EP0113277A1 - Nouveaux films élastomères hautement électroconducteurs et de très faible épaisseur, procédé de production de ces films, multiconnecteurs comprenant de tels films et procédé de production desdits multiconnecteurs - Google Patents

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EP0113277A1
EP0113277A1 EP19830402459 EP83402459A EP0113277A1 EP 0113277 A1 EP0113277 A1 EP 0113277A1 EP 19830402459 EP19830402459 EP 19830402459 EP 83402459 A EP83402459 A EP 83402459A EP 0113277 A1 EP0113277 A1 EP 0113277A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
film
thickness
carbon fibers
elastomer
centrifugation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19830402459
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Claude Hazard
Pascal Moury
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hutchinson SA
Original Assignee
Hutchinson SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Hutchinson SA filed Critical Hutchinson SA
Publication of EP0113277A1 publication Critical patent/EP0113277A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
    • H01R13/02—Contact members
    • H01R13/22—Contacts for co-operating by abutting
    • H01R13/24—Contacts for co-operating by abutting resilient; resiliently-mounted
    • H01R13/2407—Contacts for co-operating by abutting resilient; resiliently-mounted characterized by the resilient means
    • H01R13/2414—Contacts for co-operating by abutting resilient; resiliently-mounted characterized by the resilient means conductive elastomers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/20—Conductive material dispersed in non-conductive organic material
    • H01B1/24—Conductive material dispersed in non-conductive organic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon

Definitions

  • the present invention relates to a new type of highly electroconductive and very thin elastomeric films, as well as to a process for producing these films and to a process for producing multiconnectors comprising such films.
  • the subject of the present invention is an electroconductive film, of the type based on elastomers, in particular silicone elastomers which can be crosslinked cold or hot, and using carbon fibers as electroconductive filler, characterized in that the electroconductive properties of the film in the direction of its thickness are a function of the distribution of carbon fibers in the direction of said thickness, which distribution is adjusted by centrifugation.
  • the distribution of the carbon fibers in the direction of the thickness of the film is such that the film is uniformly electrically conductive-according to another advantageous embodiment of the film according to the Invention, the distribution of carbon fibers in the direction of the thickness of the film is such that the electric conductivity is limited to a fraction of its thickness, while the other fraction is insulating.
  • the respective thicknesses of the electroconductive fraction and of the insulating fraction are adjustable at will, by adjusting the modalities of the centrifugation.
  • the distribution of the carbon fibers in the thickness of said film, or in the electroconductive layer of the latter is such that the film, or its electroconductive layer, has a conduction gradient in the thickness direction of said film, or of said electrically conductive layer.
  • the film according to the invention also contains a determined proportion of a diluent preferably consisting of silicone oil.
  • the proportion of diluent present in the finished film is between 0.5 and 100% by weight of the elastomer.
  • the proportion of carbon fibers present in the finished film can be greater than 100% by weight of the elastomer.
  • the carbon fibers incorporated in the film have a most located average diameter. often between 5 and 25 microns and an average length of 0.01 to 2 mm.
  • the electroconductive film according to the invention consequently has an improved resistivity ranging from 2 to 0.010 ohms / cm / cm, a breaking load generally between 1 and 10 MPa, a tear strength greater than 100 Newton / cm and a elongation at break between 50 and 400%.
  • the adjustment of the thickness of the electroconductive film is obtained by appropriately adjusting the speed of centrifugation according to the diameter of the centrifuge, on the other hand the viscosity of the mixture of elastomer and carbon fibers, and thirdly the temperature of the mixture subjected to the centrifugation operation.
  • the centrifugation speed is of the order of 1000 to 30,000 revolutions / minute and more, for a centrifuge diameter of 0.1 to 1 m or more.
  • the centrifugation operation is stopped as soon as the thin film has been spread on the wall of the centrifuge, in order to obtain a distribution. homogeneous carbon fibers in the film.
  • the centrifugation speed capable of ensuring spreading of the mixture in the form of a thin film on the wall of the centrifuge is initially advantageously of the order of 1000 to 5000 revolutions / minute and more, and is increased as soon as the said film is obtained to cause the migration of the fibers towards one of the faces of the film.
  • the speed of the centrifuge is increased up to 30,000 revolutions / minute and more, to cause the migration of the fibers over a fraction of the thickness of the film, thus leaving the fraction remaining of the thickness of the film devoid of carbon fibers, and, consequently, having the insulating properties of the elastomer, the electroconductive properties of the film being limited to the fraction of it containing said carbon fibers.
  • the centrifugation speed is gradually increased in stages, from a spreading speed of the order of 1000 to 5000 revolutions / minute up to a speed of 30,000 revolutions / minute, to cause non-homogeneous migration of the carbon fibers in the film, each migration layer corresponding to a speed step to obtain a conduction gradient in the direction of the thickness of the film, or of the latter's electroconductive layer.
  • the viscosity of the initial elastomeric mixture preferably silicone-carbon fiber elastomer, is less than .100,000 centipoise.
