Brevet FR3079383A1 — publié le 20190927

FILM CHAUFFANT POLYMERE A RESISTANCE A COEFFICIENT DE TEMPERATURE POSITIF ET SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne le domaine des films chauffants, et porte en particulier sur un film chauffant polymère à résistance à coefficient de température positif, notamment pour le domaine automobile, et sur son procédé de fabrication. Dans le cas des véhicules automobiles à moteur thermique (diesel ou essence), le moteur thermique assure la fonction de chauffage dans l'habitacle du véhicule pour le confort de l'utilisateur, la quantité d'énergie disponible pour chauffer l'habitacle étant de l'ordre de 6 à 8 kW. Cependant, dans le cas des véhicules automobiles à moteur électrique, l'énergie disponible pour le chauffage de l'habitacle est seulement de l'ordre de 1 à 2 kW. Il est donc nécessaire d'apporter un confort thermique en répartissant des éléments chauffants dans l'habitacle du véhicule automobile à moteur électrique, les éléments chauffants pouvant, par exemple, être disposés dans le tableau de bord, le plafonnier et/ou à l'intérieur des portes. Dans le domaine des surfaces chauffantes, on connaît les films chauffants souples constitués de pistes résistives filaires à base d'alliage métallique, de pistes résistives gravées ou de pistes en polymère. Ces pistes sont prises en sandwich entre deux films d'isolation électrique où le fil résistif parcourt un chemin sur une trame. Les pistes résistives ou la résistance électrique de ces pistes ne varient pas ou très faiblement en fonction de la température. Dans le cas du fil résistif, il est possible d'avoir une variation de la résistance électrique 2 avec la température lorsque le fil résistif est un polymère, mais le chauffage n'est pas continu. En outre, ces types de film chauffant fonctionnent en tout ou rien et doivent être pilotés par un dispositif de type thermostat. 5 Les inconvénients de ces films chauffants existants sont : le pilotage du film chauffant avec un thermostat, le besoin de définir le film chauffant en amont en fonction du besoin de chauffage, le surdimensionnement du film chauffant pour prévoir les conditions extrêmes, la 10 destruction du film chauffant lorsqu'il est emprisonné dans une forte épaisseur d'isolant thermique, et un chauffage qui suit les pistes conductrices et non un chauffage continu et homogène. Pour répartir le chauffage dans l'habitacle d'un 15 véhicule automobile, les solutions existantes sont les fils chauffants ou les films chauffants à puissance constante. Cependant, il n'existe pas aujourd'hui de film chauffant flexible auto régulé ou auto limitant en puissance électrique, l'auto limitation signifiant que la puissance 20 dissipée est susceptible de varier positivement ou négativement en fonction du besoin. La demande de brevet européen EP2127473A2 divulgue un film chauffant comprenant une feuille résistance à coefficient de température positif, CTP, en 25 contact avec des électrodes filaires. Cependant, ce film chauffant effet CTP ne permet pas d'obtenir une résistivité volumique du film chauffant de manière à dissiper une puissance électrique homogène par le volume et ne permet pas une auto régulation localisée du film 30 chauffant. La présente invention vise à résoudre les inconvénients de l'état antérieur de la technique, en proposant un film chauffant polymère à résistance 3 coefficient de température positif, CTP, comprenant une couche de polymère électroconductrice a résistance CTP recouverte par deux électrodes surfaciques, ce qui permet d'obtenir un chauffage homogène du film chauffant par le 5 volume et une auto régulation localisée du film chauffant en fonction de la température. La présente invention a donc pour objet un film chauffant polymère à résistance à coefficient de température positif, CTP, comprenant une couche polymère 10 électroconductrice à résistance CTP, caractérisé par le fait que la couche polymère électroconductrice à résistance CTP est une couche de polymère électroconductrice résistance CTP comprenant une matrice de polymère thermoplastique dans laquelle sont réparties des charges 15 conductrices, le film chauffant polymère à résistance CTP comprenant en outre une première électrode surfacique recouvrant l'une des faces de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP et une seconde électrode surfacique recouvrant l'autre opposée des faces 20 de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP. Les charges conductrices réparties dans la couche de polymère permettent la conduction d'électricité. Les première et seconde électrodes surfaciques 25 peuvent recouvrir chacune la totalité de l'une des deux faces de la couche de polymère. Ainsi, la couche de polymère électroconductrice du film chauffant est thermosensible et possède une résistance électrique variable en fonction de la 30 température pour en faire un capteur de température et un élément chauffant ayant une densité de puissance variable localement en fonction de la température du support ou de l'ambiance. 