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Publication number: BE470682A
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Description


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  Perfectionnements aux charbons artificiels pour. usages électriques et aux autres applications 
Les charbons .artificiels pour l'électricité ou pour autres usages sont formés en général par des conglomérats de carbone amorphe, de graphite et éventuellement d'autres substances. Lorsque les substances non carbonées y sont à dose , relativement faible, elles ne contribuent pas à la'solidité méca- nique de l'ensemble. Celle-ci ne peut donc résulter que les liaisons entre particules de carbone ou de graphite   @   ou de carbone et de graphite. Or l'expérience montre que ces agglomérés   s'ils   résistent bien à la compression, résistent très mal à la flexion, au cisaillement et au choc. On a donc tenté 

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 par divers moyens de remédier à cette insuffisance mécanique. 



   Il est connu par exemple   d'imprégner   la matière carbonée avec des substances organiques liquides ou dissoutes, puis de car- boniser ces matières qui laissent leur coke dans les pores de l'aggloméré initial et le rendement plus tenace. Cependant, le coke ainsi incorporé est dur et   fragile   en général. La rigidité de la masse se trouve accrue et elle est rendue plus sensible aux chocs. D'autres   procédés   proposés n'ont pas non plus donné satisfaction; l'imprégnation par certaines résines synthétiques organiques incorpore dans le charbon des substances susceptibles de dégager des gaz ou des vapeurs combustibles lorsque la pièce en carbone subit un échauffement un peu notable.

   Cette carboni- sation s'accompagne en outre d'une formation locale de goudrons de sorte qu'il devient impossible de prévoir les réactions de ces matières imprégnées quand on les utilise dans certaines applications. 



   La présente invention a pour but de fabriquer des charbons artificiels formés par des   agglomères   en carbone imprégnée par des matières organiques durcissables qui   possè-   dent une grande résistance mécanique et qui sont doués de qualités   spéciales   qui lerendent particulièrement avantageux pour certaines applications* 
L'invention consiste essentiellement à impré-   ±ne!'   les agglomérés en carbone dans toutes leur masse ou dans une partie de celle-ci au moyen de composés   organosiliciques   appartenant au groupe des silicones* 
Les agglomérés de carbone sont d'abord   prépa-   rés par tous les moyens appropriés et imprégnés ensuite avec une ou nlusieurs silicones liquides ou dissoutes.

   Suivant une variante d'exécution les dits agglomérés sont imprégnés par une ou des substances génératrices de, silicones pouvant, par un traitement ohimique convenable; être   transformas   en silicones dans la masse imprégnée. 

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   L' imprégnation par les silicones améliore consi-   dérablement   la tenue des charbons. En effet, elles se fixent par   asoption   de façon'très énergique, sur les particules de carbone. Elles peuvent remplir complètement les pores et leur tenue à la chaleur est bien meilleure que celle des résines organiques non siliceuses. En moyenne, on peut admettre que les charbons artificiels imprégnés de silicones, résistent à des températures supérieures d'environ 100 à 120 C. à celles compatibles avec ces charbons imprégnés de résines synthétiques. 



   Outre ces avantages, la conductibilité thermique est accrue; lorsqu'il s'agit de pièces frottantes, l'échauffé-, ment local se trouve réduit. Dans l'application particulière aux segments pour freins, le   coefficient   de frottement devient plus régulier et la tenue mécanique est très améliorée. Enfin les pièces ainsi imprégnées deviennent imperméables à l'eau, de sorte que leur comportement au frottement n'est pas modifié par l'humidité atmosphérique. 



   Les silicones servant à l'imprégnation sont   consti-   tuées par les polymères légers de produits ayant pour formule générale R-SiO-R'. Dans cette formule R et R' désignent 2 radicaux hydrocarbonés univalents, pouvant appartenir aux séries aliphatique, alicyclique, aromatique avec noyaux simples ou condenses. Les exemples les plus simples sont constitués par la diméthyl-silicone ou R et R' désignent le radical CH3; la diphényl-silicone où R et R' désignent le radical phényl et la méthyl-phényl silicone où R désigne le radical méthyle et R' le radical phényle.

   A l'état faiblement   polymérisé,   ce sont des liquides, des   pâtes   ou   Gel:   solides, suivant le degré de polymérisation et la nature des radicaux R et R', mais dans tous les cas ils restent solubles dans les solvants organiques volatilstols que le  benzène,   le toluéne, le tétrachlorure de carbone, etc... 

