CH713639B1 - Watch component in composite material comprising an organic matrix reinforced with graphene. - Google Patents

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CH713639B1 CH00394/18A CH3942018A CH713639B1 CH 713639 B1 CH713639 B1 CH 713639B1 CH 00394/18 A CH00394/18 A CH 00394/18A CH 3942018 A CH3942018 A CH 3942018A CH 713639 B1 CH713639 B1 CH 713639B1
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Corvasce Filomeno
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Abstract

La présente invention se rapporte à un composant horloger (I) réalisé dans un matériau composite comprenant une matrice organique renforcée avec du graphène, ladite matrice organique étant réalisée dans un polymère ayant un module de Young E t supérieur ou égal à 2 et, de préférence, à 3 GPa.The present invention relates to a watch component (I) made of a composite material comprising an organic matrix reinforced with graphene, said organic matrix being made of a polymer having a Young's modulus E t greater than or equal to 2 and, preferably , at 3 GPa.

Description

DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA

[0001] La présente invention se rapporte au domaine horloger et, plus précisément, à un composant horloger réalisé dans un matériau synthétique renforcé avec du graphène. The present invention relates to the watchmaking field and, more specifically, to a watch component made of a synthetic material reinforced with graphene.

ART ANTERIEURPRIOR ART

[0002] En horlogerie, les alliages métalliques sont largement utilisés pour leurs propriétés mécaniques remarquables (dureté, ductilité, rigidité, absence de fragilité, etc.). On peut citer l'utilisation des aciers inoxydables austénitiques, du laiton ou encore des alliages de titane pour des boîtes de montre, des cadrans, des aiguilles, etc. Ils présentent cependant pour désavantage d'être relativement lourds avec des densités supérieures à 4pour les alliages de titane et supérieures à 8pour les laitons ou les aciers inoxydables. Ils sont en outre coûteux et nécessitent une étape d'usinage pour la mise à forme finale. Les matériaux synthétiques avec leur faible densité et leur mise à forme directe dans les moules d'injection permettent de pallier ces désavantages. Cependant, ils ont pour inconvénient d'être moins performants en termes de propriétés mécaniques que les alliages métalliques. In watchmaking, metal alloys are widely used for their remarkable mechanical properties (hardness, ductility, rigidity, absence of brittleness, etc.). Mention may be made of the use of austenitic stainless steels, brass or even titanium alloys for watch cases, dials, hands, etc. However, they have the disadvantage of being relatively heavy with densities greater than 4 for titanium alloys and greater than 8 for brasses or stainless steels. They are also expensive and require a machining step for the final shaping. Synthetic materials with their low density and their direct forming in injection molds make it possible to overcome these disadvantages. However, they have the drawback of being less efficient in terms of mechanical properties than metal alloys.

[0003] A ce jour, il existe toujours une demande dans l'horlogerie pour des matériaux combinant les avantages des alliages métalliques et des matériaux synthétiques. Plus précisément, il existe une demande pour des matériaux combinant légèreté, résistance mécanique, ductilité, ainsi que d'autres propriétés telles que la résistance à la corrosion et la résistance à l'usure. To date, there is still a demand in watchmaking for materials combining the advantages of metal alloys and synthetic materials. More specifically, there is a demand for materials combining lightness, mechanical strength, ductility, as well as other properties such as corrosion resistance and wear resistance.

RESUME DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION

[0004] La présente invention a ainsi pour objet de proposer un matériau composite présentant un compromis entre les propriétés mécaniques des alliages métalliques et celles des matériaux synthétiques, pour une utilisation dans des composants horlogers. [0004] The object of the present invention is thus to provide a composite material exhibiting a compromise between the mechanical properties of metal alloys and those of synthetic materials, for use in watch components.

[0005] A cet effet, la présente invention propose un composant horloger réalisé dans un matériau synthétique renforcé avec du graphène. Ce matériau synthétique comporte une matrice réalisée dans un polymère dit à hautes ou ultra hautes performances tel que le PEEK. To this end, the present invention provides a watch component made of a synthetic material reinforced with graphene. This synthetic material comprises a matrix made from a so-called high or ultra high performance polymer such as PEEK.

