LU85462A1 - Nouvelles compositions polymeres,procedes pour leur production et leurs applications - Google Patents
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Description
* »
NOUVELLES COMPOSITIONS POLYMERES, PROCEDES POUR LEUR
I —.1 ." I I — ~ 1 1 ' " " I * ' ' 1 m ‘ PRODUCTION ET LEURS APPLICATIONS.
" Les métaux qui sont bon conducteurs de la chaleur ont été largement utilisés dans des applications nécessitant un transfert calorifique, essentiellement dans les échangeurs ou dissipateurs de chaleur.
! Cependant, dans les applications particulières d'échangeurs de chaleur destinés à être mis en contact avec des gaz ou des liquides corrosifs, on a été amené à préconiser l'utilisation de résines qui sont essentiellement des polymères fluorés (PTFE ou FEP) malgré le fait que leur conductivité thermique soit très sensiblement inférieure à celle des métaux. Exprimé dans les unités la conductivité thermique du cuivre pur est d'un ordre de grandeur de 500 et de l'équivalent de 250 si une couche d'oxydes s'est formée au contact de l'eau par exemple; de l'ordre de 20 pour le titane et de 15 pour l'acier inoxydable alors que les valeurs correspondantes sont de 0,3 pour le PTFE. Malgré des caractéristiques peu intéressantes, les résines fluorées ont connu un développement important et diverses techniques pour leur mise en oeuvre ont été mises au point pour leurs applications, et surtout pour suppléer à leur manque de conductivité thermique intrinsèque. Ces techniques comportent essentiellement l'accroissement de la surface d'échange et l'on conçoit qu'elles sont onéreuses et qu'elles entraînent un encombrement important des installations industrielles dans lesquelles elles sont amenées à intervenir.
. Il existe donc un besoin actuellement non satis fait d'une matière qui soit à la fois bonne conductrice de la chaleur, facile à mettre en oeuvre, en particulier qui soit facilement formable d'un poids inférieur aux métaux usuels et qui de plus évite une série d’inconvénients liés à l'usage des métaux, dont notamment la forte sensibilité à l'action d'agents corrosifs, tels que Il les gaz ou les liquides acides ou oxydants.
Ά 2 » * »
Le but de la présente invention est de fournir une composition nouvelle permettant de résoudre ces difficultés. L'invention s'étend également aux procédés pouvant être utilisés pour la production de telles compositions et aux nombreuses applications, notamment industrielles, qui s'ouvrent grâce à la composition de 1' invention.
Selon une forme d'application particulière, l'invention vise également à fournir une composition nouvelle présentant des caractéristiques d'anisotropie de la conductivité thermique, le cas échéant associé à une anisotropie de la conductivité électrique.
Les différents objectifs ainsi visés par l'invention peuvent être atteints grâce à une composition de matière nouvelle constituée d'un matériau polymère de base et de charges spécifiques orientées conférant au . « matériau dans une direction prédéterminée par ladite orientation des propriétés de conductivité de l'ordre d'au moins un facteur 10 supérieur à celle du matériau polymère de base.
%
Avantageusement, la composition présente dans une direction prédéterminée des valeurs de conductivité thermique de l'ordre de 500 Wm“lk·"! et de préférence de l'ordre de 1000 Wm”lk"l dans une plage de température d ' approximativement 50.°K à la température de dégradation du polymère de base.
Cette composition peut présenter également, de préférence une conductivité électrique supérieure à 5.10^ ôhm“l cm“l dans la même plage de température, ce qui est particulièrement intéressant pour des applications où une conductivité électrique élevée doit être associée à une conductivité thermique importante pour dissiper ou transférer rapidement des calories.
Ces valeurs qui sont nettement différentes de celles connues pour les résines et qui se comparent très favorablement aux valeurs précitées pour différents mé-Jl taux, offrent un large champ d'applications à des maté- ♦ 3 riaux de ce type.
