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NOUVEAUX ISOLANTS COMPOSES ET LEURS APPLICATIONS.
La présente invention est relative à des isolants composés, cou- verts à titre de produits industriels nouveaux ainsi qu'aux méthodes nouvelles de leur application. Elle se réfère plus particulièrement à des isolants dont un élément est une argile naturelle spéciale à propriétés colloïdales particu- lièrement accusées, telle que la "bentonite" et dont on exalte les propriétés avantageuses par un traitement appropriât Cette matière est de préférence ap- pliquée en combinaison avec d'autres Isolants, artificiels ou synthétiques, minéraux ou organiques par exemple des fils ou laine de verre, l'amiante, ami- nes,, hydrocarbures aromatiques halogénés, etc..,
ces exemples étant pris à
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titre indioatif dans les différentes'classes de substances associées possi- bles,
A titre d'exemple. on décrira la composition et la fabrication de divers isolants conformes à l'invention et on indiquera également le mode d'application de ces nouveaux isolants, ainsi que les résultats industriels qu'ils permettent d'obtenir.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, on peut utiliser des produits à base de laine de verre, bruts ou transformés auxquels on donne de préférence la forme de feuilles ou de rubans, etc.. On obtient soit des fibres en verre non tissées, agglomérées par un liant minéral, ou bien des feuilles ou rubans en matière minérale dans laquelle des fibres de verre ou d'amiante par exemple ont été incorporées. Dans ce dernier cas, on a comme produit fini une matière qui ressemble au papier,qui présente de bonnes pro- priétés isolantes électriques et qui résiste très bien à la chaleur.
Les fibres de verre, avant d'avoir été filées ou tissées de tou- tes manières, ont été jusqu'alors recouvertes dans certains cas d'un composé organique utilisé comme apprêt. Bien qu'un tel apprêt soit souvent désirable, ce traitement réduit dans une certaine mesure les propriétés avantageuses de la fibre de verre, par exemple son isolement thermique et électrique. Pour la fabrication de feuilles ou rubans, on a déjà fait appel à des produits organi- ques divers combinés avec la fibre de verre, à titre de liants, mais la qualité de l'isolant électrique en fibres de verre est abaissé par des substances d'ap- prêtage organiques.
La Société demanderesse a découvert que cet effet défavorable des apprêts ou liants, pouvait être évité si l'on emploie comme liants, apprêts, etc.. pour les fibres de verre, un produit colloïdal constitué par des parti- cules minérales dont les grains sont de préférence inférieurs à 3.000 Angstrom.
Les grains de ces dimensions sont si petits qu'ils ne sont pas lisibles dans les meilleurs microscopes optiques. En particulier, la Société demanderesse a constaté que des substances colloïdales ultra-microscopiques dérivées de la matière connue sous le nom de "bentonite" adhèrent bien aux fibres de verre; il est possible qu'il se produise certaines actions chimiques superficielles qui sont à la base de cette bonne adhérence;
La nouvelle màtière agglomérante peut être préparée en éliminant les grains de la bentonite qui offrent un diamètre supérieur à 3.000 Angstrom environ.
Après avoir effectué la suppression préliminaire des grains trop gros
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par décantation d'une suspension de la bentonite dans un liquide approprié tel que de l'eau distillée, la bentonite restant en suspension est soumise à un traitement centrifuge, par exemple'dans une machine Sharpless fonctionnant'à 50.000 tours par minute. Cette machine produit une force de décantation qui est 60.000 fois plus grande que celle qu'on obtiendrait par gravité. La suspen- sion que l'on obtient de cette manière peut contenir à peu près 5 à 6 % de bento- nite en suspension. Dans certains cas, il est désirable de la soumettre égale- ment avant ou après le traitement centrifuge à un traitement d'éleotrodialyse pour enlever les Impuretés susceptibles d'abaisser la résistance électrique du produit fini.