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   Suivant un   premier   mode   d'exécution,   les pièces en carbone, qui peuvent être   .   l'état brut ou fini, sont imprégnés par dos silicones liquides plus ou moins visqueuses, à l'état pur, ou dissoutes dans un solvant, ou un mélange de solvants convenablement choisis. Par exemple, on peut utiliser une   méhtylsilioone   OSi (CH3)2, ou sa solution   dans @un   solvant organique comme le benzène ou l'oxyde de butyle. 



   Si l'on imprègne par la silicone pure,on obtient un taux de remplissage &es pores atteignant son maximum, tandis que par dilution de la silicone on peut réaliser des taux d'imprégnation variant à volonté entre 0 et 100 % de l'imprégnation complète. 



   Une fois   l'imprégnation     terminée,   on chauffe entre 150 et 250 C environ en atmosphère inerte ou réductrice, de manière à polymériser la silicone en la rendant dure, compacte, insoluble et infusible* 
Si l'imprégnation a été faite par   un,-   silicone diluée, on vaporise le solvant, éventuellement en le récupérant, puis on procède   à   la   polymérisation   suivant la manière déjà décrite. 



   Suivant un deuxième mode   d'exécution,   on peut imprégner la pièce en carbone avec un halogénureliquide, sus- ceptible d'être transformé en silicone par hydrolyse. Par exemple on peut utiliser le chlorure de diméthysilicium Cl2Si   (CH3)2.   On peut employer un   halogénure   de ce genre à l'état pur ou plus ou moins dilué dans   un   solvant assez volatil pour que son départ n'entraîne pas celui du chlorure de silicium alcoyle ou   arylé.   Une fois l'imprégnation terminée on vaporise le solvant s'il y a lieu, puis on soumet les pièces à ]'action de l'eau chaude ou de la vapeur d'eau. Il se produit une hydrolyse du chlorure ou de l'halogénure choisi avec formation de la   monosilicone     correspondante.

   A   la température de réaction 

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 silicone se polymérise presque aussitôt, de sorte qu'on obtient finalement les mêmes résultats, qu'en partant de sili- cônes liquides. Pendant'cette hydrolyse il se forme un acide   halogéné,   par exemple l'acide chlorhydrique, mais cet acide se trouve éliminé à l'état gazeux en majeure partie pendant l'hy-   drolyse,   et en tout 'cas lorsqu'on chauffe les pièces imprégnées pour y polymériser les silicones. 



   On peut aussi imprégner les pièces en carbone au moyen du mélange de deux ou plusieurs silicones, ou encore au moyen de silicones à substitutions mixtes, par exemple la   méthyl-éthyl     silicgne,   la méthyl-phényl silicone ou bien par des mélanges tels que la méthyl et la   phényl   silicone, ou bien la méthyl-éthyl et la méthyl-phényl silicone. 



   L'imprégnation peut être effectuée soit sur des pièces en   carbone   amorphe, ou en carbone amorphe mélangé de graphite, ou en graphite. On peut notamment fabriquer des pièces en carbone amorphe, les transformer en graphite par traitement thermique au-dessus de 2000 C environ, puis les imprégner de sil icone. 



   Lorsqu'on utilise la diméthyl silicone seule, le polymère d'imprégnation est particulièrement riche en silicium, la teneur en cet élément étant de l'ordre de 38 % en poids. Si l'on emploie au contraire des silicones plus riches en carbone, le taux de silicium peut être considérablement plus réduit; il atteint par exemple 14   %   de silicium quand on utilise la   diphényl   silicone. Avec des silicones mixtes ou des mélanges de silioones, on peut réaliser des pourcentages de silicium intermédiaires, par exemple 32 % de silicium avec la méthyl-éthyl   silicone, 20   % de silicium aveo la méthyl-phényl silicone, 27,5 % avec la diéthyl silicone etc... 

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   L'imprégnation est effectuée sur une substance préalablement agglomérée et dégazée ou calcinée à température convenable. Par exemple), on peut imprégner des plaques pour balais de moteurs électriques qui ont été cuites à des   tempe-   ratures de l'ordre de 300 à   1500    C environ. On peut également imprégner des matières carbonées qui ont été transformées partiellement ou totalement en graphite artificiel, grâce à , au dessus une cuisson convonable/de   1800    C environ* Dans tous les cas, la matière carbonée a   conservé   une certaine porosité qui en permet l'imprégnation.