[0006] Le composant horloger réalisé dans ce matériau présente pour avantage d'être léger grâce à la faible densité du matériau avec des valeurs de l'ordre de 1.3tout en ayant des propriétés mécaniques supérieures grâce au renforcement de la matrice par le graphène. The watch component made from this material has the advantage of being light thanks to the low density of the material with values of the order of 1.3 while having superior mechanical properties thanks to the reinforcement of the matrix with graphene.

[0007] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante d'un mode de réalisation préféré, présenté à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. [0007] Other characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment, presented by way of non-limiting example with reference to the accompanying drawings.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0008] Les figures 1et 2représentent respectivement une boîte de montre et un cercle d'emboîtage réalisés avec un matériau composite selon l'invention. Figures 1 and 2 represent respectively a watch case and a casing ring made with a composite material according to the invention.

DESCRIPTION DE L'INVENTIONDESCRIPTION OF THE INVENTION

[0009] La présente invention se rapporte à un composant horloger réalisé dans un matériau synthétique renforcé avec du graphène. Le composant horloger peut être un composant d'habillage tel qu'une boîte de montre, une carrure, un fond, une lunette, un poussoir, un maillon de bracelet, un bracelet, un cadran, un cercle d'emboîtage, etc. ou encore un composant du mouvement tel qu'un pont ou une platine, etc. A titre illustratif, les figures 1et 2représentent une boîte de montre 1et un cercle d'emboîtage 2conçus avec un matériau composite, selon l'invention. The present invention relates to a watch component made of a synthetic material reinforced with graphene. The horological component can be a covering component such as a watch case, a caseband, a back, a bezel, a push-button, a bracelet link, a bracelet, a dial, a casing ring, etc. or a component of the movement such as a bridge or a plate, etc. By way of illustration, FIGS. 1 and 2 represent a watch case 1 and a casing ring 2 designed with a composite material, according to the invention.

[0010] Le matériau composite comporte une matrice organique réalisée avec un polymère dit à hautes ou à ultra hautes performances. Il s'agit de polymères qui résistent à des environnements extrêmes. Leurs performances reposent sur une haute résistance chimique, thermique, à la pression, à la fatigue et à l'abrasion. Ces matières sont également connues pour leurs propriétés élevées en résistance et leurs modules élevés. The composite material comprises an organic matrix made with a so-called high or ultra high performance polymer. These are polymers that withstand extreme environments. Their performance is based on high chemical, thermal, pressure, fatigue and abrasion resistance. These materials are also known for their high strength properties and high moduli.

[0011] Les polymères à hautes ou ultra hautes performances présentent généralement des propriétés de charge à la rupture supérieures ou égales à 70voire à 80MPa avec une élongation à la rupture supérieure ou égale à 3% et un module de Young supérieur ou égal à 3GPa. Certains polymères à hautes performances tels que le PVDF peuvent néanmoins présenter des propriétés plus faibles avec un module de Young supérieur ou égal à 2GPa, une charge à la rupture supérieure ou égale à 30MPa avec, en corollaire, une élongation à la rupture supérieure ou égale à 20% pouvant monter jusqu'à des valeurs de 300%. The high or ultra high performance polymers generally exhibit tensile strength properties greater than or equal to 70 or even 80 MPa with an elongation at break greater than or equal to 3% and a Young's modulus greater than or equal to 3GPa. Certain high-performance polymers such as PVDF may nevertheless exhibit weaker properties with a Young's modulus greater than or equal to 2GPa, a tensile strength greater than or equal to 30 MPa with, as a corollary, an elongation at break greater than or equal. at 20% which can go up to values of 300%.