Il se dépose dans la machine centrifuge un gel à consistance molle et onctueuse qui comporte approximativement 90% d'eau et 10% de la bento- nite dont les grains sont inférieurs à 3. 000 Angstrom - les grains de l'ordre de 1. 500 Angstrom étant prépondérants. Ce gel se fractionne au cours du dépôt sur une surface cylindrique de la machine centrifuge, et les particules les plus grandes qui se déposent sur une extrémité de cette surface, doivent être reje- tées, On peut obtenir une substance liquide résiduelle de laquelle le traitement centrifuge a éliminé tous les grains suspendus, sauf 1% environ ; les particules restantes sont constituées par des grains entrêmement fins, égaux ou inférieurs à 500 Angstrom.
Ce liquide contenant 1% environ de la bentonite colloïdale peut être appliqué comme apprêt sur les fibres de verre par exemple par les méthodes qui ont été utilisées déjà pour l'application de liants organiques à des fibres de verre. Un tel liquide peut être employé pour lier, de façon lâche, les fibres de verre et pour obtenir une natte dont la cohésien est suffisante comme point de départ pour la fabrication de feuilles finies conformes à l'invention.
Le produit comprenant 90% d'eau et 10% environ de particules col- loîdales de dimensions un peu plus grande, par exemple entre 2. 000 et 3.000 Ang- strom (il est préférable que la limite supérieure soit de 2.000 Angstrom) peut être appliqué à de telles nattes pour former des feuilles analogues au papier, ou bien des rubans, et consistant en fibres de verre agglomérées par une pelli- cule de résidus secs du gel à base de bentonite.
Dans ce produit, les fibres de verre peuvent être distribuées au hasard ou bien ordonnées sélectivement dans une direction voulue, si on le désire) par exemple dans le cas de rubans étroits. De telles feuilles ou rubans peuvent avoir'par exemple des épaisseurs de l'ordre de 0,025 à 0,13 ou 0,15 mm. d'après la flexibilité que l'on désire obtenir; elles ont une résistance à la rupture
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au moins aussi bonne que celle du papier cellulosique de même épaisseur.
Comme on l'a vu, il est préférable d'utiliser des nattes en verre qui ont été préalablement agglomérées par la suspension diluée de bentonite ul- tra-fine et, dans oe but, on emploie de préférence la suspension aqueuse de la bentonite à 1% provenant de la centrifugeuse et utilisée comme indiqué plus haut.
Mais on peut également, conformément à l'Invention, employer d'autres liants pré- liminaires par exemple, la matière déposée dans la centrifuge peut être à nou- veau suspendue dans l'eau et utilisée dans ce but.
Au cours de la fabrication de feuilles analogues au papier, le gel de bentonite mou et semi-solide, contenant approximativement 10% de particules de bentonite, peut être appliqué à une tresse ou à une natte de fibres de verre) le gel peut être par exemple appliqué à un ruban plat de fibres de verre orientées de préférence parallèlement les unes aux autres, en vue de produire un ruban dé forte résistance mécanique.
Le gel est répart¯i sur les fibres de verre sous forme d'un film mince dont l'épaisseur est par exemple de l'ordre de 0,1 mm, et pour faciliter sa pénétration dans les fibres, on les soumet à un traitement de frottement doux entre deux surfaces lisses. La surface du film est ainsi lissée et on obtient une épaisseur uniforme en ajoutant du gel et en prolongeant ce traitement,
Au cours du séchage d'une telle structure, on observe un retrait considérable en épaisseur et on obtient une feuille mince analogue au papier dans laquelle les fibres de verre sont non seulement incorporées, mais adhèrent très intimement au produit sec à base de bentonite, de sorte que la déformation mécanique ordinaire, telle que le pliage ou la torsion du produit fini.
n'occa- sionne pas de séparation des fibres de la matière dans laquelle elles sont noyéea
Un ruban ou un autre produit analogue que l'on fabrique conformé- ment à l'Invention, est solide et flexible comme le papier de bonne qualité. Un ruban de ce genre ayant par exemple l'épaisseur de 0,05 mm., peut être enroulé sans danger suivant un rayon de 0,13 mm.