Selon l'invention, l'énergie thermique est essentiellement transmise selon les axes de fibres organiques maintenues de manière fortement orientée et parallèle à la direction souhaitée du transfert énergétique.
Par suite de sa base polymérique, le matériau de l'invention qui peut être classé parmi les matériaux composites, peut être transformé et notamment être mis en forme par la plupart des techniques de fabrication, telles que celles utilisées pour les matières plastiques, les caoutchoucs et l'industrie de la transformation métallique, pour autant qu'on évite toute rupture importante des fibres organiques.
Lesdites fibres peuvent être ancrées dans une base qui peut être un tissé ou un non tissé de matières plastiques, en disposition parallèle entre-elles et sensiblement perpendiculaire à ladite base.
La base peut être produite par des techniques classiques connues pour les textiles, à savoir le tissage, tricotage ou la production d'un non-tissé en utilisant les fibres ou fibrilles habituelles telles que par exemple le coton, les polyamides etc. D'autres fibres que celles destinées à la transmission thermique peuvent être ajoutées (avec une orientation selon l'axe des fibres de transmission thermiques ou différentes de celle-ci, notamment dans -le plan de la base) afin d'en améliorer les propriétés physiques. La base peut être également constituée d'une feuille de papier ou de matière plastique.
Dans le cas où la base est constituée par base tissée, les interstices de la structure textile peuvent être remplis par une matière cohérente qui se solidifie et/ou qui existe à 1'état solide au moins à la température de mise en oeuvre du matériau en formant une phase continue qui englobe au moins la base et au moins une * partie des fibres.
Il Avantageusement, afin de maintenir l'état d'o- « * 4 rientation des fibres organiques orientées perpendiculairement à la base et éviter leur détérioration notam- »* ment mécanique, lesdites fibres sont imprégnées et englobées totalement dans une masse continue de matière plastique, qui se solidifie ou qui existe à l'état solide au moins à la température de mise en oeuvre du matériau en formant une phase solide qui englobe l'ensemble constitué par la base et les fibres destinées à la transmission thermique.
La technique de production de tels matériaux comporte donc les étapes de procédé consistant dans implantation sur une base notamment, selon une technique apparentée à l'aiguilletage au flocage ou au tufting, des fibres organiques orientées selon la direction souhaitée de transfert thermique et dans l'enrobage de celles-ci sans modification substantielle de ladite orientation.
* Ledit enrobage peut être réalisé par immersion dans une résine liante liquide étirée dans une filière étroite et transformé par vulcanisation ou durcissement thermique ou catalytique en structure solide.
D'une autre manière il est possible de procéder à une lamination sous effet de chaleur et sous pression de la structure textile en un film ou feuille thermoplasti— que qui peut subir éventuellement ultérieurement une réticulation par radiation ou par une autre technique.
L'agent liant en excès peut être éliminé si nê-— cessaire des deux faces du matériau obtenu par tout mo-s yen physique et/ou chimique en exposant ainsi les deux extrémités des fibres organiques assurant la conductivité thermique.
Lesdites fibres organiques thermiquement conduc-tives sont produites avantageusement par pyrolyse de composés organiques adéquats tels que le benzène ou le méthane et le dépôt de carbone généralement au départ de la phase gazeuse sous forme de whiskers sur une surface . plus froide, constituée généralement par un métal, la ! croissance étant initiée par un agent de nucléation. Ces ï 5 # ♦ « fibres présentent des propriétés mécaniques similaires à celles des fibres de carbone classiques dérivées de brai - et de polyacrylonitrile mais se caractérisent de plus par des coefficients de conductivité thermique qui sont généra-lement 2 à 20 fois supérieures.
Les composés d'intercalation avec des donneurs/ accepteurs d'électrons dans les fibres de carbone du type précité sont particulièrement intéressants lorsqu'on souhaite obtenir en plus des propriétés de conductivité thermique, des propriétés de conductivité électrique.
