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La présente invention est relative aux articles cellulaires contenant un élastomère tel que du caoutchouc naturel ou synthétique et à une méthode de fabrication de ces articles.
Les objets principaux de l'invention sont de donner à ces ar- ticles une haute résistance à la déformation par des forces de compression pour un poids donné de matière avec l'avantage d'économie de matière et l'a- vantage d'un poids léger pour un article ayant un pouvoir amortissant et de support de charge donnés.
Dans les dessins ci-joints :
Fig. 1 est un diagramme montrant les résultats obtenus selon plusieurs exemples différents de la présente invention.
Fig. 2 est un diagramme montrant des courbes comparatives de la résistance à la compression.
Da,ns les méthodes qui sont à présent communément employées pour fabriquer du caoutchouc mousse, on mélange une dispersion aqueuse d'un élastomère avec divers ingrédients tels que du soufre, des anti-oxydants.. des accélérateurs et des savons, on transforme le mélange en une mousse liquide par introduction d'un gaz ou en engendrant le gaz dans le mélange,, on transforme en gel la dispersion mousseuse soit dans des moules.. soit sous la forme d'une couche qui se déplace.. on vulcanise le gel, on enlève les constituants solubles dans l'eau par lavage et finalement on sèche la mousse. Le caoutchouc mousse qui en résulte est le produit élastique cellulaire bien connu et reçoit de nombreuses applications par exemple pour oreillers, coussins, matelas, etc..
Les produits sont ou peuvent être rendus. stéréoréticulés. les cellules du produit communiquant librement entre elles comme c'est bien connu dans cette technique et la présente invention concerne plus particulièrement le type stéréoréticulé de produits.
Pour ses emplois pratiques le caoutchouc mousse est classé suivant sa résistance à la compression. Il est convenu que la résistance à la compression du caoutchouc mousse est déterminée en mesurant la force requise pour comprimer jusqu'à 75% de la hauteur originelle, un article en caoutchouc mousse avec emploi d'un appui circulaire de compression ayant une surface de 50 pouces carrés. La méthode telle que généralement employée est décrite dans la publication "Buyers' Specification-Latex Foam" éditée par The Rubber Manufacturers Association.. Inc.
Il a été démontré que la résistance à la compression du caoutchouc mousse est une fonction de sa densité et du module d'élasticité de l'élastomère polymère qu'il renferme. L'un des présents demandeurs, Joseph A. Talalay. a trouvé et a publié précédemment dans "Industrial & Engineering Chemistry", Volume 44. Page 791, (1952), que le changement de la résistance à la compression du caoutchouc mousse avec la densité peut être exprimé par la formule : h=4 (1-Ú)2
P
EMI1.1
et dans cette formule h est la force en livres par pouce carré qui est requise pour produire une déflexion de 25%.
Gf est la densité de la mousse en livres par pouce cubique. et P est un paramètre qui est principalement une fonction du module du composé de latex et. à un degré moindre, une fonction
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de la structure de la cellule.
Au lieu de la densité Gf on substitue pour la facilité une fonc- tion de racine cubique de la densité Ú,
Pour du caoutchouc mousse préparé en partant de latex naturel (60% de latex centrifugé de Hevea Braziliensis), il a été trouvé que la valeur de P s'approchait de 10 x 10-3 quand le caoutchouc a été soumis à la vulcanisation avec 2 1/4 % de soufre et un accélérateur approprié (par exemple 1 1/4% de chacun des composés diéthyldithiocarbamate de zinc et mercaptobenzothiazole de zinc) et pour une température de vulcanisation facultative.
Pour du caoutchouc mousse préparé d'un copolymère du butadiène et styrène, laquelle émulsion est polymérisée à une température aussi basse que 5 C pour obtenir un polymère de haute viscosité Mosney. tel que MS4 au-dessus de 70, la valeur de P est un peu plus basse et peut être de l'ordre de 8.5 x 10-3. ce qui veut dire que le produit présente une résistance à la compression relativement élevée.
Il a été trouvé également que la résistance à la compression du caoutchouc mousse est affectée. mais très légèrement seulement, par les dimensions des cellules dans la mousse.
L'obtention d'une résistance maximum à la compression pour une densité donnée est une question de la plus grande importance économique dans la fabrication du caoutchouc mousse. On peut l'exprimer d'une autre manière: Il est désirable de produire un caoutchouc mousse d'une résistance spécifique à la compression donnée avec une consommation minimum de matière élastomère.
La résistance à la compression d'un corps cellulaire dont les cellules communiquent librement entre elles est déterminée pour une densité donnée par le module d'élasticité de la substance élastomère apparentée dont les parois cellulaires sont constituées.
