Article contenant du carbone tel que, par exemple, pièce de machine et dispositif électrique, pièce de frein, etc. et procédé<B>pour</B> le fabriquer. Les pièces faites en charbon artificiel pour l'électricité ou pour d'autres usages sont for mées, en général, par des conglomérats de carbone, qui peut être soit amorphe, soit à l'état de graphite, et éventuellement d'autres substances. Lorsque les substances non carbo nées y sont à dose relativement faible, elles ne contribuent pas à la solidité mécanique de l'ensemble. Celle-ci ne peut donc résulter que de liaisons entre particules de carbone ou de graphite ou de carbone et de graphite. Or, l'expérience montre que ces agglomérés, s'ils résistent bien à la compression, résistent très mal à la flexion, au cisaillement et au choc.
On a donc tenté par divers moyens de remé dier à cette insuffisance mécanique. Il est connu, par exemple, d'imprégner la matière carbonée avec des substances organiques li quides ou dissoutes, puis de carboniser ces matières qui laissent leur coke dans les pores de l'aggloméré initial et le rendent phis tenace. Cependant, le coke ainsi incorporé est dur et fragile en général. La rigidité de la masse se trouve accrue, mais celle-ci est ren due plus sensible aux chocs. D'autres procédés proposés n'on pas non plus donné satisfaction; l'imprégnation par certaines résines synthé tiques organiques introduit dans le charbon des substances susceptibles de dégager des gaz ou des vapeurs combustibles lorsque la pièce en carbone subit un échauffement un peu notable.
Cette carbonisation s'accompagne, en outre, dîme formation locale de goudrons, de sorte qu'il devient impossible de prévoir les réactions de ces matières imprégnées quand on les utilise dans certaines applications.
La présente invention se rapporte à un article contenant du carbone, exempt des in convénients précités, et à un procédé de fabri cation de tels articles.
L'article selon l'invention, qui peut être, par exemple, une pièce -utilisée en électrotech nique, balai, frotteur de machine tournante, pièce de contact de disjoncteur ou de rupteur, ou encore une pièce de frein, ete., est caracté risé en ce que sa masse comprend du carbone et au moins un polysiloxane solide. (Par car bone, on entend aussi bien du graphite que du carbone amorphe).
Le procédé selon l'invention pour la fabri cation de tels articles est caractérisé en ce que des agglomérés, formés au moins en partie de carbone, sont soumis à un traitement tel qu'ils soient imprégnés, en au moins une partie de leur ruasse, d'au moins un siloxane, lequel est alors durci par polymérisation.
On peut imprégner des agglomérés de car bone avec un ou plusieurs siloxanes liquides ou dissous. On peut aussi les imprégner avec une ou des substances génératrices de siloxane pouvant, par un traitement chimique conve nable, être transformées en siloxanes dans la masse imprégnée. La présence de polysiloxanes solides amé liore considérablement la tenue des charbons. En effet, ces résines se fixent par adsorption de façon très énergique, sur les particules de carbone. Elles peuvent remplir complètement les pores et leur tenue à la chaleur est bien meilleure que celle des résines organiques non siliceuses.
En moyenne, on peut admettre que les charbons artificiels imprégnés de poly- siloxanes résistent à des températures supé rieures d'environ 100 à 120 C, à celles com patibles avec ces charbons imprégnés de rési nes synthétiques.
Outre ces avantages, la conductibilité ther mique est accrue; lorsqu'il s'agit de pièces frottantes, l'échauffement local se trouve ré duit. Dans l'application particulière aux seg ments pour freins, le coefficient de frottement devient plus régulier et la tenue mécanique est très améliorée. Enfin, les pièces ainsi im prégnées deviennent imperméables à l'eau, de sorte que leur comportement au frottement n'est pas modifié par l'humidité atmosphé rique.
Les siloxanes servant à l'imprégnation sont constitués avantageusement par les polymères légers de produits ayant pour formule géné rale R-SiO-R'. Dans cette formule R et R' désignent deux radica#x hydrocarbonés univa lents, pouvant appartenir aux séries alipha tique, alicyclique, aromatique avec noyaux simples ou condensés.
Les exemples les plus simples sont constitués par le diméthyl- siloxane, le diphényl-siloxane et le méthyl- phényl-siloxane. A l'état faiblement polymé risé, ce sont des liquides, des pâtes ou des so lides, suivant le degré de polymérisation et la nature des radicaux R et R', mais dans tous les cas, ils restent solubles dans les solvants organiques volatils tels que le benzène, le to luène, le tétrachlorure de carbone, etc.
Dans un premier mode d'exécution, les pièces en carbone, qui peuvent être à l'état brut ou fini, sont imprégnées par des siloxanes liquides plus ou moins visqueux, à l'état pur, ou dissous dans un solvant ou un mélange de solvants convenablement choisis. Par exemple, on peut utiliser un diméthyl-siloxane ou sa solution dans un solvant organique comme le benzène ou l'oxyde de butyle.
