, au contact de l'eau ou d'autres liquides, les particules ne se désagrègent pas et forment une suspension comprenant une structure composée desdites particules selon un réseau aléatoire interpénétré, qui contribue à piéger les liquides, ce qui conduit à l'augmentation de la viscosité de la suspension. Toutes ses propriétés contribuent à conférer aux compositions de l'invention comprenant de la sépiolite, dès lors que celle-ci est présente à une teneur inférieure à 10% massique, les caractéristiques suivantes : -des propriétés ignifuges par écrasement visqueux de la flamme ; -une amélioration des propriétés barrières 30 de la matrice polymérique, notamment par la capacité des sépiolites à constituer une solution aux problèmes de reprise d'humidité. La sépiolite, dans le cadre de l'invention, se présente, avantageusement, sous forme de 5 nanoparticules présentant, de préférence, un diamètre moyen de particules allant de 0,1 à 0,2 micromètre et une longueur de fibres allant de 3 à 30 micromètres. Plus spécifiquement, la sépiolite utilisée dans le cadre de l'invention peut être une sépiolite 10 vendue sous la dénomination CD1 par la société Tolsa, cette sépiolite. Comme mentionné précédemment, la sépiolite est présente en une teneur inférieure à 10% en masse par rapport à la masse totale de la composition et, de 15 préférence, est présente en une teneur allant de 1 à 9%, de préférence encore, de 3 à 9% en masse par rapport à la masse totale de la composition, par exemple. Encore plus spécifiquement, la sépiolite peut être présente en une teneur allant de 3 à 7% en masse 20 par rapport à la masse totale de la composition, par exemple, 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition. Outre la matrice polymérique et la sépiolite, la composition comprend un composé 25 appartenant à la famille des cyanurates de mélamine à une teneur massique allant de 1 à 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition, plus spécifiquement de 2 à 4% en masse par rapport à la masse totale de la composition. Par exemple, le composé 30 susmentionné peut être présent en un teneur massique de 1,5%, 2%, 3%, 4% ou 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition. A de telles teneurs, les auteurs ont pu mettre en évidence, que ce type de composés incorporé 5 dans une composition comprenant une matrice polymérique spécifique (telle que définie ci-dessus) et de la sépiolite (telle que définie ci-dessus), permet d'obtenir en termes de propriétés d'extinction au feu des propriétés analogues à celles obtenues avec 10 d'autres compositions dans lesquelles ce type de composé est incorporé selon des teneurs beaucoup plus importantes (par exemple, de l'ordre de 20% massique ou plus). Ainsi, l'adjonction de ce type de composés 15 à des teneurs telles que spécifiées ci-dessus ne se fait pas au détriment des propriétés mécaniques de la composition, ce qui permet de se passer de l'incorporation de fibres de verre dans celle-ci pour pallier la dégradation des propriétés mécaniques par 20 l'introduction de ce même type de composés selon des teneurs plus élevées. Le fait de ne pas avoir besoin de recourir à des fibres de verre pour exacerber les propriétés mécaniques permet également d'accéder à une composition isotrope, qui, lors d'un moulage, 25 présentera un retrait homogène, ce qui facilite la conception de moules destinés à accueillir ce type de composition. Qui plus est, ce type de composés ne comporte pas d'atomes d'halogènes, ce qui est important 30 pour être en phase avec les directives européennes REACH proscrivant l'utilisation de composés halogénés. Une composition spécifique destinée à entrer dans la constitution des éléments de boîtier de l'invention est une composition comprenant : -une matrice polymérique à base d'un 5 polyamide, plus spécifiquement un polyamide 6 ; -une sépiolite présente en une teneur de 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition ; -un composé du type cyanurate de mélamine 10 présent en une teneur de 3% en masse par rapport à la masse totale de la composition. Ces compositions peuvent être fabriquées par simple incorporation dans une matrice polymérique conforme à l'invention de la sépiolite et du composé du 15 type cyanurate de mélamine dans les proportions souhaitées. Ces compositions sont originales par le fait d'associer les trois ingrédients spécifiques susmentionnés, en particulier dans des proportions 20 spécifiques, ce qui confère à ces dernières les propriétés suivantes : -des propriétés de résistance au feu sur des gammes de températures conformes aux normes sévères des applications électrotechniques (les compositions de 25 l'invention répondant favorablement au test « Glow Wire Test » pour des températures allant de 750°C à 