  • the speed of the initial elastomer-carbon fiber mixture is lowered if necessary by adding a solvent, for example a chlorinated or aromatic solvent, and in particular trichlorethylene, in an amount of 5 at 20% by weight relative to the weight of the mixture, to cause spreading of the mixture according to a reduced thickness. relative to the film thickness obtained in the absence of solvent, the solvent being evaporated immediately after the formation of the thin film by spreading by centrifugation, by applying a reduced pressure of the order of 150 to 10 Torr, or simply by renewal of air under approximately 760 Torr, optionally followed by heating to a temperature between 20 and 220 ° C.
  • a solvent for example a chlorinated or aromatic solvent, and in particular trichlorethylene
  • the viscosity of the elastomer-carbon fiber mixture is lowered by addition.
  • a diluent consisting, for example, of a silicone oil at a rate of 0.5 to 100% by weight relative to the weight of the mixture.
  • the spreading step by centrifugation is followed by an application of possibly wet heat, this application of heat being preceded, in the case where the viscosity of the initial mixture has been reduced using a solvent, of an evaporation operation of the latter.
  • the present invention also relates to a process for manufacturing multiconnectors highly conductive of electricity, of thickness or not very small, of the laminated type, namely comprising electroconductive layers alternating with insulating layers, characterized in that- said multiconnectors are obtained by repeating several times and up to 500 times or even more, the centrifugation operation followed by migration of the carbon fibers, with new successive charges of mixture of elastomer and carbon fibers.
  • the first film produced is subjected to incomplete crosslinking, which does not exceed 80%, by reducing the duration and / or the temperature of the application of heat, after which the following is introduced. a new charge of mixture of elastomer and carbon fibers which is subjected to a centrifugation operation and to a migration operation of the carbon fibers, the complete crosslinking of the elastomer being carried out only when all of the films which form the connector have been applied to each other.
  • the present invention also relates to a method for manufacturing highly electrically conductive microconnectors, extremely thin, conductive on both sides, characterized in that said microconnectors are obtained by repeating several times and up to 500 times the centrifugation operation, with new successive charges of mixture of elastomer and carbon fibers.
  • the invention relates more particularly to highly electroconductive elastomeric films and of very small thickness in accordance with the above provisions, thus that the means used for their production and the microconnectors and multiconnectors produced using these films, as well as the circuits and apparatus including these microconnectors and multiconnectors.
  • a silicone elastomer is introduced into a kneader, or a cylinder kneader, into which are also introduced electroconductive carbon fibers, with graphitic structure, of a few microns in diameter (5 to 10 microns) and from 0.01 to 1 mm long ; the amount of silicone elastomer introduced represents 80% by weight of the total weight and the amount of carbon fibers represents 20% by weight of the total weight.
  • the viscous mass resulting from kneading is intro taken from the drum of a centrifuge to produce a film on the wall of said drum by centrifugation.
  • the centrifugation speed is chosen from the range between 1500 rpm at start-up and 6000 rpm for a centrifuge diameter of 30 cm.
  • the duration of centrifugation at this speed is of the order of 30 minutes.
  • the viscosity of the mass introduced into the centrifuge can optionally be lowered to reduce the thickness of the resulting film.
  • the reduction in viscosity can be obtained by adding to the viscous mass, before its introduction into the centrifuge, a solvent which is then evaporated by subjecting the film obtained.
  • This reduction in viscosity can also be obtained by adding to the viscous mass before its introduction into the centrifuge, a silicone oil, for example, intended to be definitively incorporated into the mixture.
  • the choice of the speed of migration and the duration of this phase of rotation of the centrifuge determine a more or less rapid migration towards the outer face of the film, so that one can, by adjusting the speed and the duration of the migration phase, migrating the fibers over 1/4, 1/3, 1/2, etc. of the thickness of the film.
  • the films may have a resistance per unit length of up to 0.05 ohms / cm on their conductive faces, which can be compared with the value of a few milliohms / cm corresponding to the charges. money, significantly more expensive than those made of carbon fibers, and with the value of 1 to 100 ohms / cm corresponding to the charges of carbon powder having the limitations already indicated with respect to carbon fibers - while the insulating part of said elastomeric films has a resistance per unit length of up to 1 0 16 ohms / cm.
  • This process can be repeated n times as long as the cumulative thickness of the successive films remains small compared to the diameter of the centrifuge.
  • this operation can be repeated up to 500 times with a centrifuge 1 meter in diameter, complete crosslinking being carried out only once all of the successive layers shaped in the centrifuge.
  • the ribbon obtained is then taken out of the centrifuge to be cut by any suitable means such as cutter, laser, jet of fluid, etc. in the thickness direction to obtain multiconnectors.
  • the highly conductive elastomeric films according to the invention have excellent mechanical properties, because the fibers of carbon retain all their integrity (and are not broken as they could be in a molding process), create a reinforcement within the elastomer to increase its mechanical properties and in particular the resistance to tearing.
  • the adhesion of the insulating part / conductive part is as strong as the cohesion of the film since once in two this adhesion "does not exist" but is obtained "in situ” and another time out of two is done with slight interpenetration of the uncrosslinked material and the incompletely crosslinked material and this with a common final crosslinking.
  • the following table makes it possible to compare very immediately some of the characteristics of an elastomer film, obtained after crosslinking and loaded with carbon fibers with a graphitic structure having a few microns in diameter and a length of 0.01 to 1 millimeter, with respect to the same characteristics of the product, obtained by molding, corresponding to a filler with carbon-black powder.