4 Le film chauffant « dit intelligent » est approprié pour des applications automobiles, l'intelligence du film chauffant venant de sa capacité à réaliser un chauffage localisé pour répondre à un besoin thermique. 5 L'application du film chauffant dans le domaine automobile permet une répartition du confort thermique dans l'habitacle du véhicule automobile de façon simple, économique et efficace. La résistivité du film chauffant est volumique, 10 et l'auto régulation du film chauffant est localisée, c'est-à-dire que la couche de polymère à effet CTP a la possibilité de localiser la fonction de chauffage sur une surface. Le film chauffant polymère est auto régulé, 15 dissipant une puissance électrique par le volume et ayant la capacité de moduler la puissance en fonction de la température de la surface ou du rayonnement perçu et cela grâce à la matière plastique polymère. L'invention permet d'obtenir un film chauffant 20 simple dont la structure à base de polymère conducteur d'électricité est suffisamment simple pour en permettre la réalisation en grand nombre et à coût réduit. Le schéma électrique équivalent du film chauffant polymère s'apparente à une infinité de résistances 25 électriques variables en fonction de la température entre les première et seconde électrodes. Lorsque le film chauffant est posé sur un support pour chauffer ce support, le film va chauffer en appliquant une densité de puissance en fonction du support. 30 Le film chauffant peut lire la température de surface du support et adapter seul la puissance à dissiper pour maintenir la totalité de la surface du support à la même température. La densité de puissance sur la surface 5 est ainsi modulée en fonction du besoin thermique local. La densité de puissance sera plus importante sur les zones froides de la surface du support, et la densité de puissance sera plus faible sur la partie de surface du 5 support plus chaude. Les avantages du film chauffant polymère à effet CTP selon l'invention sont : une densité de puissance adaptée au support, un chauffage continu sur la surface du support, une économie de consommation d'énergie par l'auto 10 adaptation du chauffage par rapport au besoin thermique, une absence de circuit de pilotage avec thermostat complexe, une absence de circuit de surveillance par l'auto limitation de la puissance électrique, une absence de double, triple ou quadruple circuit de chauffage pour 15 augmenter ou diminuer la densité de puissance en fonction de la zone à chauffer, une flexibilité mécanique, une solution qui peut être par exemple insérée dans les structures de tableau de bord de véhicules automobiles ou dans les rétroviseurs pour des fonctions de mise en hors 20 gel, et une solution pouvant être mise en sandwich dans des structures composites. Sous tension électrique à courant continu de 12V, et par effet Joule, la couche de polymère conducteur thermosensible ayant une résistance électrique variable va 25 dissiper des calories. Le polymère de la couche de polymère effet CTP est un polymère spécifique pour des applications en très basse tension de sécurité (12V) ou pour des applications basses tensions (230V). Le polymère de la matrice de polymère 30 thermoplastique est un polymère thermoplastique dopé avec de fines particules conductrices de l'électricité. Le polymère peut être du polyéthylène haute densité, des mélanges de polymères haute et basse densités 6 (polyéthylène, polyéthylène haute densité, polyéthylène basse densité), des mélanges de polymères (de type polyéthylène + polypropylène), du polyéthylène associé à des oligomères (de type éthylène-acétate de vinyle (EVA), 5 éthylène-acétate de butyle (EBA), éthylène-acrylate d'éthyle (EEA)), des fluoro-polymères (poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), perfluoroalkoxy (PFA)), des thermoplastiques élastomères, des polyesters. 10 Les particules peuvent être du noir de carbone, des nanoparticules de carbone. Selon une caractéristique particulière de l'invention, les charges conductrices sont au moins un élément parmi des particules de noir de carbone, des 15 nanotubes de carbone et des particules métalliques. Ainsi, les charges conductrices permettent la conduction d'électricité dans le volume de la couche de polymère afin de chauffer cette dernière. Selon une caractéristique particulière de 20 l'invention, la couche de polymère électroconductrice résistance CTP comprend en outre, réparti dans la matrice de polymère thermoplastique, au moins un élément parmi des additifs de stabilisation thermique, des additifs antioxydants, des additifs d'amélioration de conduction 25 électrique et des additifs d'amélioration de conduction thermique. Les principaux additifs sont les additifs antioxydants qui ont pour rôle de protéger le polymère contre l'oxydation. 30 Les additifs de stabilisation thermique sont sensiblement identiques aux additifs antioxydants. Les additifs antioxydants sont au moins l'un parmi les polyphénoliques et les phosphites organiques. 