Si l'on imprègne par le siloxane pur, on obtient un taux de remplissage des pores atteignant son maximum, tandis que par dilu tion du siloxane, on peut réaliser des taux d'imprégnation variant à volonté entre 0 et 100%, de l'imprégnation complète.
Une fois l'imprégnation terminée, on chauffe, de préférence, entre 150 et 250 C en viron en atmosphère inerte ou réductrice, de manière à polymériser le siloxane en le ren dant dur, compact, insoluble et infusible.
Si l'imprégnation a été faite par un si- loxane dilué, on vaporise le solvant, éven tuellement en le récupérant, puis on procède à la polymérisation suivant la manière déjà décrite.
Comme déjà dit, on peut aussi imprégner la pièce en carbone avec une substance géné ratrice de siloxane, telle qu'un halogénure liquide, susceptible d'être transformé en si- loxane par hydrolyse.
Par exemple, on peut utiliser le chlorure de diméthylsilicium C12S1 (CH3)z. On peut employer un halogénure de ce genre à l'état pur ou plus ou moins dilué dans un solvant assez volatil pour que son départ n'entraîne pas celui du chlorure de silicium alcoylé ou arylé. Une fois l'imprégnation ter minée, on vaporise le solvant s'il y a lieu, puis on soumet les pièces à l'action de l'eau chaude ou de la vapeur d'eau.
Il se produit une hy drolyse de l'halogénure choisi avec forma tion du silanol correspondant dont la pièce se trouve ainsi imprégnée. A la température de réaction le silanol se polymérise presque aus sitôt, de sorte qu'on obtient finalement les mêmes résultats qu'en partant de siloxanes liquides. Pendant cette hydrolyse, il se forme un acide halogéné, par exemple l'acide chlor hydrique,
mais cet acide se trouve éliminé à l'état gazeux en majeure partie pendant l'hy drolyse et en tout cas lorsqu'on chauffe les pièces imprégnées pour y polymériser les si- loxanes. On peut aussi imprégner les pièces en car bone au moyen du mélange de deux ou plu sieurs siloxanes ou encore au moyen de si- loxanes à substitution mixte, par exemple le méthyl-éthyl-siloxane,
le méthyl-phényl- siloxane ou bien par des mélanges tels que le méthy 1- et le phény 1-siloxane ou le méthyl- éthyl- et le méthyl-phényl-siloxane.
L'imprégnation peut être effectuée soit sur des pièces en carbone amorphe, ou en car bone amorphe mélangé de graphite, ou en graphite. On peut, notamment, fabriquer des pièces en carbone amorphe, les transformer en graphite par traitement thermique au-dessus de 2000 C environ, puis les imprégner de si- loxane.
Lorsqu'on utilise le diméthyl-siloxane seul, le polymère d'imprégnation est particulière ment riche en silicium, sa teneur en cet élé ment étant, en effet, de l'ordre de 38% en poids. Si l'on emploie au contraire des si- loxanes plus riches en carbone, le taux de silicium peut être considérablement plus ré duit;
il atteint, par exemple, 14% de silicium quand on utilise de diphény 1-siloxane. Avec des siloxanes mixtes ou des mélanges de si- loxanes, on peut réaliser des pourcentages de silicium intermédiaires, par exemple,<B>32%</B> de silicium avec le méthyl-éthyl-siloxane, 20 de silicium avec le méthyl-phényl-siloxane, <B>27,5%</B> avec le diéthyl-siloxane, etc.
L'imprégnation est effectuée, de préfé rence, sur une substance préalablement agglo mérée et dégazée ou calcinée à température convenable. Par exemple, on peut imprégner des plaques pour balais de moteurs électriques qui ont été cuites à des températures de l'or dre de 300 à 1500 C environ. On peut égale ment imprégner des matières carbonées qui ont été transformées partiellement ou totale ment en graphite artificiel, grâce à une cuisson convenable au-dessus de 1800 C environ. Dans tous les cas, la matière carbonisée a conservé une certaine porosité qui en permet l'imprégna tion.
L'imprégnation peut être effectuée par immersion dans le siloxane liquide ou dissous; on peut accélérer l'opération en faisant agir un vide partiel au-dessus de la solution, de manière à enlever les bulles d'air restées dans les pores du charbon. De préférence, on opère à froid pour éviter le durcissement préma turé du siloxane.
On peut exercer également une certaine pression sur le liquide d'imprégnation pour l'obliger à pénétrer plus vite dans les pores du charbon. Lorsqu'on veut éviter l'impré gnation complète, les parties à ne pas impré gner peuvent être au préalable gorgées d'une substance liquide ou solide prise à l'état fondu et pouvant être éliminée facilement par disso lution ou vaporisation après l'imprégnation et le durcissement du siloxane. On peut utiliser à cet effet simplement de l'eau. Comme il a été dit, on peut employer aussi, comme impré gnant., un mélange de deux ou plusieurs si- loxanes dont chacun comporte des radicaux R et R' semblables ou différents.