  • the table refers to a percentage of the carbon fiber load of 30% by weight of the finished product and to a percentage of the carbon-black load of 30% by weight of the finished product given by way of nonlimiting examples.

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Abstract

Nouveaux films élastomères hautement étectroconduc- teurs et de très faible épaisseur et procédé de production de ces films.
Ces films sont caractérisés en ce qu'ils comprenent une proportion déterminée de fibres de carbone électroconductrices présentes dans un film d'un élastomère, réparties dans ledit film par centrifugation de façon à obtenir des films uniformément électroconducteurs ou des films dont l'élec- troconductibilité est limitée à une fraction de leur épaisseur, l'autre fraction étant isolante, ou des films présentant un
gradient de conduction dans le sens de leur épaisseur. Application: fabrication de multiconnecteurs, microconnecteurs, joints d'étanchéité électroconducteurs, joints de blindage électro-magnétiques.

Description

  • La présente invention est relative à un nouveau type de films élastomères hautement électroconducteurs et de très faible épaisseur, ainsi qu'à un procédé de production de ces films et à un procédé de production de multiconnecteurs comprenant de tels films.
  • On connaît déjà des films élastomères conducteurs d'électricité constitués par un matériau élastomère du type des silicones dans lesquels on introduit une charge conductrice constituée :
    • - soit par des particules métalliques en métaux nobles tels que l'argent ou l'or ;
    • - soit par des particules métalliques en métaux non nobles tels que cuivre, fer et analogue revêtus de métaux nobles.
  • Or, l'or et l'argent étant onéreux et donnant lieu à des produits dont les propriétés mécaniques sont médiocres, on a cherché à les remplacer par une poudre de carbone-black conductrice de l'électricité.
  • Toutefois, la conductibilité électrique d'un élastomère, obtenue par une charge de poudre de carbone-black conductrice, présente des limites, notamment :
    • - en ce qui concerne l'aptitude de l'élastomère à disperser une telle charge ; ?
    • - en ce qui concerne la dégradation des propriétés mécaniques du produit obtenu, notamment chute de la résistance au déchirement, de l'allongement, de la limite de rupture,etc.
  • On connaît également des procédés de production de films élastomères électroconducteurs qui sont produits :
    • - soit par moulage par compression, ou moulage par injection, ou encore par combinaison de ces deux procédés ;
    • - soit par calandrage et réticulation ou par extrusion et réticulation.
  • L'Art antérieur permet également d'obtenir des films extrêmement minces :
    • - soit par dépôt sérigraphique ou dépôt d'encre élastomère ;
    • - soit par dépôt d'encre et raclage.
  • Au sujet des procédés utilisés pour l'obtention de films élastomères conducteurs de l'électricité, il faut souligner que chaque procédé présente des limites qui lui sont propres, notamment :
    • - en ce qui concerne le moulage, celui-ci ne permet pas d'obtenir d'une façon industrielle des films d'épaisseur inférieure au dixième de millimètre ;de plus,dans les moulages fins de l'ordre de 1/l0ème de mm, il est extrêmement difficile d'obtenir une répartition homogène des charges sur l'ensemble du volume ; en outre, la liaison de deux films successifs n'est pas bonne et dans le cas du moulage par injection, elle n'est possible qu'en effectuant des injections successives de matière, opérations qui sont difficiles à régler, complexes, onéreuses et aléatoires ;
    • - en ce qui concerne le calandrage, ce procédé, tout en permettant d'obtenir des films minces qui peuvent être réticulés en continu, demande l'emploi d'intercalaires ; de plus, la liaison de plusieurs films successifs entraîne des difficultés considérables de manipulation et la présence, difficilement évitable, de bulles d'air ; en outre, le laminage entraîne une répartition inégale des charges conductrices de l'électricité entre les bords et le centre du film élastomère ;
    • - en ce qui concerne l'extrusion, dont on ne connaît pas d'applications industrielles à des élastomères conducteurs, elle entraîne les mêmes problèmes que ceux signalés à propos du calandrage, en ce qui concerne la liaison de films successifs ;
    • - en ce qui concerne la sérigraphie, comme le dépôt d"'encre" élastomère, ces procédés ne permettent d'utiliser que certains types d'élastomères particuliers, ayant en général de faibles propriétés mécaniques et contenant certains types de charges. Il est difficile en particulier de travailler avec des fibres ou des charges lamellaires (problèmes de compatibilité entre la longueur de fibre et le pas de l'écran). Le râclage, même sans écran, induit une anisotropie dans le sens des fibres.
  • La présente invention a en conséquence pour but de pourvoir à un nouveau film élastomère hautement électroconducteur, extrêmement mince, qui répond mieux aux nécessités de la pratique que les films électroconducteurs antérieurement connus, notamment :
    • - en ce que les films élastomères obtenus conformément à la présente invention, présentent une conductibilité électrique beaucoup plus élevée que les films électroconducteurs chargés de carbone connus dans l'Art antérieur;
    • - en ce qu'ils présentent en même temps des propriétés" mécaniques sensiblement meilleures, en particulier pour ce qui concerne la résistance au déchirement, et
    • - en ce que les films conformes à l'invention peuvent être réalisés à volonté de manière qu'ils soient conducteurs sur leurs deux faces ou conducteurs sur une seule de leurs faces et parfaitement isolants sur leur autre face, avec une possibilité de faire varier d'une part l'épaisseur de la couche isolante en fonction des applications, et d.'autre part la conductibilité électrique dans la couche conductrice de manière à obtenir un gradient de conduction dans le sens de l'épaisseur du film.