Du fait que les propriétés de conductivité thermique et éventuellement de conductivité électrique sont dues essentiellement aux fibres organiques, tandis que la matrice de matière polymère est essentiellement non conductrice ou peu conductrice, on veille à charger la matrice au moins d'une quantité de fibres organiques suffisante pour l'utilisation envisagée.
•r
Avantageusement, le constituant fibreux représen- i te au moins 50% en volume et de préférence environ 70% I ’ , i en volume ou plus dudit matériau composite, le solde étant constitué par une matière polymère formant une phase continue incluant éventuellement des charges ou des matières inorganiques intervenant en particulier dans la matière d'imprégnation de la structure textile employée ou dans le renforcement mécanique de la base utilisée ou constituant cette base elle-même.
Avantageusement, la matière non fibreuse utilisée soit pour former la base d'implantation des fibres organiques soit pour constituer la matière dite d'imprégnation est constituée par des matières de préférence thermodurcissables tels que les polymères insaturés (résines * époxy, polyesters etc.).
Les résines thermoplastiques sont généralement moins intéressantes, considérant que les matériaux composites sont généralement destinés à être mis en oeuvre * à température relativement élevée. Elles offrent cepen-I dant de meilleures possibilités de thermoformage.
f Λ 6 à
Relèvent également de l'invention des matériaux composites dans lesquels aussi bien la matière fibreuse que la ou les phases continues sont constituées par des matières chimiques, en particulier des résines, identi- ques.
Ainsi qu'il a été dit précédemment, le matériau j composite résultant de la nouvelle composition de l'in- 1 vention offre de larges possibilités de mise en oeuvre.
Il devient possible notamment de former des plaques ou des tubes d'échangeurs de chaleur qui associent comme aucune matière connue jusqu'à présent ne le permettait, d'excellentes caractéristiques de conductivité thermique (et le cas d'échéant de conductivité électrique) avec une excellente résistance aux agents agressifs. Le champ d'application de ces matériaux se trouve donc naturellement parmi les échangeurs ou dissipateurs de chaleur ex-- posés à des milieux agressifs ou dans les champs d'ap plication où une bonne conductivité doit être associée à un poid réduit. Dans le cas d'une combinaison de propriété de conductivité thermique associée à une bonne conductivité électrique et tenant compte des techniques simples de mise en oeuvre, notamment de formage, le matériau de l'invention peut trouver un large champ d'utilisation dans des installations électroniques et/ou électriques, ou dans le secteur automobile, aéronautique ou aérospatiale.
Bien-quJon ait décrit des formes particulières » d'exécution de l'invention, il doit être bien entendu que de nombreuses formes d'exécution autres que celles décrites sont possibles et que celles-ci relèvent de I1'invention.
' i-
Claims (19)
1. Composition de matière caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un matériau polymère de base et des charges spécifiques orientées conférant au matériau dans une direction prédéterminé par ladite orientation des propriétés de conductivité de l'ordre d'au moins un facteur 10 supérieur à celle de matériau polymère de base.
2. Composition selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle présente dans une direction prédéterminée des valeurs de conductivité thermique de l'ordre de 500 Wm“1 k"1 et de préférence de l'ordre de 1000 WnT^k“1 dans une plage de température d'approximativement 50eK à la température de décomposition du polymère de base.
3. Composition selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle présente une conductivité électrique supérieure à 5.105 ohm-1 cm”1.
* 4. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que l'énergie thermique est es-; sentiellement transmise selon les axes de fibres organi ques maintenues de manière fortement orientée et parallèle à la direction souhaitée du transfert énergétique.
5. Composition selon la revendication 4 caractérisée en ce que lesdites fibres sont ancrées dans une base constituée par un tissé ou un non tissé de matière plastique, en disposition parallèle entre-elles et sensible- - ment perpendiculaire à ladite base.