960°C) ; -des propriétés mécaniques, qui ne sont pas amoindries du fait de l'adjonction d'un composé du type cyanurate de mélamine et qui ne nécessitent pas 30 l'adjonction de fibres de verre ; -une densité faible ; -des propriétés chimiques qui satisfont aux critères imposés par la directive européenne Reach, notamment en raison du fait que les ingrédients ne comportent pas d'atomes d'halogènes et ne génèrent ainsi pas de gaz toxiques. L'invention a également trait à un appareillage électrique comprenant au moins un boîtier comprenant au moins un élément de boîtier tel que défini ci-dessus. Plus spécifiquement, il peut s'agir d'un appareillage électrique, par exemple, basse-tension, comprenant un circuit électrique logé dans ledit boîtier, tel qu'une prise de courant, un disjoncteur, une armoire électrique, un coffret électrique, un éclairage de sécurité, un capteur électrique, un onduleur, un minuteur, un gradateur ou un détecteur de mouvement(s), de préférence, un disjoncteur. De préférence encore, il peut s'agir d'un boîtier de disjoncteur (ou contacteur) basse-tension, notamment monopolaire. Il peut s'agir également d'un appareillage électrique du type appareil de coupure basse-tension comprenant deux contacts mobiles relativement l'un à l'autre entre une position ouverte et une position fermée, lesdits contacts étant logés dans ledit boîtier. Les éléments de boîtier peuvent être fabriqués par divers procédés de mise en forme de compositions plastiques avec, pour préférence, les 30 procédés de moulage. En effet, comme déjà mentionné, les compositions de l'invention, du fait de l'absence de fibres de verre, sont des compositions présentant une grande isotropie, parfaitement adaptée à une mise en forme par incorporation dans un moule, le retrait de la composition étant parfaitement homogène. Qui plus est, ce procédé de mise en forme est simple de mise en oeuvre, car il ne comporte qu'une seule étape, ce qui présente également un intérêt non négligeable en termes de coûts de fabrication. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit. Il va de soi, toutefois, que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne constitue en aucune manière une limitation de cet objet. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER EXEMPLE 1 Dans cet exemple, dont le but est de décrire les propriétés intrinsèques des compositions de l'invention en termes de comportement au feu, il a été réalisé des essais au fil incandescent (ces essais étant dénommés également par la terminologie anglaise « Glow wire test ») élaborées à partir d'une composition comprenant une matrice polymérique en polyamide-6, lequel est disponible auprès de la société Rhodia, de la sépiolite disponible auprès de la société Tolsa (à hauteur de 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition) et du cyanurate de mélamine disponible auprès de la société Budenheim (à hauteur de 3% en masse par rapport à la masse totale de la composition). Ces essais consistent à appliquer sur la 5 composition un fil incandescent présentant respectivement une température de 750°C, 850°C et 960°C pendant 30 secondes. Si, après retrait du fil, les flammes s'éteignent en moins de 30 secondes, la composition sera considérée comme résistante au feu. 10 Les essais au fil incandescent sont concluants pour des températures respectives de 750°C, 850°C et 960°C. A titre comparatif, pour une éprouvette de même dimension réalisée avec une composition comprenant 15 uniquement, comme matrice polymérique, du polyamide 6 et de la sépiolite (à hauteur de 5% massique par rapport à la masse totale de la composition), les essais au fil incandescent ont échoué pour une température de 750°C. 20 Ceci contribue à démontrer que l'ajout de cyanurate de mélamine en une teneur limitée (en l'occurrence, 3% massique, dans notre cas de figure) contribue à améliorer grandement les propriétés ignifuges de la composition. 25 Les éprouvettes réalisées à partir de la composition de l'invention ont été soumises également à des tests mécaniques, desquels il est ressorti les propriétés suivantes : -un module de Young (en MPa) de 4450 ± 76 ; 30 et -un allongement à la rupture (en %) de 6,6 + 0,4. A titre comparatif, des éprouvettes de mêmes dimensions réalisées à partir d'une composition comprenant uniquement, comme matrice polymérique, du polyamide 6 et de la sépiolite (à hauteur de 7% massique par rapport à la masse totale de la composition), présentent un module de Young (en Mpa) de 4714 ± 123 et un allongement à la rupture (en %) de 5,4 ± 0,14. Il s'ensuit donc que l'ajout de cyanurate de mélamine dans les proportions revendiquées ne nuit pas aux propriétés mécaniques de la composition voire les améliore, ce qui peut être assimilé à un effet