   L'imprégnation est   effectuée par   immer- sion d.ans la silicone liquide ou dissoute; on peut   accélérer   l'opération en faisant agir un vide partiel   au-dessus   de la solution de manière à enlever les bulles d'air restées dans les pores du charbon. De préférence, on opère à froid pour éviter le durcissement prématuré de la silicone. 



   On peut exercer également une certaine pression sur'le liquide d'imprégnation pour l'obliger à pénétrer plus vite dans les pores du charbon Lorsqu'on peut éviter l'impre-   gnation   complète, les parties à ne pas imprégner sont au préalable gorgées   d'uno   substance liquide ou solide prise à l'état fondu et pouvant être éliminée facilement par dissolution ou vaporisation après l'imprégnation et le durcissement de la   silicone?   On peut utiliser à cet effet simplement de l'eau. 



   Comme il a été dit, on peut employer aussi comme   imprégnant   un mélange de deux ou plusieurs silicones dont chacune comporte des radicaux R et R', semblables ou différents. Ainsi, on peut imprégner avec un mélange de diméthyl-silicone et   de   méthyl-   phényl-silicone.   Dans tous les cas, le durcissement de la silicone est effectué soit on abandonnant longtemps à freid les pièces   imprégnées,   soit, et de préférence, en los chauffant pendant quelques heures ou davantage entre 100 et 150 C environ, 

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A titre d'exemple,.on citera l'imprégnation de pièces en carbone amorphe ayant une densité apparente de 1,38 p par la méthyl-phényl silicone à   l'état   pur.

   Après polymérisa- tion de cette dernière à une température comprise entre 125 et 150  C la densité, après polymérisation, est passée à 1,48 environ et la résistance à la flexion   à 275   Kgs par cm2 contre 180 avant traitement. 



   Dans tous les cas, les pièces après imprégnation et polymérisation de la silicone peuvent être usinées si l'on était parti de pièces brutes, ou recevoir une légère finition si l'on était parti'de pièces   déjà usinées*   
Les pièces carbonées ainsi préparées ont   l'avan-   tage   d'être   moins comcustioles que celles non traitées; leur résistance électrique n'est pas plus.élevée bien que les sili- cones soient des isolants électriques. La conductibilité   thermique   se trouve augmentée. Il en résulte que des pièces de contait électrique s'usent moins par frottement et par combus- tion lors des arcs de   rupture,   que des pièces identiques n'ayant reçu aucune imprégnation par les silicones*   .

   Une   autre application des nouveaux produits se présente dans l'industrie des balais pour moteur électrique* On recherche parfois des balais très régulièrement et très légè-   rement   abrasifs, l'abrasif présent dans le balai devant être réparti de la manière la plus uniforme possible. Les silicones fournissent une excellente solution à ce problème, car le passage du courant et le frottement leur font subir une très légère décomposition qui   transforma   le silicium de la silicone en silice de finesse colloïdale qui est répartie de façon très      uniforme. Les caractéristiques de frottement du balai sont donc également uniformeset l'on évite ainsi la formation de rayures qui ravinent ou qui détériorent les collecteurs'.

   On a pu d'ailleurs étendre le procédé à certaines catégories de 

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 balais pour 1'électrotechnique, comportant des mélanges de carbone ou de graphite et dtun   ou   plusieurs métaux tels que le cuivre, l'étain, le   plomb, 1,::   sinc,   l'argent,   etc.. On réalise à cet effet des balais de   graphite   et de métal   (Du   d'alliage suivant les procédéusuels, puis on lessoumet à l'imprégnation par les   siliconcs   et à la polymérisation ainsi qu'il a été décrit.

   On   obtient   ainsi des balais carbo-métalli- quesou graphito-métalliques présentant   également   un certain pouvoir polisseur qui abaisse sensiblement la chute de tension électrique au contact, 
Les mêmes modalités s'appliquant également à des agglomérés de métaux et de carbone ou de graphite destinés à servir de pièces de contact, par exemple dans des rupteurs ou autres pièces d'appareillage.

   Ainsi, des pièces de contact   femmes   de graphite et d'urgent peuvent être imprégnées aux silicones et donner d'excellents   résultats.   Dans le cas des disjoncteurs les enclanchements et déclanchements parfois bru- taux qui se produisent ne risquent plus de figurer ou de briser les pièces   de   contact en carbone ou en graphite et la résistance au contact ne se trouve cependant pas élevée par rapport à ce qu'on observe avec des charbens non imprégnés. 