6. Composition selon la revendication 5 caractérisée en ce que les interstices de la structure textile de base sont remplis par un matériau cohérent qui se solidifie c et/ou qui existe à l'état solide au moins à la tempéra ture de mise en oeuvre du matériau en formant une phase continue qui englobe au moins la base et au moins une partie des fibres.
7. Composition selon la revendication 5 ou 6 caractérisée en ce que lesdites fibres sont imprégnées et englobées totalement dans une masse continue de matière plas- /} tique, qui se solidifie et/ou qui existe à l'état solide 4 8 « « 4 * au moins à la température de mise en oeuvre du matériau en formant une phase solide qui englobe la base et les fibres destinées à la transmission thermique.
7 « * 4 A REVENDICATIONS.
8. Composition selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 caractérisée en ce que lesdites fibres organiques thermiquement conductives sont produites par pyrolyse de composés organiques adéquats tels que le benzène ou le méthane et le dépôt de carbone au départ de la phase gazeuse sous forme de whiskers sur une surface froide, constituée généralement par un métal, la croissance étant initiée par un agent de nucléation.
9. Composition selon la revendication 8 caractérisée en ce que lesdites fibres présentent des propriétés mécaniques similaires à celles des fibres de carbone classiques dérivées de brai ou de polyacrylonitrile mais se caractérisent de plus par des coefficients de conductivité thermique qui sont généralement 2 à 20 fois supérieurs.
10. Composition selon les revendications 8 ou 9 caractérisée en ce que des composés d'intercalation avec des donneurs/accepteurs d'électrons dans les fibres de carbone assurent en plus des propriétés de conductivité thermique, des propriétés de conductivité électrique.
11. Composition selon l'une quelconque des revendications 4 à 10 caractérisée en ce que la matière non fi- - breuse utilisée soit pour former la base d'implantation des fibres organiques ou pour constituer la matière dite d'imprégnation est constituée par des matières de préférence thermodurcissables telles que les polymères insa-L turês ou par des résines thermoplastiques.
12. Composition selon l'une quelconque des revendica- v tions 4 à 10 caractérisée en ce que la matière ainsi que , la ou les phases continues sont constituées par des matières chimiques identiques.
13. Composition selon l'une quelconque des revendica- » tions 4 à 12 caractérisée en ce que le constituant fi-I breux représente au moins 50% en volume, de préférence i fa 9 4 « environ 70% en volume ou plus dudit matériau composite, le solde étant constitué par une matière polymère for- mant une phase continue incluant éventuellement des charges ou des matières inorganiques.
’ 14. Procédé pour la production d'une composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant en implantation sur une base de fibres organiques orientées selon I la direction souhaitée de transfert thermique et dans r l'enrobage de celles-ci sans modification substantielle de ladite orientation.
15. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce que ledit enrobage se réalise par immersion dans une résine liante liquide étirée dans une filière étroite et transformée par vulcanisation ou durcissement thermique ou catalytique en structure solide.
16. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'on procède à une lamination sous l'effet de chaleur et sous pression de la structure textile en un film ou feuille thermoplastique qui peut subir éventuellement ultérieurement une réticulation par radiation ou par une autre technique.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16 caractérisé en ce que l'agent liant en excès est éliminé si nécessaire des deux faces du matériau obtenu-par tout moyen physique et/ou chimique en exposant ainsi les deux extrémités des fibres organiques assurant la v conductivité thermique.
" 18. Application des compositions selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 à la réalisation de plaques ou de tubes ou autres éléments d'échangeurs de chaleur exposées à des milieux agressifs.
19. Application des compositions selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 dans les installations électroniques et/ou électriques ou dans le secteur.automobile, aéronautique ou aérospatial. _ J/Im . ---'
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| LU85462A LU85462A1 (fr) | 1984-07-11 | 1984-07-11 | Nouvelles compositions polymeres,procedes pour leur production et leurs applications |
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