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- CONDUCTEUR ELECTRIQUE -
L'invention concerne les conducteurs électriques et plus particulièrement ceux qui comportent : 1 ) - une âme métallique dont la surface extérieure est à base d'aluminium (aluminium, alumine, fluorure d'aluminium), et 2 ) - une gaine externe constituée par une couche d'un polymère de chlorotrifluo- -roéthylène, appliqué directement sur cette âme.
L*un des objets de l'invention consiste à fabriquer un conducteur compor- tant un isolement extérieur constitué par un polymère de chlorotrifluoroéthylène, adhérant fortement à l'âme, ne se craquelant pas, ne se desquamant pas à haute température, et résistant à l'abrasion.
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L'invention sera mieux comprise par la lecture de la description qui suit et par l'examen des dessins annexés, où :
La figure 1 représente une âme métallique 1, de cuivre par exemple, revêtue d'une mince couche d'aluminium 2, elle-même recouverte d'une résine synthé- tique 3 (polymère de chlorotrifluoroéthylène).
A l'examen de la figure 2, on voit que l'âme 4 est essentiellement cons- tituée par de l'aluminium, enveloppé d'un polymère de chlorotrifluoroéthylène 5.
La figure 3 représente une âme de cuivre 6, revêtue d'une mince couche d'aluminium 7, revêtu lui-même d'une mince couche d'oxyde dtaluminium 8, revêtue à son tour d'une pellicule de polymère de chlorotrifluoroéthylène.
Ce dernier, du fait de sa forte résistance à la chaleur, de sa stabilité et de sa résistance aux solvants, a été utilisé comme isolant de conducteurs élec-. triques. Il peut être appliqué sur du cuivre nu, sans risque de desquamation ou de craquelage, aux températures élevées auxquelles le conducteur risque d'être soumis. Toutefois, des conducteurs ainsi isolés, présentent le sérieux inconvénient de mal résister à l'abrasion. On a tenté de le pallier par l'interposition d'une mince couche d'aluminium, soumis ou non au traitement anodique, entre l'âme du conducteur et le polymère tétrafluoroéthylène : on n'a pas réussi à améliorer ainsi la résistance à l'abrasion; on l'a même diminuée, et il faut, de plus chauffer fortement pendant des temps très longs, pour appliquer l'isolant au conducteur.
Le polymère de chlorotrifluoroéthylène, peut être plus avantageusement utilisé du fait que la température nécessaire pour revêtir les conducteurs élec- triques se situe dans une zone plus pratique, comparativement à celle utilisée par les revêtements de polymère de tétrafluoroéthylène. De l'utilisation du premier me découle aucun sacrifice concernant la résistance chimique et la stabilité à la chaleur de l'isolant.
Contrairement à toute attente, on a constaté que lorsqu'on utilisait un polymère de chlorotrifluoroéthylène comme isolant des conducteurs nus de cuivre, cet isolant se craquelait et de desquamait à haute température. Ceci était contraire aux résultats obtenus quand on utilisait un polymère de tétrafluoroéthylène.
La Société demanderesse a constaté qu'un polymère de chlorotrifluoro- éthylène peut être appliqué à des noyaux métalliques, comme isolant, sans danger de craquelage ou de desquamation à haute température, si la surface de l'âme, immédiatement en contact avec l'isolant est à base d'aluminium, par exemple
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aluminium, alumine ou fluorure d'aluminium. On a donc fabriqué des conducteurs dont la noyau métallique est constitué par du cuivre et l'isolant par un poly- mère de chlorotrifluoroéthylène, en appliquant au cuivre une mince couche adhé- rente et continue d'aluminium sur laquelle on applique ensuite le chlorotrifluo- roéthylène. Au lieu d'une âme de cuivre recouverte d'aluminium, on a utilisé avec le même succès, une âme d'aluminium.
Les conducteurs ainsi préparés sont stables à la chaleur, souples, et n'ont par les défauts antérieurement signalés.