   A titre d'exemple on citera l'imprégnation de pièces en carbone amorphe ayant une densité apparente de 1,38 par la   méthyl-phényl   silicone à l'état pur. après   polymérisation   de cette dernière entre 175 et 225 , ces piècesconviennent particulièrement pour établir les contacts dans les disjoncteurs. 



  La   densité   après polymérisation est passée à 1,48 environ, et la résistance à la flexion de 180 à 275 kgs par cm2. 



   Dans l'application comme pièces de frein, l' irn- prégnation aux silicones élève   quelque   peu le coefficient de 

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 frottement surtout à la fin du coup de frein par suite de la formation mentionnée de silice colloïdale, ce qui permet d'abreger la durée du freinage pour obtenir l'arrêt ou le ralentissement, par   comparaison   avec des pièces de friation identiques mais non imprégnées. De plus, la tenue mécanique des sabots de frein est très améliorée.

   Dans d'autres cas, les relèvements, et la tenue des pièces au frottement et autres sollicitations mécaniques en a été considérablement améliorée? 
Le remarquable pouvoir hydrofuge des nouveaux charbons permet d'en constituer des cuves conductrices (en charbon ou en graphite imprégnée) pour y contenir des liquides aqueux et notamment des solutions d'électrolytes. Il n'est pas nécessaire que toute leur masse, soit imprégnée ; il suffit que leur surfaoe en contact avec l'eleotrolyte l'ait été sur une très faible épaisseur. Bien entendu, les diverses applications des pièces préparées comme il a été décrit, ne sont pas limitatives et n'ont été données qu'à titre d'exemples; tous les détails d'exécution pourront varier dans tous les cas sans changer le principe de l'invention. 



    R@VENDI ETIONS   
1 ) Un procédé de fabrication de pièces à base de carbone de graphite, ou de carbone e,t de graphite, contenant éventuellement un ou plusieurs métaux, consistant à imprégner les pièces au moyen d'une ou de plusieurs silicones et à pro- voquer le durcissement de celles-ci. 



   2 ) Procédé comme revendiqué en 1   caractérisé   en ce que l'imprégnation est effectuée par une silioone simple, une silioone mixte, ou un mélange de silicones, simples ou mixtes. 



   3 ) Procédé comme revendiqué en 1 caractérisé en ce que la ou les silicones sont appliquées à l'état liquide. 

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Claims

La silicone, ou le mélange de silicone, est dilué dans un solvant <Desc/Clms Page number 10> volatil due l'on évapora après l'imprégnation et avant la polymérisation.

4 ) Procédé comme revendiqué un 1 c@racté@isé en ce que au lieu d'imprégner avec de s'licones, on imprègne avec dos corps capables de les former dans la masse des agglomérés.

5 ) Procédé comme revendiqué en 1 caractérisé en ce que on imprègne par un halogénure du composé, organesili- oique correspondant à une silicone et on effectue l'hydrolyse dans la pièce même par 3''=.au ou par la vapeur d'eau,, avant d'effectuer la polymérisation* 6 ) Procédé comme revendiqué en 1 caractérise en ce que le durcissement est effectue au-dessus de 20C .

7 ) Procédé cornue revendiqué en 1 caractérisé en ce que on réserve certaines régions des pièces à imprégner au moyen d'une imprégnation auxiliaire par un solide facile- ment fusible ou par une solution aqueuse que l'or. l'ait pénétrer dans la région à réserver et que l' on enlève par dissolution une fois achevée l'imprégnation par les silicones.

8 ) Procédé comme revendiqué en 1 caractérisé pn ce que le traitement peut être effectué sur des pièces en carbone ou en graphite, ou encore sur des pièces de carbone amorphe qui ont été graphitées par voie thermique.

9 ) Procédé comme revendiqué en 1 caractérisé en ce que le traitement des pièces peut être effectué quand elles sont à l'état brut ou dégrossies ou semi-finies, une finition complémentaire pouvant être dans tous les cas effectuée après l'imprégnation et la polymérisation de l'imprégnant.

10 ) L'application du procédé général aux pièces de carbone, de graphite ou carbométallique utilisées en <Desc/Clms Page number 11> électrhotechnique et notamment celles employées comme balais et frotteurs sur des machines tournantes, et encore à des pièces de contact telles qu'on en emploie dans les disjonc- teurs, les rupteurs etc*.* Il ) L'application des produits comme cuves hydrofuges* 12 ) L'application des produits comme matières frottantes pour freins.

13 ) Les produits industriels nouveaux cons- titués par toutes pièces en carbone imprégnées de silicones polymérisées obtenues suivant le procédé ci-dessus*