7 Les additifs d'amélioration de conduction électrique et thermique sont, par exemple, les oxydes de zinc. Selon une caractéristique particulière de 5 l'invention, la couche de polymère électroconductrice résistance CTP possède une épaisseur comprise entre 10 pm et 1,5 mm, de préférence entre 100 pm et 300 pm. Ainsi, le film chauffant très mince peut facilement être inséré dans différents éléments de 10 l'habitacle d'un véhicule automobile tels que le tableau de bord, le plafonnier ou l'intérieur des portes. Selon une caractéristique particulière de l'invention, chacune de la première électrode et de la seconde électrode est en cuivre, en alliage de cuivre, en 15 aluminium, en alliage d'aluminium, en argent, en alliage d'argent, en nickel, en alliage de nickel ou en fibres de carbone électroconducteur. Les électrodes conductrices peuvent avoir une épaisseur de quelques centaines d'Angstrôm à quelques 20 dizaines de microns. De façon préférée, les électrodes conductrices peuvent avoir une épaisseur entre 1 et 100 microns, voire entre 1 et 10 microns. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le film chauffant polymère à résistance CTP 25 comprend en outre au moins une couche d'isolation électrique disposée sur au moins l'une de la première électrode et de la seconde électrode. Ainsi, l'au moins une couche d'isolation électrique permet d'isoler électriquement le film 30 chauffant. De préférence, une première couche d'isolation électrique est disposée sur la première électrode et une 8 seconde couche d'isolation électrique est disposée sur la seconde électrode. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la couche de polymère électroconductrice 5 résistance CTP est perforée de manière à avoir une géométrie électriquement résistive. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le film chauffant polymère à résistance CTP est souple. 10 Ainsi, le film chauffant s'apparente à un textile et est d'une grande souplesse. La présente invention a en outre pour objet un procédé de fabrication d'un film chauffant polymère à résistance CTP tel que décrit ci-dessus, caractérisé par le 15 fait que ledit procédé comprend les étapes consistant mélanger à chaud la matrice de polymère thermoplastique en phase fusion, les charges conductrices et, le cas échéant, les additifs de manière à former la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP, à disposer la première 20 électrode surfacique sur l'une des faces de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP, et à disposer la seconde électrode surfacique sur l'autre opposée des faces de la couche de polymère électroconductrice résistance CTP. 25 Ainsi, la mise en oeuvre à chaud permet d'avoir une parfaite cohésion entre la matrice de polymère et les deux électrodes métalliques, c'est-à-dire un bon contact ohmique et thermique entre le polymère et les électrodes. Selon une caractéristique particulière de 30 l'invention, la couche de polymère électroconductrice résistance CTP est mise en forme par extrusion, par extrusion calandrage, par compression ou par thermoformage. 9 Chacun des procédés précités permet d'obtenir une épaisseur contrôlée de la couche de polymère du film chauffant. Selon une caractéristique particulière de 5 l'invention, ledit procédé comprend en outre l'étape consistant à insérer des éléments métalliques au moins partiellement dans la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP lors de sa mise en forme, lesdits éléments métalliques permettant la disposition des première et 10 seconde électrodes sur la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP. Différentes techniques d'impression ou de dépôt peuvent être utilisées pour réaliser les électrodes : - dépôts métalliques : dépôts PVD (dépôt physique en phase 15 vapeur) ou CVD (dépôt chimique en phase vapeur) de différent métaux ; et/ou - impression d'encre conductrice électrique chargée de particules ou de nanoparticules conductrices organiques ou métalliques. 20 Les éléments métalliques sont de préférence en cuivre, en aluminium, en argent, en nickel ou en alliage métallique. Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre illustratif 25 et non limitatif, deux modes de réalisation préférés, avec référence aux dessins annexés. Sur ces dessins : - la Figure 1 est une vue en perspective d'un film 30 chauffant polymère à résistance CTP selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et 10 - la Figure 2 est une vue en perspective d'un film chauffant polymère à résistance CTP selon un second mode de réalisation de l'invention. 