[0012] Les polymères choisis selon l'invention se caractérisent plus précisément par leur module de Young Et supérieur ou égal à 2et, de préférence, à 3GPa selon la norme ISO 527-1: 2012. Préférentiellement, les polymères à ultra hautes performances sont les PAEK (Polyaryléthercétone), PEEK (Polyétheréthercétone), PEKK (Polyéthercétonecétone), PFSA (Acide perfluorosulfonic), PI (Polyimide), SRP ('Self-reinforced' polyphénylène), PAI (Polyamide-imides), HTS (Sulfone haute température) et les polymères à hautes performances sont les PPS (Polysulfure de phénylène), PSU (Polysulfone), PPSU (Polyphénylsulfone), PPA (Polyphthalamide), PFA (Perfluoroalkoxy), MFA (Perfluorométhylalcoxy), PVDF (Polyfluorure de vinylidène). Plus préférentiellement, le polymère choisi est le PEEK. The polymers chosen according to the invention are characterized more precisely by their Young Et's modulus greater than or equal to 2 and, preferably, to 3GPa according to the ISO 527-1: 2012 standard. Preferably, the ultra-high performance polymers are PAEK (Polyaryletherketone), PEEK (Polyetheretherketone), PEKK (Polyetherketonketone), PFSA (Perfluorosulfonic acid), PI (Polyimide), SRP ('Self-reinforced' polyphenylene), PAI (Polyamide-imides), HTS) (High temperature sulfone) and the high performance polymers are PPS (Polyphenylene sulfide), PSU (Polysulfone), PPSU (Polyphenylsulfone), PPA (Polyphthalamide), PFA (Perfluoroalkoxy), MFA (Perfluoromethylalkoxy), PVDF (Polyvinylidene fluoride). More preferably, the polymer chosen is PEEK.

[0013] Selon l'invention, du graphène et, plus précisément, une poudre de graphène est combinée à un de ces polymères de type hautes à ultra hautes performances pour obtenir un composite polymère/graphène aux propriétés en rigidité et propriétés ultimes (limite élastique, charge à la rupture, allongement, etc.) élevées. La teneur en poids du graphène dans le composite est comprise entre 0.1et 15%, de préférence entre 0.5et 10%, plus préférentiellement entre 1et 5% (bornes incluses). L'adjonction de graphène dans le polymère permet de développer une infinité de candidats rigides, injectables par les procédés de transformation bien connus par l'homme de métier. Selon l'invention, du graphène issu de différents procédés de fabrication (dépôt chimique en phase vapeur, exfoliation mécanique et chimique, etc.) peut être utilisé. A titre d'exemple, le graphène selon l'invention peut être un graphène FLG (Few-Layer Graphene) qui a une épaisseur moyenne de 4à 6nm et est composé de 3à 5couches de carbone. According to the invention, graphene and, more precisely, a graphene powder is combined with one of these polymers of the high to ultra high performance type to obtain a polymer / graphene composite with rigidity and ultimate properties (elastic limit , tensile strength, elongation, etc.) high. The content by weight of graphene in the composite is between 0.1 and 15%, preferably between 0.5 and 10%, more preferably between 1 and 5% (limits included). The addition of graphene to the polymer makes it possible to develop an infinite number of rigid candidates, which can be injected by transformation methods well known to those skilled in the art. According to the invention, graphene obtained from various manufacturing processes (chemical vapor deposition, mechanical and chemical exfoliation, etc.) can be used. By way of example, the graphene according to the invention can be an FLG (Few-Layer Graphene) graphene which has an average thickness of 4 to 6 nm and is composed of 3 to 5 carbon layers.

[0014] Le matériau composite renforcé avec le graphène présente, entre autres, des propriétés en flexion et en traction améliorées avec, selon la norme ISO 527-1: 2012, une contrainte au seuil d'écoulement σyainsi qu'une contrainte à la rupture σbsupérieure ou égale à 80MPa et, de préférence à 90MPa, une déformation au sein d'écoulement εysupérieure ou égale à 3%, et de préférence à 4%, et un module de Young Et supérieure ou égale à 3.5et, de préférence, à 4GPa. Par ailleurs, le module de flexion Efselon la norme ISO 178: 2010est supérieur ou égal à 3.5et, de préférence, à 4GPa. Le matériau renforcé présente une densité comprise entre 1et 3g/cm<3>déterminée selon la norme ISO 1183-1: 2012. The composite material reinforced with graphene exhibits, among other things, improved flexural and tensile properties with, according to ISO 527-1: 2012, a yield point stress σy as well as a breaking stress σb greater than or equal to 80 MPa and, preferably to 90 MPa, a strain in the flow εys greater than or equal to 3%, and preferably to 4%, and a Young's modulus Et greater than or equal to 3.5 and, preferably, to 4GPa. Furthermore, the Ef flexural modulus according to the ISO 178: 2010 standard is greater than or equal to 3.5 and, preferably, 4GPa. The reinforced material has a density of between 1 and 3g / cm <3> determined according to the ISO 1183-1: 2012 standard.