D'autre part, un ruban de même épaisseur et comportant des fibres de verre pratiquement parallèles, dont l'épaisseur est de 0,005 mm, présente une résistance à la rupture de 2.000 gré par cm, de lar- geur, Il n'est pas détérioré par léchauffement à une température de l'ordre de 400.0. et il est par conséquent très bien approprié à l'isolement électrique de conducteurs dont la température atteint 200 c par exemple pendant des périodes très longues6
Les produits conformes à l'invention peuvent être appliqués aux
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conducteurs électriques ou aux bobines à plusieurs couches ou à plusieurs conduc- teurs; après quoi ces éléments peuvent être imprégnés par des matières isolantes convenables, à la manière connue.
A l'état humide, les produits décrits ont une adhérence suffisante pour qu'on puisse les déposer en plusieurs couches; on peut par exemple réaliser des isolements épais et agglomérés à couches multiples constituées par les feuil- les ou les rubans décrits et formant des objets qui présentent des angles, des ouvertures, etc. en faisant appel aux opérations ordinaires de compression ou de laminage par exemple. De tels articles peuvent être soumis, après séchage oom- plet, à toutes opérations d'usinage telles que découpage, sciage, etc.. sans dés- eintégrer les couches déposées.
Des bobines électriques, enroulements ou autres pièces d'équipe- ment électrique, Isolés à l'aide de fils, rubans, feuilles, etc.,, à base de fi- bres de verre et fabriqués conformément à la présente invention, peuvent être traités suivant les différentes méthodes d'isolement électrique avec des subs- tances liquides ou liquéfiées qui résistent suffisamment aux températures élevées sans subir de décomposition* On peut par exemple réaliser des bobines de trans- formateurs ou d'appareillage électrique, des capacités, des entrées de courant à haute tension, des câbles à haute tension, etc..,que lton peut isoler avec des produits tels que le diphényle chelord, le chlorobenzène, le chloronaphtalène ou des mélanges de ces différents produits.
Dans certains cas, par exemple lors- que ces enroulements sont utilisés dans les machines électriques tournantes, dans les bobines de contacteurs, etc.., il est avantageux d'associer aux produits à base de fibres de verre des résines capables de supporter des températures éle- vées.
Les feuilles bien séchées de la nouvelle matière isolante, impré- gnées d'un mélange d'hexachloro-diphénhbe et de trichlorobenzène et offrant une épaisseur approximative de 0,06 mm.,ont présenté par exemple la rigidité diélec- trique suivante aux températures élevées: à 100 C. ....... 4.500 Volte à 160 C. ...... 3.500 " à 200 C. .......2.500 "
Ces valeurs élevées de rigidité diélectrique sont particulièrement importantes, car les essais thermiques montrent que la substance reste sans changement pendant de longues périodes d'éohauffement.
Il est entendu que les nouveaux produits peuvent être utilisés en dehors de l'éleotroteohnique; On peut par exemple les employer, au lieu du papier
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cellulosique, dans des buts très variés, par exemple pour divers enregistrements; leur résistance à tout effet de température les rend beaucoup plus stables que le papier cellulosique ordinaire dans tous les cas où les élévations de tempéra- ture continues ou accidentelles sont à prévoir*
On peut fabriquer des feuilles isolantes à la bentonite qui ne contiennent pas nécessairement des substances fibreuses telles que la laine de verre ou l'amiante. Par exemple, après avoir traité la bentonite par la machine centrifuge et obtenu un dépôt de grains dont le diamètre est inférieur à 3.000 Angstrom environ,
on suspend à nouveau cette substance dans l'eau ou de préfé- rence dans le liquide sortant de la machine et contenant des particules plus fines en suspension.