    • - La réalisation de tels films présentant les propriétés énoncées ci-dessus est rendue possible grâce à la composition originale desdits films, associée à la mise en peuvre d'un procédé nouveau.
  • De plus, de tels films élastomères permettent de réaliser des microconnecteurs et des multiconnecteurs plus performants que ceux proposés dans l'Art antérieur, en mettant en oeuvre un procédé plus simple, moins coûteux et permettant d'éliminer les problèmes posés dans l'Art antérieur par l'adhésion entre les couches isolantes et les couches électroconductrices.
  • La présente invention a pour objet un film électroconducteur, du type à base d'élastomères, notamment d'élastomères de silicones réticulables à froid ou à chaud, et utilisant comme charge électroconductrice des fibres de carbone, caractérisé en ce que les propriétés électroconductrices du film dans le sens de son épaisseur sont fonction de la répartition des fibres de carbone dans le sens de ladite épaisseur, laquelle répartition est réglée par centrifugation.
  • Selon un mode de réalisation avantageux du film conforme à l'invention, la répartition des fibres de carbone dans le sens de l'épaisseur du film est telle que le film est uniformément électroconducteur-Selon un autre mode de réalisation avantageux du film conforme à l'invention, la répartition des fibres de carbone dans le sens de l'épaisseur du film est telle que l'électro- conductibilité est limitée à une fraction de son épaisseur, tandis que l'autre fraction est isolante.
  • Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, les épaisseurs respectives de la fraction électroconductrice et de la fraction isolante, sont réglables à volonté, par réglage des modalités de la centrifugation.
  • Selon encore un autre mode de réalisation avantageux du film conforme à l'invention, la répartition des fibres de carbone dans l'épaisseur dudit film, ou dans la couche électroconductrice de ce dernier, est telle que le film, ou sa couche électroconductrice, présente un gradient de conduction dans le sens de l'épaisseur dudit film, ou de ladite couche électroconductrice.
  • Selon un autre mode de réalisation avantageux du film conforme à l'invention, celui-ci contient, en outre, une proportion déterminée d'un diluant constitué de préférence par de l'huile de silicone.
  • Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, la proportion de diluant présente dans le film fini est comprise entre 0,5 et 100% en poids de l'élastomère.
  • Selon un autre mode de réalisation avantageux du film conforme à l'invention, la proportion de fibres de carbone présente dans le film fini peut être supérieure à 100 % en poids de l'élastomère.
  • Selon encore un autre mode de réalisation avantageux du film conforme à l'invention, les fibres de carbone incorporées dans le film présentent un diamètre moyen situé le plus. souvent entre 5 et 25 microns et une longueur moyenne de 0,01 à 2 mm.
  • Le film électroconducteur conforme à l'invention présente en conséquence une résistivité améliorée allant 2 jusqu'à 0,010 ohms/cm /cm, une charge de rupture généralement comprise entre 1 et 10 MPa, une résistance au déchirement supérieure à 100 Newton/cm et un allongement à la rupture compris entre 50 et 400%.
  • La présente invention a en outre pour objet un procédé de production d'un film élastomère hautement électroconducteur et de très faible épaisseur conformément aux dispositions qui précèdent, et du type à base d'élastomères, notamment d'élastomères de silicones réticulables à froid ou à chaud, et utilisant comme charge électroconductrice des fibres de carbone, caractérisé en ce que :
    • - au cours d'une première étape, on introduit par malaxage une proportion appropriée de fibres de carbone électroconductrices dans un élastomère de silicone,
    • - au cours d'une deuxième étape, on règle la répartition desdites fibres de carbone dans le sens de l'épaisseur du film, ainsi que de cette épaisseur, par centrifugation.
  • Selon un mode de réalisation avantageux du procédé conforme à la présente invention, le réglage de l'épaisseur du film électroconducteur, qui peut être d'au moins 1/10ème de millimètre, est obtenu en réglant de façon appropriée d'une part la vitesse de centrifugation en fonction du diamètre de la centrifugeuse, d'autre part la viscosité du mélange d'élastomère et de fibres de.carbone, et d'une troisième part la température du mélange soumis à l'opération de centrifugation.
  • Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, la vitesse de centrifugation est de l'ordre de 1000 à 30000 tours/minute et plus, pour un diamètre de centrifugeuse.de 0,1 à 1 m ou plus.
  • Selon un autre mode.de réalisation avantageux du procédé conforme à l'invention, l'opération de centrifugation.est arrétée dès que l'.êtalement du film mince s'est produit.sur.la paroi de la centrifugeuse, pour obtenir une répartition homogène des fibres de carbone dans le film.
  • . Selon encore un autre mode de réalisation avantageux du procédé conforme à l'invention, la vitesse de centrifugation propre à assurer l'étalement.du mélange sous la forme d'un film mince sur la paroi de la centrifugeuse, est initialement avantageusement de l'ordre de 1000 à 5000 tours/minute et plus, et est augmentée dès-l'obtention dudit film pour provoquer la migration des fibres en direction de l'une des faces du film.