synergique. EXEMPLE 2 Dans cet exemple, il a été réalisé des essais au fil incandescent élaborés avec un boîtier d'un disjoncteur résidentiel du type C60, ce boîtier étant réalisé avec une composition comprenant une matrice polymérique en polyamide-6, lequel est disponible auprès de la société Rhodia, de la sépiolite disponible auprès de la société Tolsa (à hauteur de 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition) et du cyanurate de mélamine disponible auprès de la société Budenheim à hauteur de 3% en masse par rapport à la masse totale de la composition. Plus précisément, le boîtier a été réalisé par moulage de ladite composition pour une durée de cycle de 17 s en portant la composition à 250°C et le moule à 73°C sous une pression d'injection maximale de 1250 bars. Les essais au fil incandescent sont d'autant plus concluants pour des températures 5 respectives de 750°C, 850°C et 960°C, que la flamme s'est éteinte immédiatement après retrait du fil. La composition susmentionnée est donc parfaitement adaptée pour la réalisation d'éléments de boîtier. 10 REVENDICATIONS1. Elément de boîtier pour appareillage électrique comprenant une composition composite 5 comprenant une matrice polymérique comprenant au moins un polymère choisi parmi les polyamides et les polytéréphtalates, dans laquelle sont dispersés une charge du type sépiolite présente en une teneur inférieure à 10% en masse par rapport à la masse totale 10 de la composition et un composé appartenant à la famille des cyanurates de mélamine, ce dernier étant compris dans la composition à une teneur allant de 1 à 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition. 15 2. Elément de boîtier selon la revendication 1, dans lequel les polyamides sont des polyamides linéaires résultant d'une polycondensation d'un acide dicarboxylique comprenant de 4 à 12 atomes 20 de carbone avec une diamine comprenant de 4 à 14 atomes de carbone ou encore résultant d'une polycondensation par ouverture de cycle de composés lactames. 3. Elément de boîtier selon la 25 revendication 1 ou 2, dans lequel les polyamides sont choisis parmi : -des polyamides 6, à savoir des polyamides comprenant un enchaînement d'unités répétitives de formule (I) suivante :( et -des polyamides 6/66, à savoir des 5 polyamides comprenant un enchaînement d'unités répétitives de formule (I) suivante : (CH2)5 C 1 1 0 ( I ) et d'unités répétitives de formule (II) 10 suivante : ( NH (CH2)6 NH C (C1-12)4 C Il Il 0 0 (il) 4. Elément de boîtier selon la 15 revendication 1, dans lequel les polytéréphtalates sont choisis parmi les poly(téréphtalate de butylène) se caractérisant par un enchaînement d'unités répétitives de formule (III) suivante : 20 ( -(- CH-)_O 4/ 5. Elément de boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la sépiolite est présente en une teneur allant de 3 à 9% en masse par rapport à la masse totale de la composition. 6. Elément de boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la sépiolite est présente en une teneur de 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition. 7. Elément de boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composé appartenant à la famille des cyanurates de mélamine est présent en une teneur massique allant de 2 à 4% en masse par rapport à la masse totale de la composition. 8. Elément de boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le composé appartenant à la famille des cyanurates de mélamine est présent en une teneur massique de 3% en masse par rapport à la masse totale de la composition. 9. Elément de boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la composition est une composition comprenant : -une matrice polymérique à base d'un 5 polyamide, plus spécifiquement un polyamide 6 ; -une sépiolite présente en une teneur de 5% en masse par rapport à la masse totale de la composition ; -un composé du type cyanurate de mélamine 10 présent en une teneur de 3% en masse par rapport à la masse totale de la composition. 10. Appareillage électrique comprenant au moins un boîtier comprenant au moins un élément de 15 boîtier tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Appareillage électrique selon la revendication 10, comprenant un circuit électrique logé 20 dans ledit boîtier. 12. Appareillage électrique selon la revendication 11, qui est un disjoncteur, une armoire électrique, un coffret électrique, un éclairage de 25 sécurité, un capteur électrique, un onduleur, un minuteur, un gradateur ou un détecteur de mouvement(s). 13. Appareillage électrique selon la revendication 10, qui est un appareil de coupure basse-30 tension comprenant deux contacts mobiles relativement l'un à l'autre entre une position ouverte et uneposition fermée, lesdits contacts étant logés dans ledit boîtier.