A cette suspension aqueuse, on ajoute de l'alcool ou tout autre solvant permettant de solubiliser une amine organique. On ajoute de préférence 50 % environ d'alcool thylique ordinaire et on dissout une amine, par exemple de la diamyl-amine, de la triéthylène-tétramine ou de l'éthylène-diamine* La quantité de ces substances dépend des propriétés désirées et de la destination du produit fini. Si on ne désire qu'augmenter la flexibilité de ce produit, la quantité de l'amine peut être de l'ordre de 1% de la quantité totale de la ma- tière solide.
Si on désire que le produit final soit non gélifiable, c'est-à- dire résistant à l'eau, il faut ajouter une quantité plus grande d'amine, par exemple 10 à 20% du poids*,
Comme il a été indiqué plus haut, pour rendre le produit plus flexible, on peut se contenter de 1% d'amine et il est préférable d'employer de la triéthylène-tétramine.
La suspension contenant de l'amine et 2 à 3% de matière solide ar exemple est soumise encore une fois autraitement centrifuge. On obtient un gel onctueux dans le bol de la machine. Ce gel contient 90% environ d'eau et 10% environ de bentonite associée à l'amine. On fait sécher cette matière qui forme une feuille de l'ordre de 0,1 mm solide et flexible. Au lieu du trai- tement centrifuge, on peut également obtenir la feuille finale par évaporation de l'alcool hydraté dans un récipient approprié.
Dans certains cas, on peut appliquer cette matière aminée à une natte de fibres de verre, préalablement agglomérées et orientées au hasard ou suivant une direction préférée. L'épaisseur du gel peut varier beaucoup; pour obtenir un papier mince, elle peut être de l'ordre de 0,13 mm, Par ailleurs, le traitement peut être analogue à ce qui a été exposé plus haut,
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L'addition de l'amine à la bentonite augmente sensiblement la flexibilité du produit, Les feuilles de bentonite contenant de l'aminé et ayant une épaisseur de 0,05 à 0,075 mm. ont une résistance à la rupture de 245 Kg. par cm2 environ, même s'il n'y a pas de fibres de verre.
Les feuilles ainsi obtenues ne se désagrègent pas dans l'eau et leur rigidité diélectrique est de l'ordre de 3 à 4 kilovolts par 0,025 gm, Dans le cas où les fibres de verre sont présentes, la flexibilité du produit est telle qu'il se plie tant que les fibres de verre ne sont pas cassées,
On décrira maintenant l'application des nouvelles matières iso- lantes à des dispositifstels que transformateurs à bain liquide par exemple.
L'application de ces produits et de leurs variantes est particulièrement avan- tageuse dans le cas d'appareils ou de machines électriques noyés dans des li- quides isolants. On peut obtenir ainsi un système d'isolement à substances soli- des et liquides qui ne se détériorent pas par vieillessement, malgré les échauf- fements considérables. Il en résulte que l'on peut réaliser des appareils ou machines électriques offrant un meilleur rendement et fonctionnant sans détério- ration avec des échauffements élaés, c'est-à-dire avec des puissances continues plus fortes, ce qui correspond à des économies considérables.
Les avantages de l'invention ne se limitent pas aux appareils de ce genre fonctionnant à des températures élevées : dens le cas d'appareils ou machines fonctionnant des températures habituelles, on obtient une marge de sé- curité plus grande, une meilleure résistance au vieillissement et une durée plus longue du matériel.
Suivant la pratique courante, on donnait aux différentes parties des machines et appareils électriques fonctionnant dans l'huile (aux transfor- mateurs par exemple), des dimensions telles que pendant la charge normale et continue, leur température maximum ne dépassait pas 100 c environ. Il était pratiquement impossible jusqu'alors de réaliser les avantages considérables que promettait le fonctionnement de ce matériel à des températures plus élevées, la raison principale en étant toujours le vieillissement et la perte des qualités isolantes. On sait notamment que les huiles minérales donnent lieu à une forma- tion lente de boues et que la vitesse de formation de ces boues augmente avec la température.