5 Si l'on se réfère à la Figure 1, on peut voir qu'il y est représenté un film chauffant polymère résistance CTP 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le film chauffant polymère à résistance CTP 1 10 comprend une couche de polymère électroconductrice résistance CTP 2, une première électrode surfacique 3 recouvrant l'une des faces de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP 2 et une seconde électrode surfacique 4 recouvrant l'autre opposée des faces 15 de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP 2. La couche de polymère électroconductrice résistance CTP 2 comprend une matrice de polymère thermoplastique dans laquelle sont réparties des charges 20 conductrices afin de permettre une conduction d'électricité. La couche de polymère électroconductrice 2 du film chauffant 1 est ainsi thermosensible et possède une résistance électrique variable en fonction de la 25 température. La résistivité de la couche de polymère résistance CTP 2 du film chauffant 1 est volumique, et l'auto régulation du film chauffant 1 est localisée, c'est-à-dire que la couche de polymère 2 a la possibilité de 30 localiser la fonction de chauffage sur une surface. Le film chauffant 1 polymère est auto régulé, dissipant une puissance électrique par le volume et ayant la capacité de moduler la puissance en fonction de la H température de la surface ou du rayonnement perçu et cela grâce à la matière plastique polymère. Lorsque le film chauffant 1 est posé sur un support pour chauffer ce support, le film chauffant 1 va 5 chauffer en appliquant une densité de puissance en fonction de la température du support. Le film chauffant 1 peut lire la température de surface du support et adapter seul la puissance à dissiper pour maintenir la totalité de la surface du support à la 10 même température. La densité de puissance sur la surface est ainsi modulée en fonction du besoin thermique local. Le film chauffant 1 peut être par exemple inséré dans les structures de tableau de bord de véhicules automobiles ou dans les rétroviseurs pour des fonctions de 15 mise en hors gel. Sous tension électrique à courant continu de 12V, et par effet Joule, la couche de polymère 2 ayant une résistance électrique variable va dissiper des calories. Le polymère de la couche de polymère 2 est un 20 polymère thermoplastique dopé de particules conductrices de l'électricité. Les charges conductrices réparties dans la couche de polymère à résistance CTP 2 sont au moins un élément parmi des particules de noir de carbone, des nanotubes de 25 carbone et des particules métalliques. La couche de polymère électroconductrice résistance CTP 2 peut également comprendre, réparti dans la matrice de polymère thermoplastique, au moins un élément parmi des additifs de stabilisation thermique, des additifs 30 antioxydants, des additifs d'amélioration de conduction électrique et des additifs d'amélioration de conduction thermique. 12 Les principaux additifs sont les additifs antioxydants qui ont pour rôle de protéger le polymère contre l'oxydation. Les additifs de stabilisation thermique sont 5 sensiblement identiques aux additifs antioxydants. Les additifs antioxydants sont au moins l'un parmi les polyphénoliques et les phosphites organiques. Les additifs d'amélioration de conduction électrique et thermique sont, par exemple, les oxydes de zinc. 10 La couche de polymère électroconductrice résistance CTP 2 possède une épaisseur comprise entre 10 pm et 1,5 mm, de préférence entre 100 pm et 300 pm. Le film chauffant 1 très mince peut ainsi facilement être inséré dans différents éléments de l'habitacle d'un véhicule 15 automobile tels que le tableau de bord, le plafonnier ou l'intérieur des portes. Chacune de la première électrode 3 et de la seconde électrode 4 est en cuivre, en alliage de cuivre, en aluminium, en alliage d'aluminium ou en fibres de carbone 20 électroconducteur. Il est à noter que la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP 2 pourrait également être perforée de manière à avoir une géométrie électriquement résistive, sans s'écarter du cadre de la 25 présente invention. Le film chauffant polymère à résistance CTP 1 est souple et s'apparente à un textile. La présente invention porte également sur un procédé de fabrication du film chauffant polymère à 30 résistance CTP 1, ledit procédé comprenant les étapes consistant à mélanger à chaud la matrice de polymère thermoplastique en phase fusion, les charges conductrices et, le cas échéant, les additifs de manière à former la 0 couche de polymère électroconductrice à résistance CTP 2, disposer la première électrode surfacique 3 sur l'une des faces de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP 2, et à disposer la seconde électrode 5 surfacique 4 sur l'autre opposée des faces de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP 2. La couche de polymère électroconductrice résistance CTP 2 est mise en forme par extrusion, par extrusion calandrage, par compression ou par thermoformage, 10 ce qui permet d'obtenir une épaisseur contrôlée de la couche de polymère 2 du film chauffant 1. Le procédé de fabrication pourrait également comprendre une étape consistant à insérer des éléments métalliques au moins partiellement dans la couche de 15 polymère électroconductrice à résistance CTP 2 lors de sa mise en forme, lesdits éléments métalliques permettant la disposition des première et seconde électrodes 3, 4 sur