Bien que d'autres noyaux métalliques en cuivre plein revêtus de nickel, d'argent, etc.. puissent être isolés, d'une manière satisfaisante, par un polymère de chlorotrifluoroéthylène, on a pu obtenir des résultats entièrement inattendus et non évidents, si l*âme conductrice comporte soit une couche d'aluminium ou de fluorure d'aluminium, ou de l'aluminium oxydé par -traitement anodique.
De plus, amélioration, en ce qui concerne la résistance à l'abrasion, semble être spéci- fique du polymère de chlorotrifluoroéthylène, puisque l'utilisation d'une résine autre n'apporte aucune amélioration de cette résistance à l'abrasion, mais dans certains cas la diminue,
Plus particulièrement, on a constaté que, lorsque la couche d'alumi- nium ou d'aluminium oxydé par traitement anodique, ou encore la couche de fluo- rure d'aluminium, est directement en contact avec le polymère de chlorotrifluoro- éthylène, on obtient un isolement dont la résistance à l'abrasion est manifeste- ment meilleure que celle obtenue quand la surface adjacente au polymère de ch@lo- rotrifluoroéthylène, est constituée par l'un quelconque des autres métaux essayés.
La Société demanderesse a constaté que l'on peut utiliser soit des âmes d'alumi- nium pleines ou de tous autres métaux, revêtus d'aluminium, d'aluminium oxydé par traitement anodique, ou de fluorure d'aluminium, immédiatement adjacentes au polymère de chlorotrifluoroéthylène.
Cette constatation n'avait rien d'évident et était même inattendue, du fait que le polymère de tétrafluoroéthylène, utilisé comme isolant, en-''place du chlorotrifluoroéthylène, donnait de moins bons résul- tats que lorsque la surface d'aluminium type était en contact avec le tétrafluoro- éthylène et, du fait aussi que d'autres métaux tels que l'argent, le nickel et le cadmium, appliqués par voie électrolytique, sur les noyaux de cuivre, pour , permettre de réaliser des surfaces métalliques directement en contact avec l'isolant, donnent des résultats moins bons en ce qui concerne la résistance à l'abrasion.
La couche type d'aluminium peut toutefois être appliquée sur le revêtement métallique mince, comme du cadmium, du nickel ,du fer, etc..
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effectué au préalable sur l'âme de cuivre, et qui se trouve donc localisée entre la couche type d'aluminium et le cuivre et en contact direct avec ces mé- taux. Ceci supplique également à l'utilisation de couches d'aluminium oxydé par traitement anodique et de fluorure d'aluminium, ces deux revêtements étant obtenus par la conversion de la surface externe de l'aluminium sus-mentionné, en aluminium oxydé par traitement anodique ou en fluorure d'aluminium.
Conformément à la présente invention, on dépose une mince couche d'un polymère de chlorotrifluoroéthylène sur un noyau d'aluminium, en faisant passer le dit noyau à travers une solution de chlorotrifluoroéthylène, ou, de préférence à travers une émulsion de cette matière. Le conducteur ainsi revêtu traverse ensuite un four, maintenu à une température élevée, qui provoque la fusion des minces particules du polymère et donne à la gaine un aspect lisse.
Dans une autre réalisation de l'invention, on dépose, de toute manière appropriée, une mince couche d'aluminium sur l'âme métallique,par exemple en cuivre, etc..,- qui traverse ensuite une émulsion de polymère de chlorotrifluoro- éthylène, comme indiqué ci-dessus.
On peut aussi utiliser toute méthode de dépôt de la mince couche d'alu- minium sur le noyau métallique. L'une d'elles consiste à préparer un complexe chimique d'aluminium, en milieu non aqueux, et de déposer ensuite sur l'âme du conducteur ltaluminium en suspension, par des moyens électro-chimiques. Une autre méthode consiste à appliquer une feuille mince d'aluminium sur l'âme mé- tallique et à faire passer l'ensemble à la filière, ce qui permet d'obtenir une forte adhérence de l'aluminium.