[0015] Les performances finales du mélange ne dépendent pas seulement de la proportion en graphène dans le polymère mais aussi de la méthode d'incorporation du graphène dans la matrice polymère. En utilisant une extrudeuse mélangeuse du type „twin screw extruder“, il est possible de disperser le graphène dans la matrice pour obtenir des propriétés de performances inhabituelles en termes de rigidité, conductivité thermique, conductivité électrique, limites à la rupture, anisotropie, rapport phase cristalline/amorphe. Ces propriétés peuvent être ajustées en fonction du cahier des charges de la pièce finale. The final performance of the mixture does not depend only on the proportion of graphene in the polymer but also on the method of incorporating graphene into the polymer matrix. By using a mixing extruder of the “twin screw extruder” type, it is possible to disperse the graphene in the matrix to obtain unusual performance properties in terms of rigidity, thermal conductivity, electrical conductivity, breaking limits, anisotropy, phase ratio. crystalline / amorphous. These properties can be adjusted according to the specifications of the final part.

[0016] Les résultats issus de mélanges PEEK/graphène selon l'invention sont repris ci-après. The results obtained from PEEK / graphene mixtures according to the invention are given below.

ExemplesExamples

[0017] Les formules ont été développées à partir du PEEK et du graphène Nanoxplore heXo-G V4. Trois formules ont été testées. Une première de référence ne comporte pas de graphène et est référencée PEEK dans la table 2ci-dessous. Dans une seconde formule selon l'invention, le matériau comporte 2% en poids de graphène. Dans une troisième formule selon l'invention, le matériau comporte 5% en poids de graphène. La table 1reprend les caractéristiques du graphène Nanoxplore heXo-G V4. Il s'agit d'un graphène FLG (Few-Loyer Graphene) produit par une technologie de bille broyeur. Epaisseur moyenne (nm) 4-6 Dimension moyenne de la paillette (µm) 3 Densité volumique (g/cm<3>) 0.13 Surface BET (m<2>/g) 100-150 Apparence poudre Carbone (% pds) > 93 Oxygène (% pds) < 4 Cendre (% pds) 2.7The formulas were developed from PEEK and Nanoxplore heXo-G V4 graphene. Three formulas were tested. A first reference does not contain graphene and is referenced PEEK in table 2 below. In a second formula according to the invention, the material comprises 2% by weight of graphene. In a third formula according to the invention, the material comprises 5% by weight of graphene. Table 1 shows the characteristics of the Nanoxplore heXo-G V4 graphene. It is an FLG (Few-Loyer Graphene) graphene produced by ball mill technology. Average thickness (nm) 4-6 Average dimension of the straw (µm) 3 Volume density (g / cm <3>) 0.13 BET surface (m <2> / g) 100-150 Carbon powder appearance (% by weight)> 93 Oxygen (wt%) <4 Ash (wt%) 2.7

Table 1Table 1

[0018] Les mélanges ont été réalisés dans une extrudeuse du type „twin screw extruder“ et injectés à une température de 390°C. The mixtures were produced in an extruder of the "twin screw extruder" type and injected at a temperature of 390 ° C.

[0019] Les propriétés mécaniques des échantillons ont été mesurées ainsi que leurs densités. La table 2reprend les résultats des mesures de densité, des essais de traction et des essais en flexion. Les essais de traction ont été réalisés selon la norme ISO 527-1:2012. En conformité avec cette norme, la contrainte au seuil d'écoulement σy, aussi appelée limite apparente élastique, la contrainte à la rupture σb, la déformation au sein d'écoulement εyet le module de Young Et ont été mesurés. Les mesures de densité p ont été réalisées selon la norme ISO 1183-1: 2012. Par ailleurs, le module de flexion Efa été mesuré selon la norme ISO 178: 2010. Chaque essai a été répété deux fois pour chaque nuance, la table 2reprend la moyenne. Ref PEEK 1.29 3900 97.6 81.9 5.1 3780 + 2% graphène 1.32 4500 97.3 96.6 5 4465 + 5% graphène 1.31 4510 96 94.8 4.2 4510The mechanical properties of the samples were measured as well as their densities. Table 2 shows the results of density measurements, tensile tests and bending tests. The tensile tests were carried out according to ISO 527-1: 2012. In accordance with this standard, the yield point stress σy, also called the elastic apparent limit, the ultimate stress σb, the strain in flow εy and the Young's modulus Et were measured. The density measurements p were carried out according to the ISO 1183-1: 2012 standard. Furthermore, the flexural modulus Efa was measured according to the ISO 178: 2010 standard. Each test was repeated twice for each grade, table 2 shows the average. Ref PEEK 1.29 3900 97.6 81.9 5.1 3780 + 2% graphene 1.32 4500 97.3 96.6 5 4465 + 5% graphene 1.31 4510 96 94.8 4.2 4510