Dans la technologie du caoutchouc plein, le module d'élasticité d'un composé peut être facilement rendu plus grand ou plus petit par un mélange approprié. Ainsi du caoutchouc sec, naturel ou synthétique, peut être renforcé par ces matières finement divisées, telles que du noir de carbone, argiles à fins grains, etc.. jusqu'à ce que le module du composé devienne plusieurs fois celui de la composition de gomme pure. Une amélioration des autres propriétés physiques comme par exemple la résistance à la traction, la résistance à la rupture et la résistance à l'abrasion, va souvent de pair avec l'amélioration du module d'élasticité. Malheureusement, cette technique du "renforcement" n'est pas du tout applicable au latex.
Des quantités modérées d'argile, alumine hydratée, etc. peuvent parvenir à renforcer un peu le mélange de latex mais elles y arrivent en sacrifiant les qualités de résistance à la traction, l'allongement à la rupture et la résistance à la rupture. Egalement, l'effet de renforcement n'est pas du tout permanent et est partiellement perdu par des flexions prolongées et répétées.
Il a été maintenant trouvé que l'addition de petites quantités de mélanges de latex à un caoutchouc mousse déjà formé, par immersion de la mousse dans une dispersion diluée du latex et en recouvrant ainsi les parois des cellules augmentent très appréciablement la résistance à la compression de la mousse pour une faible augmentation du poids. En même temps, la résistance à la traction de la mousse (corrigée pour la faible variation en densité) est légèrement améliorée. D'autres propriétés physiques du caoutchouc mousse sont relativement non influencées.
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Il a été également trouvé que l'addition d'un renforçateur au composé d'immersion, tel que par exemple une dispersion de silice colloï- dale ("Ludox", produit selon le brevet E.U.A. N 2.574.902) augmente davan- tage l'effet désiré.
Le Ludox est une dispersion colloïdale à 30% de particules de silice amorphe presque pure (SiO2) sous la forme d'acide silicique polymé- risé. La dimension moyenne de ses grains, de 17mu. est en-dessous de celle des meilleurs noirs de carbone. A titre d'exemple plus spécifique, une aug- mentation de poids de 2 à 3% du caoutchouc mousse provenant de son immer- sion dans une dispersion diluée d'une composition.contenant des parties éga- les de mélange de latex et de silice colloïdale augmentera de 30 à 40% la résistance spécifique à la compression d'un article en caoutchouc mousse de densité moyenne. Le facteur P d'une telle mousse peut avoir une valeur voisine de 6 x 10-B.
Une augmentation d'environ 20 à 25% du poids originel de mouse (poids de coulée ou versage) serait requise pour produire une aug- mentation de la résistance à la compression du même ordre par n'importe laquelle des méthodes en emploi jusqu'à présent.
Aucune explication de ce phénomène n'existe, mais puisque l'effet de renforcement est apparamment plus grand que celui qui résulterait d'un épaississement uniforme des parois cellulaires, il parait probable que l'attraction capillaire constitue un facteur qui fait que des quantités relativement plus grandes de la substance ajoutée se déposent de préférence (et se coagulent) sur des surfaces préférentielles. Un tel dépôt préférentiel de matière ajoutée peut avoir lieu dans les angles de rencontre des parois des cellules, comme facteur de renforcement,, et dans certains passages étroits de cellules plus petites mêlées aux autres.. par lesquelles les cellules plus grandes sont en communication entre elles.
Nous pensons également que lorsqu'on emploie le Ludox décrit ci-dessus. les particules de silice colloïdale dans le Ludox sont suffisamment fines et suffisamment réactives pour pénétrer dans les films de latex ayant la texture cellulaire en s'y Incorporant. On peut dire que la dispersion de Ludox durcit l'enveloppe de la structure cellulaire élastomère dans des surfaces préférentielles lorsqu'on l'emploie dans le procédé suivant la présente invention.
Dans la réalisation pratique de la présente méthode, on peut préparer un article en caoutchouc mousse cellulaire par la méthode de coagulation par le froid selon le brevet U.S.A. N 2.432.353 (Talalay), ou par n'importe quelle autre méthode préférée,
Après vulcanisation et lavage, et soit avant, soit après séchage, le caoutchouc mousse est immergé dans une dispersion diluée (à 5% de solides totaux) d'un mélange de latex.. le surplus étant enlevé par compression entre des cylindres, (tordeuse) et le produit est séché dans une circulation d'air chaud et en même temps on vulcanise l'élastomère ajouté.
Le type de résultats obtenus par la présente méthode est illustré dans les graphiques de la fige 1 des dessins ci-joints, où l'augmentation de la résistance spécifique à la compression d'un "topper" automoteur (c'est-à-dire d'un tampon de mousse plate, à noyau. d'une épaisseur d'environ 1 1/4" utilisé comme matière de recouvrement sur une enveloppe de ressort dans un siège d'automobile) est inscrite en fonction d'une augmentation de poids, cette augmentation du poids ayant été produite par divers moyens. Le "topper" en mousse a été obtenu de parties égales de caoutchouc naturel et de latex GR-S à haute teneur en solides (polymérisé à 41 F)
La courbe A montre l'effet obtenu par une simple augmentation du poids de coulée de base, par exemple l'effet de verser une mousse plus dense.