L'épaisseur du revêtement d'aluminium peut varier dans de larges limites selon les applications (par exemple 0,0125 millimètre à 0,5 mm., de préférence de 0,025 à 0,25 mm.). Cette particularité concernant l'épaisseur nest nullement limitative, et on peut choisir des valeurs supérieures ou inférieures, sans s'é- carter de l'invention. On conçoit que ce revêtement d'aluminium puisse être trai té par l'oxydation anodique, ou être transformé en fluorure dont l'épaisseur peut être comprise entre 0,0025 mm. et 0,05 mm.
L'épaisseur de la couche isolante de polymère de chlorotrifluoroéthylène peut varier dans de larges limites, 0,0125 mm. à 0,25 mm. Il est possible de revêtir la couche d'aluminium de couches plus épaisses d'isolant en faisant passer plusieurs fois le conducteur à travers l'émulsion du polymère de
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chlorotrifluoroéthylène, de préférence en cuisant à haute température, entre chaque application. Le nombre d'opérations nécessaires pour obtenir une certaine épaisseur de chlorotrifluoroéthylène, dépend de la concentration de 1'émulsion, de la vitesse de transfert du conducteur, etc...
Toutes ces conditions peuvent être modifiées suivant les applications particulières du conducteur électrique. Par exemple, on découpe le polymère de chlorotrifluoroéthylène en petits morceaux, que l'on broie ensuite finement. On mélange la poudre ainsi obtenue avec le liquide d'émulsion; on malaxe ensuite pen- dant une durée suffisante pour obtenir une émulsion homogène assez stable et que l'on peut maintenir en cet état par agitation.
Comme liquide dispersif, on peut utiliser divers milieux organiques, par exemple naphte à point éclair élevé, alcool butylique, benzène, toluène, xy- lène, divers glycols, éthylène-glycol, diéthylcellosolve, etc... On a obtenu d'excellents résultats en utilisant le mélange constitué par deux parties de naphte à point d'éclair élevé et d'une partie d'alcool butylique.
Le rapport de la quantité de chlorotrifluoroéthylène finement divisé, à celle du liquide d'émulsion, peut être modifié dans de larges limites sans s'écarter du principe de l'invention. On peut, par exemple, utiliser le mélange au taux pondéral de 60 à 95 parties de liquide dtémulsion pour 5 à 25 parties de polymère du chlorotrifluoroéthylène; ces proportions peuvent d'ailleurs être modif iées.
Le procédé d'entraînement de l'âme métallique à travers le liquide d'émulsion du polymère de chlorotrifluoroéthylène comporte de nombreuses variante? L'une d'elles consiste à faire passer le conducteur à travers l'émulsion et en- suite à travers le four à la vitesse de lm.50 à 4m5O à la minute, selon la lon- gueur et la température du four, et les dimensions du fil. Il convient qu*à l'entrée du four, la température soit de 100 à 200 C. pour volatiliser la phase liquide de 1' émulsion, et de 400 à 600 au voisinage de la sortie, où commence la fusion des particules de chlorotrifluoroéthylène, pour aboutir à la formation d'une pellicule continue, homogène et lisse.
Pour obtenir une couche plus é- paisse d'isolant, on peut, au moment où le conducteur sort du four, lui faire traverser de nouveau l'émulsion, puis de nouveau le four. Comme on l'a dit plus
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haut, ee cycle de traversées e émulsion et dans le four peut être répébé le nombre suffisant de fois pour obtenir un revêtement présentant l'épais
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-seur désirée.
Pour mieux faire comprendre la mise en pratique de l'invention, on donnera maintenant un certain nombre d'exemples sans aucun esprit de limitation.
EXEMPLE 1 - Préparation de l'émulsion.
On broie le polymère de chlorotrifluoroéthylène jusqu'à ce que l'on obtienne une poudre très finement divisée ; mélange environ 15 parties de cette poudre à 85 parties d'un liquide dispersif dont 2/3 en poids sont constituées par du naphte à point d'éclair élevé et un tieispar de l'alcool n-butylique. On ma- laxe ensuite pendant 168 heures environ.
EXEMPLE 2 - Traitement des conducteurs électriques.