Table 2Table 2

[0020] On observe que les matériaux avec du graphène présentent une contrainte à la rupture σbaugmentée de près de 20% tout en gardant une déformation élastique εysemblable de l'ordre de 5%. De même, une augmentation significative du module de Young Et et du module de flexion Efest observée avec respectivement des augmentations de 15% et quasi 20%. Peu de différences sont observées entre les échantillons renforcés avec 2ou 5% de graphène, 2% de graphène dans le cas d'une matrice PEEK permettant déjà d'obtenir des performances améliorées. It is observed that the materials with graphene exhibit a tensile stress σb increased by nearly 20% while keeping an elastic deformation εysimilar of the order of 5%. Likewise, a significant increase in Young's modulus Et and in flexural modulus Efest observed with increases of 15% and almost 20% respectively. Few differences are observed between the samples reinforced with 2 or 5% graphene, 2% graphene in the case of a PEEK matrix already making it possible to obtain improved performance.

Claims (7)

1. Composant horloger réalisé dans un matériau composite comprenant une matrice organique renforcée avec du graphène, ladite matrice organique étant réalisée dans un polymère ayant un module de Young Et supérieur ou égal à 2et, de préférence, à 3GPa.1. Timepiece component made from a composite material comprising an organic matrix reinforced with graphene, said organic matrix being made from a polymer having a Young Et's modulus greater than or equal to 2 and, preferably, to 3GPa. 2. Composant horloger selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pourcentage en poids de graphène dans le matériau composite est compris entre 0.1et 15%, de préférence entre 0.5et 10% et plus préférentiellement entre 1et 5%.2. Watch component according to claim 1, characterized in that the percentage by weight of graphene in the composite material is between 0.1 and 15%, preferably between 0.5 and 10% and more preferably between 1 and 5%. 3. Composant horloger selon la revendication 1ou 2, caractérisé en ce que la matrice organique est réalisée dans un polymère choisi parmi la liste comprenant le PAEK, PEEK, PEKK, PI, SRP, PAI, HTS, PPS, PSU, PPSU et le PPA.3. Watch component according to claim 1 or 2, characterized in that the organic matrix is made from a polymer chosen from the list comprising PAEK, PEEK, PEKK, PI, SRP, PAI, HTS, PPS, PSU, PPSU and PPA. . 4. Composant horloger selon la revendication 3, caractérisé en ce que le polymère est le PEEK.4. Watch component according to claim 3, characterized in that the polymer is PEEK. 5. Composant horloger selon l'une des revendications 1à 4, caractérisé en ce que le matériau composite a une contrainte au seuil d'écoulement σyet une contrainte à la rupture σbrespectivement supérieure ou égale à 90MPa, une déformation au seuil d'écoulement εysupérieure ou égale à 3% et, de préférence, supérieure ou égale à 4%, un module de Young Et supérieur ou égal à 3.5et, de préférence, à 4GPa.5. Timepiece component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the composite material has a yield point stress σyet a tensile stress σbrrespectively greater than or equal to 90 MPa, a deformation at the flow threshold εysuperior or equal to 3% and, preferably, greater than or equal to 4%, a Young Et's modulus greater than or equal to 3.5 and, preferably, to 4GPa. 6. Composant horloger selon l'une des revendications 1à 5, caractérisé en ce qu'il est choisi parmi la liste comprenant une boîte de montre, un cercle d'emboîtage, une carrure, un fond, une lunette, un poussoir, un maillon de bracelet, un bracelet, un cadran, un pont et une platine.6. Watch component according to one of claims 1 to 5, characterized in that it is chosen from the list comprising a watch case, a casing ring, a caseband, a back, a bezel, a push-button, a link. bracelet, a bracelet, a dial, a bridge and a plate. 7. Montre comprenant le composant horloger selon l'une des revendications 1à 6.7. Watch comprising the horological component according to one of claims 1 to 6.
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