On sait également que les matières organiques fibreuses telles que le papier, le coton et les autres produite cellulosiques généralement uti- lisés pour isoler les bobinages, ainsi que pour former les entretoises, les écrans, etc.. se détériorent aux températures élevées. Pratiquement, leur durée
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diminue de moitié pour toute augmentation de la température de 8 à la*' c.. ,et même pour des températures en-dessous de 100 c la détérioration lente se produit toujours. Les mêmes constatations s'appliquent aux autres produits organiques tels que des résines, etc...
Depuis quelques années, on commence à utiliser dans l'industrie électrique des liquides isolants qui ne se détériorent pas aux tempétatures supérieures à 100 c: ce sont par exemples des hydrocarbures aromatiques halo- génés conformes au brevet 376.978 du 31 Janvier 1931 pris par la Société deman- deresse et à ses perfectionnements* Ces liquides ne sont pas inflammables et présentent une rigidité diélectrique élevée, ainsi qu'une bonne constante dié- leotrique, et ne donnent pas lieu à la formation de boues.
Nais, malgré ces avantages, il n'a pas été possible jusqu'alors dtaugmenter sensiblement la température de fonctionnement du matériel électrique Isolé par ces nouveaux liquides car les matières Isolantes solides en substances organiques utilisées jusquialos en association avec ces liquides, subissaient un fort vieillissement, comme il a été dit plus haut.
On a proposé de combiner ces liquides avec l'isolement en laine de verre de toutes sortes, mais cette combinaison n'a pas apporté l'amélioration attendue. On a constaté que l'isolement en fibres de verren non agglomérées et noyées dans des hydrocarbures chlorés offre une rigidité diélectrique à peu près deux fois plus. faible que celle du liquida, ce qui est probablement dû à des effets de décharges superficielles.
On a essayé de vaincre cette difficulté par l'emploi de la laine de verre agglomérée par des liants organiques, mais on a constaté qu'il n'était pas indiqué de dépasser les températures supérieures à 100 c On a aussi proposé d'utiliser, comme matière de remplissage, des argiles associés aux fibres de ver- re, mais ces matières n'étaient pas assez flexibles et il s'y produisait des fis- sures. Enfin, l'emploi de matières à basse d'amiante n'a pas donné jusqu'ici de résultats satisfaisants non plus en association avec les hydrocarbures chlorés, car ces matières sont également sujettes au vieillissement.
D'une façon générale, on peut dire que l'isolement électrique constitué jusqu'alors par une combinaison de matières solides et de matières' liquides, ne supporte pas des températures supérieures à la limite habituelle de 100 c
Par contre, la Société demanderesse a constaté que l'application des matières nouvelles, décrites ci-dessus aux condensateurs, réactances, trans-
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formateurs, câbles et autres dispositifs électriques isolés à la fois par un liquide et par un solide,permet de réaliser un isolement résistant bien à la chaleur et offrant une constante diélectrique élevée, une stabilité chimique suffisante et ne donnant pas lieu à la formation de boues.
Cet isolement per- met d'autre part, d'obtenir des avantages considérables :11 apporte un gain important de puissance grâce à des températures de fonctionnement bien supé- rieures à celles qui constituaient jusqu'alors la limite par exemple, un dispositiftel qu'un transformateur isolé par un liquide, peut fonctionner avan- tageusement et d'une façon continue à des températures de l'ordre de 125 à 150 c c. et supporter des pointes de 260 à 300 c ce qui constitue une amélioration notable,
Grâce à la présente invention, on peut réduire les dimensions des dispositifs électriques, pour une puissance donnée; on peut donc réduira la quantité de fer et de cuivre de ces dispositifs et par conséquent leur prix et leur poids, ainsi que leur encombrement.