  • Selon une-disposition avantageuse de ce mode de réalisation, la vitesse de la centrifugeuse est augmentée jusqu'à 30 000 tours/minute et plus, pour provoquer la migration des fibres sur une fraction de l'épaisseur du film,-laissant ainsi la fraction restante de l'épaisseur du.film dépourvue de fibres de carbone, et, par suite, présentant les propriétés isolantes de l'élastomère, les propriétés électroconductrices du.film étant limitées à la fraction de celui-ci contenant lesdites fibres de carbone.
  • Selon un autre mode de réalisation du procédé conforme à l'invention, la vitesse de centrifugation est progressivement augmentée par paliers, d'une vitesse d'étalement de l'ordre de 1000 à 5000 tours/minute jusqu'à une vitesse de 30 000 tours/minute, pour provoquer une migration non-homogène des fibres de carbone dans le film, chaque strate de migration correspondant à un palier de vitesse pour obtenir un gradient de conduction dans le sens de l'épaisseur du film ou de la couche électroconductrice de ce dernier.
  • Selon une disposition préférée de ce mode de réalisation, la viscosité du mélange initial élastomère, de préférence élastomère de.silicone-fibres de carbone, est inférieure à .100 '000 centipoises.
  • Selon une modalité avantageuse de cette disposition, la vitesse du mélange initial élastomère-fibres de carbone est abaissée si nécessaire par adjonction d'un solvant, par exemple un solvant chloré ou aromatique, et notamment du trichloréthylène, à raison d'une quantité de 5 à 20 % en poids par rapport au poids du mélange, pour provoquer l'étalement du.mélange suivant une épaisseur réduite.par rapport à l'épaisseur de film obtenue en l'absence de solvant, le solvant étant évaporé immédiatement après la formation du film mince par étalement par centrifugation,par application d'une pression réduite de l'ordre de 150 à 10 Torr,ou simplement par renouvellement d'air sous 760 Torr environ éventuellement, suivie d'un chauffage à une température comprise entre 20 et 220°C.
  • Selon une autre modalité avantageuse de cette disposition, la viscosité du mélange élastomère-fibres de carbone est abaissée par addition. à ce dernier d'υn diluant constitué, par exemple, par une huile de.silicone à raison de 0,5 à 100 % en poids par rapport au.poids du mélange.
  • Conformément à l'invention, dans le cas où l'élastomère de silicone est du type réticulable à chaud, l'étape d'étalement par centrifugation est suivie d'une application de chaleur éventuellement humide, cette application de chaleur étant précédée, dans le cas où la viscosité du mélange initial a été abaissée à l'aide d'un solvant, d'une opération d'évaporation de ce dernier.
  • La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication de multiconnecteurs hautement conducteurs de l'électricité, d'épaisseur ou de pas très faible, du type stratifié, à savoir comportant des couches électroconductrices alternées avec des couches isolantes, caractérisé en ce que-lesdits multiconnecteurs sont obtenus en répétant à plusieurs reprises et jusqu'à 500 fois ou même plus, l'opération de centrifugation suivie d'une migration des fibres de carbone, avec de nouvelles charges successives de mélange d'élastomère et de fibres de carbone.
  • Selon un mode de réalisation avantageux de ce procédé, le premier film produit est soumis à une réticulation incomplète, qui ne dépasse pas 80%, par réduction de la durée et/ou de la température de l'application de chaleur, après quoi on introduit une nouvelle charge de mélange d'élastomère et de fibres de carbone qu'on soumet à une opération de centrifugation et à une opération de migration des fibres de carbone, la réticulation complète de l'élastomère n'étant réalisée que lorsque la totalité des films qui forment le connecteur ont été appliqués l'un sur l'autre.
  • La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication de microconnecteurs hautement conducteurs de l'électricité, extrêmement minces, conducteurs sur leurs deux faces, caractérisé en ce que lesdits microconnecteurs sont obtenus en répétant à plusieurs reprises et jusqu'à 500 fois l'opération de centrifugation, avec de nouvelles charges successives de mélange d'élastomère et de fibres de carbone.
  • Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre.
  • L'invention vise plus particulièrement les films élastomères hautement électroconducteurs et de très faible épaisseur conformes aux dispositions qui précèdent, ainsi que les moyens mis en oeuvre pour leur production et les microconnecteurs et multiconnecteurs réalisés à l'aide de ces films, ainsi que les circuits et appareillages incluant ces microconnecteurs et multiconnecteurs.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère à un exemple de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention pour la réalisation des films élastomères qui font l'objet de celle-ci et pour la réalisation de multiconnecteurs et de microconnecteurs à partir de ces films.
  • Il doit être bien entendu, toutefois, que cet exemple de mise en oeuvre est donné uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont il ne constitue en aucune manière une limitation.
    • EXEMPLE
  • On introduit un élastomère de silicone dans un pétrin, ou un malaxeur à cylindre, dans lequel on introduit également des fibres de carbone électroconductrices, à structure graphitique, de quelques microns de diamètre (5 à 10 microns) et de 0,01 à 1 mm de long ; la quantité d'élastomère de silicone introduite représente 80% en poids du poids total et la quantité de fibres de carbone représente 20% en poids du poids total.