la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP 2. Si l'on se réfère à la Figure 2, on peut voir 20 qu'il y est représenté un film chauffant polymère résistance CTP 5 selon un second mode de réalisation de l'invention. Les éléments communs entre le premier mode de réalisation de l'invention sur la Figure 1 et ce second 25 mode de réalisation de l'invention portent le même chiffre de référence, et ne seront pas décrits plus en détail ici lorsqu'ils sont de structures identiques. Le film chauffant polymère à résistance CTP 5 selon le second mode de réalisation est identique au film 30 chauffant polymère à résistance CTP 1 selon le premier mode de réalisation, à l'exception du fait que le film chauffant 5 comprend en outre une première couche d'isolation électrique 6 disposée sur la première électrode surfacique 14 3 et une seconde couche d'isolation électrique 7 disposée sur la seconde électrode surfacique 4, les première et seconde couches d'isolation électrique 6 et 7 permettant d'isoler électriquement le film chauffant 5 vis-à-vis de 5 l'extérieur. REVENDICATIONS1 - Film chauffant polymère à résistance coefficient de température positif, CTP, (1 ; 5) comprenant une couche polymère électroconductrice à résistance CTP, caractérisé par le fait que la couche polymère électroconductrice à résistance CTP est une couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2) comprenant une matrice de polymère thermoplastique dans laquelle sont réparties des charges conductrices, le film chauffant polymère à résistance CTP (1 ; 5) comprenant en outre une première électrode surfacique (3) recouvrant l'une des faces de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2) et une seconde électrode surfacique (4) recouvrant l'autre opposée des faces de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2). 2 - Film chauffant polymère à résistance CTP (1 ; 5) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les charges conductrices sont au moins un élément parmi des particules de noir de carbone, des nanotubes de carbone et des particules métalliques. 3 - Film chauffant polymère à résistance CTP (1 ; 5) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2) comprend en outre, réparti dans la matrice de polymère thermoplastique, au moins un élément parmi des additifs de stabilisation thermique, des additifs antioxydants, des additifs d'amélioration de conduction électrique et des additifs d'amélioration de conduction thermique. 4 - Film chauffant polymère à résistance CTP (1 ; 5) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la couche de polymère électroconductrice 16 résistance CTP (2) possède une épaisseur comprise entre 10 pm et 1,5 mm, de préférence entre 100 pm et 300 pm. 5 - Film chauffant polymère à résistance CTP (1 ; 5) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le 5 fait que chacune de la première électrode (3) et de la seconde électrode (4) est en cuivre, en alliage de cuivre, en aluminium, en alliage d'aluminium, en argent, en alliage d'argent, en nickel, en alliage de nickel ou en fibres de carbone électroconducteur. 10 6 - Film chauffant polymère à résistance CTP (5) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre au moins une couche d'isolation électrique (6, 7) disposée sur au moins l'une de la première électrode (3) et de la seconde électrode 15 (4). 7 - Film chauffant polymère à résistance CTP (1 ; 5) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la couche de polymère électroconductrice résistance CTP (2) est perforée de manière à avoir une 20 géométrie électriquement résistive. 8 - Film chauffant polymère à résistance CTP (1 ; 5) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le film chauffant à résistance CTP (1 ; 5) est souple. 25 9 - Procédé de fabrication d'un film chauffant polymère à résistance CTP (1 ; 5) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que ledit procédé comprend les étapes consistant à mélanger à chaud la matrice de polymère thermoplastique en phase fusion, les 30 charges conductrices et, le cas échéant, les additifs de manière à former la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2), à disposer la première électrode surfacique (3) sur l'une des faces de la couche de polymère 17 électroconductrice à résistance CTP (2), et à disposer la seconde électrode surfacique (3) sur l'autre opposée des faces de la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2). 5 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2) est mise en forme par extrusion, par extrusion calandrage, par compression ou par thermoformage. 10 11 - Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait que ledit procédé comprend en outre l'étape consistant à insérer des éléments métalliques au moins partiellement dans la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2) lors de sa mise en 15 forme, lesdits éléments métalliques permettant la disposition des première (3) et seconde (4) électrodes sur la couche de polymère électroconductrice à résistance CTP (2).