Ces avantages sont obtenus sans sacrifier nullement la durée et le rendement de ces appareils et, dans certains cas, le rendement est même amélioré,,
L'isolement solide préférable peut être constitué suivant les indications données plus haut, par des fibres de verre ou par des fibres dtami- ante agglomérées par un liant en hydrogel minéral plastique, A titre de ma- tières isolantes liquides, on peut de préférence utiliser des composés chlorés tels que le diphényl chloré, le chloro-benzène, le diphényloxyde chloré, les dérivés chlorés du diphényle, le trichlorobenzène chloré, ainsi que d'autres substances chimiquement stables.
A titre d'exemple et d'une façon non limitative, on décrira l'application de l'invention à un transformateur représenté sur les fig. let 2.
Pour isoler les conducteurs du transformateur représenté, on peut par exemple employer des rubans constitués par des fibres de verre et de la bentonite, décrits plus haut. On peut également utiliser des fibres d'amiante traitées d'une façon analogue,
Un ruban de ce genre, désigné par 4 sur la fig.2, est enroulé autour du conducteur 3 en une seule ou en plusieurs couches. Les bobines ainsi obtenues sont représentées en 5 sur la fig.l; elles sont séparées par des entretoises 6 également constituées par de la matière en verre et en bentonite, ou en une autre matière minérale appropriée. On peut par exemple les constituer par des feuilles en verre-bentonite agglomérées quand elles sont humides.
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Les enroulements 5 qui forment le primaire et le secondaire du transformateur sont disposés à la manière connue sur le circuit magnétique 7 et montés dans une ouved8 fermée par le couvercle 9 et scellé de préférence hermétiquement pour conserver les vapeurs. Sur le dessin, on a représenté seu- lement deux conducteurs de sortie désignés par 10 et 11 et traversant les iso- lateurs 12 et 13.
L'un des liquides indiqués plus haut constitue le remplissage 14 de l'appareil; on peut y adjoindre des Ingrédients stabilisateurs tels que par exemple les nitriles ou autres matières appropriées qui fixent les produits de décomposition et qui réduisent la cristallisation à basse température,
Une augmentation de la température de fonctionnement de l'ordre de 25' seulement, permet de réduire le prix des matières premières de 16% en- viron. Une économie encore plus grande peut être obtenue en admettant des tem- pératures de fonctionnement plus élevées, On constate alors que le circuit magnétique du transformateur fonctionne avec un meilleur rendement, surtout lorsqu'il s'agit de courants de fréquences élevées.
Bien que la résistance du cuivre augmente un peu avec la température, les pertes dans le cuivre sont en partie compensées grâce à la réduction de la longueur des conducteurs*
L'avantage particulier des moyens de l'invention réside dans le fait que l'association des isolants décrits comporte des matières isolantes dont la constante diélectrique est du même ordre; elle est en effet située entre 4,5 et 6, Cette caractéristique est particulièrement importante dans les dispositifs tels que les condensateurs. D'autre part, comme indiqué ci-dessus, la rigidité diélectrique de l'isolant solide conforme à l'invention, est au moins trois ou quatre fois plus élevée que les valeurs correspondantes de la laine de verre non traitée et plongée dans le même liquide isolant.
Ces valeurs élevées restent constantes pendant des périodes très longues* On n'a donc pra- tiquement aucun vieillissement.
On notera enfin que la résistance vis-à-vis de la détérioration chimique des produits décrits est très élevées ; ils ne sont pas affectés par l'isolement liquide ni par les impuretés que ces liquides peuvent contenir ou dégager pendant le fonctionnement,,'
Bien qu'on ait représenté et décrit plusieurs formes de réali- sation de l'invention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières, données simplement à titre d'exemple et sans aucun carac- tère restrictifet que par conséquent toutes les variantes ayant même principe
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et même objet que les dispositions Indiquées ci-dessus, rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.