  • L'élastomère de silicone utilisé peut être choisi, à titre d'exemple, parmi les élastomères de silicone suivants :
    • - silicones monocomposants réticulant à froid, par exemple du type CAF 3 de RHONE POULENC ou du type RTV 162 de GENERAL ELECTRIC ;
    • - silicones monocomposants réticulant à chaud, par exemple du type avec peroxyde ou du type sans peroxyde CRTV 6424 de GENERAL ELECTRIC ;
    • - silicones bicomposants réticulant plus ou moins vite selon la température, du type 44520 de DOW CORNING.
  • La masse visqueuse résultant du malaxage est introduite dans le tambour d'une centrifugeuse pour réaliser par centrifugation un film sur la paroi dudit tambour.
  • La vitesse.de centrifugation est choisie dans la gamme comprise entre 1500 tours/minute au démarrage et 6000 tours/minute pour un diamètre de centrifugeuse de 30 cm.
  • La durée de la centrifugation à cette vitesse est de l'ordre de 30 minutes.
  • La viscosité de la-masse introduite dans la centrifugeuse peut éventuellement être abaissée pour diminuer l'épaisseur du film résultant. La diminution de la viscosité peut être obtenue par adjonction à la masse visqueuse, avant son introduction dans la centrifugeuse, d'un solvant qui est ensuite évaporé en soumettant le film obtenu.par étalement par centrifugation à une séquence d'application d'une pression réduite de l'ordre de 150 Torr et d'un léger chauffage à une température inférieure à la température de réticulation lorsque l'élastomère.de silicone mis en oeuvre est du type réticulable à chaud.
  • Cette diminution de la viscosité peut également être obtenue en-ajoutant à la masse visqueuse avant son introduction dans la centrifugeuse, une huile de silicone, par exemple, destinée à être incorporée définitivement.au mélange.
  • Dans la mesure où l'on souhaite obtenir un film électroconducteur sur ses deux faces et dans la totalité de son épaisseur, la rotation de la centrifugeuse est arrêtée dès après l'étalement du film sur les parois de cette dernière.
  • Si l'on souhaite au contraire.obtenir un film électroconducteur sur une fraction de son épaisseur et isolant l'autre fraction, l'on augmente la vitesse de la rotation de la centrifugeuse, après la formation du film, de manière à obtenir une migration des fibres de carbone en direction de la face du film appliquée contre les parois de la centrifugeuse.
  • Le choix de la vitesse de migration et la durée de cette phase de rotation de la centrifugeuse déterminent une migration plus ou moins rapide en direction de la face extérieure du film, en sorte que l'on peut, en réglant la vitesse et la durée de la phase de migration, faire migrer les fibres sur 1/4, 1/3, 1/2, etc.... de l'épaisseur du film.
  • La réticulation de l'élastomère est conduite de la façon suivante :
    • - dans le cas d'élastomères de silicone réticulant à froid sous l'effet de l'humidité de l'air, il peut s'avérer avantageux d'accélérer la réaction de réticulation par passage d'un courant d'air humide porté à une température de 70°C environ ;
    • - dans le cas où on utilise, pour la formation du film conforme à l'invention, des élastomères de silicone réticulant à chaud, le film est chauffé dès après sa mise en forme (où dès après l'élimination du solvant, dans le cas où un solvant a été ajouté pour diminuer la viscosité) soit par passage d'un courant,d'air chaud ou d'un autre fluide gazeux ou liquide chaud, soit par rayonnement infrarouge.
  • L'on obtient ainsi des films élastomères qui sont :
    • - soit conducteurs-sur leurs deux faces et dans toute leur épaisseur,
    • - soit conducteurs sur une seule de leurs faces et isolants sur l'autre face.
  • Dans ce dernier cas, les films peuvent présenter sur leurs faces conductrices une résistance par unité de longueur pouvant aller jusqu'à 0,05 ohms/cm , que l'on peut comparer avec la valeur de quelques milliohms/cm correspondant aux charges d'argent, nettement plus onéreuses que celles en fibres de carbone, et avec la valeur de 1 à 100 ohms/cm correspondant aux charges de poudre de carbone ayant les limitations déjà indiquées par rapport aux fibres de carbone -tandis que la partie isolante desdits films élastomères présente une résistance par unité de longueur pouvant aller jusqu'à 1016 ohms/cm.
  • On réalise à partir des films en élastomère de silicone chargés de fibres de carbone électroconducteurs dans toute leur épaisseur, des microconnecteurs, et à partir des films dont une face est électroconductrice et l'autre face est isolante, des multiconnecteurs, en procédant comme suit :
    • au lieu de procéder à la réticulation complète du film obtenu après étalement et éventuellement migration des fibres de carbone, on ne réalise une réticulation qu'à 80 % en arrêtant la rotation de la centrifugeuse avant que la réticulation soit terminée, c'est-à-dire au bout de 20 minutes, par exemple, puis l'on introduit une nouvelle charge de mélange malaxée que l'on étale par centrifugation et dans laquelle on fait migrer,le cas échéant, les fibres de carbone.