Ainsi, on peut imprégner avec un mélange de diméthyl-si- loxane et de méthyl-phényl-siloxane. Dans tous les cas, le durcissement du siloxane est effectué soit en abandonnant longtemps à froid les pièces imprégnées, soit, et de préfé rence, en les chauffant pendant quelques heures ou davantage entre 100 et 150 C en viron.
A titre d'exemple, on citera l'imprégnation de pièces en carbone amorphe ayant une densité apparente de 1,38 par du méthyl- phényl-siloxane à l'état pur. Après poly mérisation de ce dernier à une tem pérature comprise entre 125 et 150 C, la densité est passée à 1,48 environ et la résistance à la flexion à 275 kg par em2 contre 180 avant traitement.
Dans tous les cas, les pièces après impré gnation et polymérisation du siloxane peu vent être usinées, si l'on était parti de pièces brutes, ou recevoir une légère finition si l'on était parti de pièces déjà usinées.
Les pièces carbonées ainsi préparées ont l'avantage d'être moins combustibles que celles non traitées; leur résistance électrique n'est pas plus élevée bien que les siloxanes soient des isolants électriques. La conductibilité ther mique se trouve augmentée. Il en résulte que des pièces de contact électrique s'usent moins par frottement et par combustion lors des arcs de rupture que des pièces identiques n'ayant reçu aucune imprégnation par les siloxanes.
L'article selon l'invention est particulière ment avantageux sous forme de balai pour moteurs électriques. On recherche parfois des balais très régulièrement et très légèrement abrasifs, l'abrasif présent dans le balai devant être réparti de la manière la plus uniforme possible. Les siloxanes fournissent une excel lente solution à ce problème, car le passage du courant et le frottement leur font subir une très légère décomposition qui donne lieu à la, formation de silice de finesse colloïdale répartië de façon très uniforme.
Les caractéris tiques de frottement du balai sont donc égale ment uniformes et l'on évite ainsi la forma tion de rayures qui ravinent ou qui dété riorent les collecteurs. On peut d'ailleurs réa liser également des balais pour l'électrotechni que, comportant des mélanges de carbone ou de graphite et d'un ou plusieurs métaux tels que le cuivre, l'étain, le plomb, le zinc, l'ar gent, etc., et conformes à l'invention.
A cet effet, les balais de graphite et de corps mé tallique (métal ou alliage) sont établis, par exemple, suivant les procédés usuels, puis on les soumet à l'imprégnation par les siloxanes et à la polymérisation, ainsi qu'il a été décrit. On obtient ainsi des balais carbo-métalliques ou graphito-métalliques présentant également un certain pouvoir polisseur qui abaisse sen siblement la chute de tension électrique au contact.
On peut de même réaliser des agglomérés de métaux et de carbone ou de graphite des tinés à servir de pièces de contact, par exem ple dans des rupteurs ou autres pièces d'ap pareillage, et conformes à l'invention. Ainsi, des pièces de contact formées de graphite et d'argent peuvent être imprégnées aux siloxa- nes et donner d'excellents résultats.
Dans le cas des disjoncteurs, les enclenchements et déclenchements parfois brutaux qui se pro duisent ne risquent plus de fissurer ou de bri ser les pièces de contact en carbone ou en graphite, et la résistance au contact ne se trouve cependant pas élevée par rapport à ce qu'on observe avec des charbons non im prégnés.
A titre d'exemple, on citera l'imprégna tion de pièces en carbone amorphe ayant une densité apparente de 1,38 par le méthyl- phény 1-siloxane à l'état pur. Après polyméri sation de ce dernier entre<B>175</B> et 225 , ces pièces conviennent particulièrement pour éta blir les contacts dans les disjoncteurs. La den sité après polymérisation est passée à 1,48 en viron, et la résistance à la flexion de 180 à 275 kg par cm2.
En ce qui concerne les pièces de frein, l'imprégnation aux siloxanes élève quelque peu le coefficient de frottement surtout à la fin du coup de frein par suite de la forma tion mentionnée de silice colloïdale, ce qui permet d'abréger la durée du freinage pour obtenir l'arrêt ou le ralentissement, par com paraison avec des pièces de friction identi ques, mais non imprégnées. De plus, la tenue mécanique des sabots de frein est très amélio rée. Dans d'autres cas, les relèvements de ré sistance mécanique se sont trouvés compara bles, et la tenue des pièces ail frottement et autres sollicitations mécaniques en a été con sidérablement améliorée.
Le remarquable pouvoir hydrofuge des charbons imprégnés de siloxanes polymérisés permet d'en constituer des cuves conductrices (en charbon ou en graphite imprégnés) pour y contenir des liquides aqueux et notamment des solutions d'électrolyte. Il n'est pas néces saire que toute leur masse soit imprégnée; il suffit que leur surface en contact avec l'élec trolyte l'ait été sur une très faible épaisseur.