Les conducteurs nus traversent l'émulsion de polymère de chlorotrifluorc- éthylène à la vitesse de 2m.4 à 3m. par minute , et passent ensuite dans un four dont les températures sont 150 à l'entrée et 5000 à la sortie. Dans chaque cas le conducteur passait plusieurs fois dans l'émalsion et dans le four jusqu'à ce que la couche de chlorotrifuoroéthylène présente une épaisseur d'environ 0,05 mm.
Chaque conducteur revêtu de sa couche isolante a un diamètre de 0,8 mm. à 1 mm. environ. L'un des conducteurs ainsi revêtu était un fil d'aluminium plein, de 0,8 mm. de diamètre comportant une couche de 0,05 mm, de polymère de chlorotri- fluoroéthylène ; il avait traversé huit fois l'émulsion et le four ; diamètre total était finalement de 0,9 mm.
Un autre conducteur, constitué comme on l'a dit plus haut, par un fil de cuivre de 0,625 mm. de diamètre, traversait de l'aluminium en fusion, puis une filière qui donnait à la couche d'aluminium une épaisseur de 0,125 mm.; on nettoyait tout d'abord le fil de cuivre dans une solution alcaline concentrée de potasse par exemple, puis dans l'acide sulfurique, peu lui donner du brillant et le débarrasser de la couche d'oxyde, on lavait enfin à l'eau pour éliminer toutes traces d'acide. Au cours du passage du fil de cuivre à travers l'alumi- nium fondu, ce dernier était projeté par une atmosphère d'azote contenant un peu d'hydrogène pour éviter l'oxydation du cuivre.
Une autre méthode consiste à soumettre au traitement anodique une âme de cuivre revêtue d'aluminium en lui faisant traverser une solution d'acide oxalique, d'acide chromique, d'acide sul- furique, de soude caustique, etc.., le conducteur constituant l'anode.
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Il se forme alors une couche d'alumine. On lui applique ensuite une couche de chlorotrifluoroéthylène en lui faisant traverser une émulsion de cette résine selon la méthode décrite plus haut.
On peut aussi faire passer un fil d'aluminium à travers une solution d'acide fluorhydrique à 10%. On sèche et le fil se trouve revêtu d'une pellicule de fluorure d'aluminium.
Par la méthode précitée d'application d'une couche de polymère de chloro- trifluoroéthylène, on a également isolé des fils de nickel, de cuivre nickelé, de cuivre, de cuivre chromé, de cuivre galvanisé, de fer, de cuivre cadmié, plombé, étamé, argenté, et de cuivre ordinaire.
EXEMPLE 3 - Essai des conducteurs revêtus.
Les conducteurs préparés suivant la méthode de l'exemple 2 ont été sou- mis aux essais de chauffage, de flexion et de résistance à l'abrasion. Ce dernier essai était effectué comme suit :
On plaçait une aiguille d'acier d'environ 0,45 mm. de diamètre perpendi- culairement à chaque conducteur, en la soumettant à un mouvement alternatif, cepen- dant que l'on chargeait laiguille d'un certain poids. On appliquait ensuite une tension électrique entre cette aiguille et le conducteur, de telle sorte que, quand l'isolant gtait rompu, il s'établissait un court-circuit qui supprimait le mouvement et arrêtait l'appareil enregistrant le nombre de mouvements. On trouvera une des- cription plus complète de cet appareil dans la "General Electric Review" volume 45, page 285 (1942).
Les essais de vieillissement sous l'action de la chaleur et les essais de flexion consistaient à placer pendant un certain temps les conducteurs isolés dans un four à température élevée. On examinait le conducteur pour constater s'il avait ou non changé de couleur. On l'enroulait ensuite sur un mandrin de petit diamètre pour déterminer la souplesse de l'isolant après vieillissement, et aussi le diamètre minimum du mandrin sur lequel on pouvait plier le conducteur isolé sans provoquer des craquelures ou des desquamations de l'isolant.
Le fil de cuivre, dépourvu de revêtement métallique, craquelait pour une courbure correspondant à son propre diamètre, soit 0,8 mm., après vieillissement de 24 heures à 175 ou à 150 C pendant 65 heures. L'essai de résistance à ltabrasion confirmait que ISisolant cassait pour une moyenne de 5 impacts de l'aiguille d'acier.