  • On peut répéter ce processus n fois tant que l'épaisseur cumulée des films successifs reste faible par rapport au diamètre de la centrifugeuse.
  • Avec des films présentant une épaisseur de l'ordre du dixième de millimètre, on peut répéter cette opération jusqu'à 500 fois avec une centrifugeuse de 1 mètre de diamètre, la réticulation complète n'étant réalisée qu'une fois la totalité des couches successives mises en forme dans la centrifugeuse.
  • Le ruban obtenu est alors sorti de la centrifugeuse pour être découpé par tous moyens appropriés tels que massicot, laser, jet de fluide, etc... dans le sens de l'épaisseur pour obtenir des multiconnecteurs.
  • Les films élastomères hautement conducteurs conformes à l'invention, dont l'épaisseur peut être aussi faible qu'un dixième de millimètre, grâce à la mise en oeuvre du procédé de centrifugation, présentent d'excellentes propriétés mécaniques, du fait que les fibres de carbone conservent toute leur intégrité (et ne sont pas brisées comme elles pourraient l'être dans un processus de moulage), créent une armature.au sein de l'élastomère pour en accroître les propriétés mécaniques et en particulier la résistance au déchirement.
  • En ce qui concerne les microconnecteurs et les multiconnecteurs obtenus conformément.à la présente invention, l'adhésion partie isolante/partie conductrice est aussi forte que la cohésion du film puisqu'une fois sur deux cette adhésion "n'existe pas" mais est obtenue "in situ" et une autre fois sur deux se fait avec légère interpénétration de la matière non réticulée et de la matière incomplètement réticulée et cela avec une réticulation finale commune.
  • Les films élastomères homogènes hautement conducteurs de l'électricité sur leurs deux faces, c'est-à-dire sur toute leur épaisseur, conformes à l'invention, peuvent être utilisés pour réaliser, par une simple opération de découpage : "
    • - des joints d'étanchéité conducteurs de l'électricité,
    • - des joints de blindage électromagnétique,
    • - des pastilles nécessaires à la confection de claviers élastomériques utilisés dans tous les domaines de l'électronique nécessitant une interface homme/machine tels que téléphonie, calculatrices , traitement de texte, commande à distance, etc...
  • Le tableau suivant permet de comparer de façon très immédiate certaines des caractéristiques d'un film élastomère, obtenu après réticulation et chargé avec des fibres de carbone à structure graphitique ayant quelques microns de diamètre et une longueur de 0,01 à 1 millimètre, par rapport aux mêmes caractéristiques du produit, obtenu par moulage, correspondant à une charge avec poudre de carbone-black.
  • Le tableau se réfère à un pourcentage de la charge de fibre de carbone de 30% en poids du produit fini et à un pourcentage de la charge de carbone-black de 30% en poids du produit fini donnés à titre d'exemples non limitatifs.
    Figure imgb0001
  • Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du-technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention.

Claims (23)

1.- Film électroconducteur du type à base d'élastomères, notamment d'élastomères de silicones réticulables à froid ou à chaud, et utilisant comme charge électroconductrice des fibres de carbone, caractérisé en ce que les propriétés électroconductrices du film dans le sens de son épaisseur sont fonction de la répartition des fibres de carbone dans le sens de ladite épaisseur, laquelle répartition est réglée par centrifugation.
2.- Film selon la revendication 1, caractérisé en ce que la répartition des fibres de carbone dans le sens de l'épaisseur du film est telle que le film est uniformément électroconducteur.
3.- Film selon la revendication 1, caractérisé en ce que la répartition des fibres de carbone dans le sens de l'épaisseur du film est telle que l'électroconduc- tibilité est limitée à une fraction de son épaisseur,tandis que l'autre fraction est isolante.
4.- Film selon la revendication 3, caractérisé en ce que les épaisseurs respectives de la fraction électroconductrice et de la fraction isolante, sont réglables à volonté, par réglage des modalités de la centrifugation.
5.- Film selon l'une'quelconque des revendications 1, 3 et 4, caractérisé en ce que la répartition des fibres de carbone dans l'épaisseur dudit film, ou dans la couche électroconductrice de ce dernier, est telle que le film, ou sa couche électroconductrice.,présente un gradient de conduction dans le sens de l'épaisseur dudit film,ou de ladite couche électroconductrice.
6.- Film selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que celui-ci contient,en outre, une proportion déterminée d'un diluant constitué de préférence par de l'huile de silicone.
7.- Film selon la revendication 6, caractérisé en ce que la proportion de diluant présente dans le film fini est comprise entre 0,5 et 100 % en poids de l'élastomère.
8.- Film selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la proportion de fibres de carbone présente dans le film fini peut être supérieure 100 % en poids de l'élastomère.
9.- Film selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fibres de carbone incorporées dans le film présentent un diamètre moyen situé le plus souvent entre 5 et 25 microns et une longueur moyenne de 0,01 à 2 mm.
10.- Procédé de production d'un film électroconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, du type à base d'élastomères, notamment d'élastomères de silicones réticulables à froid ou à chaud, et utilisant comme charge électroconductrice des fibres de carbone, caractérisé en ce que :
- au cours d'une première étape, on introduit par malaxage une proportion appropriée de fibres de carbone électroconductrices dans un élastomère de silicone,
- au cours d'une deuxième étape, on règle la répartition desdites fibres de carbone dans le sens de l'épaisseur du film, ainsi que de cette épaisseur,par centrifugation.
11.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le réglage de l'épaisseur du film électroconducteur, qui peut être d'au moins 1/10ème de mm, est obtenu en réglant de façon appropriée d'une part la vitesse de centrifugation en fonction du diamètre de la centrifugeuse, d'autre part la viscosité du mélange d'élastomère et de fibres de carbone, et d'une troisième part la température du mélange soumis à l'opération de centrifugation.
12.- Procédé selon la revendication 11, caracté- rïsé en ce que la vitesse de centrifugation est de l'ordre de1000 à 30000 tours/minutes ou plus, pour un diamètre de centrifugeuse de 0,1 à 1 m ou plus.
13.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 12, caractérisé en ce que l'opération de centrifugation est arrêtée dès que l'étalement du film mince s'est produit sur la paroi de la centrifugeuse, pour obtenir une répartition homogène des fibres de carbone dans l'épaisseur du film.
14.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la vitesse de centrifugation propre à assurer l'étalement du mélange sous la forme d'un film mince sur la paroi de la centrifugeuse, est initialement avantageusement de l'ordre de 1000 à 5000 tours/minute, et est augmentée dès l'obtention dudit film pour provoquer la migration des fibres en direction de l'une des faces du film.
15.- Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la vitesse de la centrifugeuse est augmentée jusqu'à 30000 tours/minute pour provoquer la migration des fibres sur une fraction de l'épaisseur du film, laissant ainsi la fraction restante de l'épaisseur du film dépourvue de fibres de carbone, et, par suite, présentant les propriétés isolantes de l'élastomère, les propriétés électroconductrices du film étant limitées à la fraction de celui-ci contenant lesdites fibres de carbone.
16.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la vitesse de centrifugation est progressivement augmentée par paliers, d'une vitesse d'étalement de l'ordre de 1000 à 5000 tours/minute jusqu'à une vitesse de 30000 tours/minute, pour provoquer une migration non-homogène des fibres de carbone dans le film, chaque strate de migration correspondant à un palier de vitesse,pour obtenir un gradient de conduction dans le sens de l'épaisseur du film ou de la couche électroconductrice de ce dernier.
17.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la viscosité du mélange initial élastomère, de préférence élastomère de silicone-fibresjde carbone, est inférieure à 100 000 centipoises.
18.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la viscosité du mélange initial élastomère-fibres de carbone est abaissée, si nécessaire, par adjonction d'un solvant, de préférence un solvant chloré ou aromatique, à raison d'une quantité de 5 à 20 % en poids par rapport au poids-du mélange, pour provoquer l'étalement du mélange suivant une épaisseur réduite par rapport à l'épaisseur de film obtenue en l'absence de solvant, le solvant étant évaporé immédiatement après la formation du film mince par étalement par centrifugation, par application d'une pression réduite de l'ordre de 150 à 10 Torr, ou par renouvellement d'air sous une pression de 760 Torr, environ, suivie d'un chauffage à une température comprise entre 20 et 220°C.
19.- Procédé selon la reveneication 11, caractérisé en ce que la viscosité du mélange élastomère-fibres de carbone est abaissée par addition à ce dernier d'un diluant constitué, en particulier, par une huile de silicone à raison de 0,5 à 100 % en poids par rapport au poids du mélange.
20.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 19, caractérisé en ce que dans le cas où l'élastomère de silicone est du type réticulable à chaud, l'étape d'étalement par centrifugation est suivie d'une application de chaleur éventuellement humide, cette application de chaleur étant précédée , dans le cas où la viscosité du mélange initial a été abaissée à l'aide d'un solvant, d'une opération d'évaporation de ce dernier.
21.- Procédé de fabrication de multiconnecteurs hautement conducteurs de l'électricité, d'épaisseur ou de pas très faible, du type stratifié, à savoir comportant des couches électroconductrices alternées avec des couches isolantes, caractérisé en ce que lesdits multiconnecteurs sont obtenus en répétant à plusieurs reprises et jusqu'à 500 fois ou même plus, l'opération de centrifugation suivie d'une migration des fibres de carbone, avec de nouvelles charges successives de mélange d'élastomère et de fibres de carbone, selon la Revendication 10 et l'une quelconque des Revendications 14 à 16.
22.- Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que le premier film produit est soumis à une réticulation incomplète, qui ne dépasse pas 80 %, par réduction de la durée et/ou de la température de l'application de chaleur, après quoi on introduit une nouvelle charge de.mélange d'élastomère et de fibres de carbone qu'on soumet à une opération de centrifugation et à une opération de migration des fibres de carbone, la réticulation complète de l'élastomère n'étant réalisée que lorsque la totalité des films qui forment le connecteur ont été appliqués l'un sur l'autre.
23.- Procédé de fabrication de microconnecteurs hautement conducteurs de l'électricité, extrêmement minces, conducteurs sur leurs deux faces, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus en répétant à plusieurs reprises et jusqu'à 500 fois l'opération de centrifugation,' avec de nouvelles charges successives de mélange d'élastomère et de fibres de carbone selon la revendication 10 et l'une quelconque des revendications 11 à 13.
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