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Finalement, la couleur tannée du fil de cuivre avant vieillissement tournait au brun sombre, ce qui indiquait une décomposition de l'isolant.
Le conducteur d'aluminium, isolé, ne se craquelait pas quand on le courbait sur le mandrin de 0,8 mm. après un vieillissement à 200 C peddant 165 heures ou 250 C pendant 24 heures. De plus, la couleur de l'isolant n'avait pas varié pendant l'opération. L'essai de résistance à l'abrasion établissait qu'il fallait lui faire subir 24 impacts sur l'aiguille d'acier avant de rompre l'isolant. On a fait les mêmes essais sur le conducteur de cuivre revêtu d'une couche d'aluminium, entre le cuivre même et le chlorotrifluoroéthylène, et aussi pour le conducteur d'aluminium dont la surface avait Été soumise à l'action de l'acide fluorhydrique.
En ce qui concerne le conducteur à âme de cuivre, revêtu d'une couche d'aluminium ayant subi le traitement anodique et situé entre le cuivre et le chlo- rotrifluoroéthylène, on a constaté que ce conducteur avait la même résistance à la chaleur que les deux autres précités (aluminium, et cuivre revêtu d'aluminium).
Toutefois, il était inattendu de constater que la résistance à l'abrasion du con- ducteur à surface d'aluminium ayant subi le traitement anodique était la plus forte de toutes celles étudiées au cours des essais. C'est ainsi qu'on a constaté qu'il fallait environ 100 impacts de l'aiguille d'acier pour endommager l'iso- lant. En ce qui concerne les autres conducteurs soumis aux essais, on a constaté que, au cours de l'essai de résistance à l'abrasion, il suffisait de 1 à 8 impacts sur l'aiguille d'acier pour rompre l'isolant.
En aucun cas, la valeur de la résistance à l'abrasion n'approche celle des conducteurs revêtus d'aluminium en contact avec le chlorotrifluoroéthylène.
A l'exception du conducteur de nickel et de celui d'acier, tous les autresconduc- teurs isolés se craquelaient sur un mandrin de 0,8 mm., après vieillissement de 24 Heures à 250 C. De plus, tous ceux qui se craquelaient au cours de l'essai de flexion, accusaient un changement de couleur de la couche isolante, consécuti- vement à la décomposition de cette dernière au cours de l'essai de vieillisement.
Grâce à l'invention, on peut porter à des températures plus élevées que celles qui étaient admises jusqu'à présent, les conducteurs électriques de cuivre ou d'aluminium pleins, sans danger de provoquer le craquelage ou la des- quamation de l'isolant; on évite ainsi la mise en court-circuit et la destruction des appareils électriques.
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De plus, les appareils comportant des conducteurs conformes à l'invention peuvent fonctionner pendant de plus longues périodes à haute température sans danger de rupture de l'isolant. D'autre part, la possibilité d'utiliser le poly- mère de chlorotrifluoroéthylène comme isolant des conducteurs électriques, permet aujourd'hui l'utilisation de ces derniers en atmosphère corrosive et délétère qui ne présente aucune action sur cet isolant.
Enfin, grâce à la résistance à l'abra- sion des conducteurs conformes à l'invention, il est possible de bobiner les en- roulements à des vitesses plus élevées que celles qui étaient utilisées. Aupara- vant, il était nécessaire de bobiner lentement et avec soin, du fait de la faible résistance à l'abrasion des conducteurs isolés par les anciennes méthodes.
On comprendra aisément que l'on puisse substituer au cuivre, constituant l'âme de ces conducteurs, le nickel, l'argent, les métaux ferreux, etc... Chacun d'eux doit être revêtu, comme on l'a dit précédemment, d'une mince couche d'alumi- nium ou d'alumine (obtenue par oxydation superficielle) ou encore de fluorure d'aluminium (par traitement à l'acide fluorhydrique) avant dupliquer la couche isolante de polymère de chlorotrifluoroéthylène. On peut aussi faire subir à la surface d'aluminium le traitement anodique ou à l'acide fluorhydrique comme on l'a dit plus haut.