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La courbe B montre l'effet de l'immersion ultérieure du "topper" dans son composé de latex apparenté et du séchage et de la vulcanisation du matériau élastomère ajouté.
La courbe C montre l'effet de la même procédure avec 75 parties de composé de latex et 25 parties de silice colloïdale.
La courbe D montre l'effet d'une immersion ultérieure consistant en parties égales de composés de latex et de silice colloidale.
La courbe E montre l'effet d'une immersion ultérieure dans une dispersion diluée de silice colloïdale ne contenant pas de latex.
L'addition d'une partie de mono-éthylamine empêche la formation de flocons dans le système latex-Ludox. On doit agiter la solution très bien pour mieux empêcher la formation de flocons et pour empêcher le dépôt des ingrédients de la vulcanisation.
Dans les mêmes conditions opératoires, une augmentation du rapport Ludox-caoutchouc fait augmenter la résistance à la compression mais réduit l'augmentation de poids par une seule immersion.
Il a été également trouvé que la concentration de la solution d'immersion est limitée par cela que la mousse doit reprendre sa forme originelle après passage dans une série de cylindres de compression.
Les facteurs affectant la limite de la concentration sont :
1. Le type de latex dans la solution d'immersion (GR-S et/ou du caoutchouc brut)
2. La quantité de latex dans la solution.
3. Le réglage des cylindres de compression (pression sur les cylindres).
4. L'état de vulcanisation du matériau qui doit être immergé.
L'effet de l'augmentation de la résistance à la compression n'est pas limité à une seule immersion. Il a été trouvé qu'un effet comparable est obtenu par une deuxième immersion et à nouveau par une troisième immersion si on le désire, mais le pourcentage du gain compression-résistance des Immersions successives pourrait ne pas être aussi élevé que lors du premier traitement. Cinq bandes coupe-vent de portes automobiles furent immergées trois fois dans une solution à 10% de 50 parties de mélange de latex GR-S à haute teneur en solides polymérisé à 41 F (X 667) pour 50 parties de Ludox. Entre chaque immersion et la suivante les échantillons furent exprimés dans la machine de compression, furent séchés pendant 15 minutes à 2100F. pesés et comprimés.
Les chiffres de la compression sont les livres requises pour comprimer une longueur de 12" d'un huitième de pouce avec une précharge de une livre.
Les résultats de l'essai furent les suivants
Densité originelle de la bande coupe-vent : 0.047 à 0,0050 livre par pouce cubique.
Une Immersion a donné un gain de poids de 7,6%.
Gain de compression-résistance :27, %.
Trois immersions consécutives ont donné un gain de poids de 21. 1%.
Le gain de compression-résistance a été de 94.2 %.
Quoiqu'on ait parlé plus haut d'une seule immersion, la méthode d'addition de la dispersion à la mousse n'est pas limitée à une seule plongée ou immersion. L'addition de latex peut se faire en faisant venir en cascade un courant de mélange sur la mousse de latex, ou par atomisation.
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Exemple de mélanges employés dans le présent traitement
Le latex de base employé dans ce traitement peut être du latex de caoutchouc naturel ou du latex synthétique. plus particulièrement un latex des copolymères butadiènestyrène ou un mélange de latex naturels et synthétiques.,
On préfère employer les latex GR-S à cause de leur moindre viscositéo
Le composé qui suit est un exemple de dispersion employée pour traiter le latex mousse et vulcanisé.
Ao Mélange de latex,,
EMI5.1
<tb>
<tb> GR-S <SEP> (X-667) <SEP> 100.00
<tb> oléate <SEP> de <SEP> potassium <SEP> 2.00
<tb> Mono-éthylamine <SEP> 1.00
<tb> Phénol <SEP> styréné <SEP> (anti-oxydant <SEP> "Wingstay <SEP> S") <SEP> 1.50
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> zinc <SEP> 4.00
<tb> Diethyldithiocarbamate <SEP> de <SEP> zinc <SEP> 1.25
<tb> Mercaptobenzothiazole <SEP> de <SEP> zinc <SEP> 1.25
<tb> Soufre <SEP> 2.25
<tb>
B. Dispersion d'immersion
EMI5.2
<tb>
<tb> Mélange <SEP> de <SEP> latex <SEP> (A) <SEP> 4.5
<tb> Silice <SEP> colloïdale <SEP> (Ludqx) <SEP> 3.Eau <SEP> 92.5
<tb>
Quantité totale de solides : 7,5 %
La concentration de la dispersion est ordinairement inférieure à 10%.
Les effets sur les propriétés physiques sont les suivants : 1. La résistance à la traction est légèrement augmentée.
2. L'allongement reste constant.
3. La propriété de rétention permanente du dépôt (dépôt à chaud) de la ma- tière traitée est légèrement meilleure que celle de la matière non trai- tée (la détermination étant faite d'après les indications données dans la publication "The Rubber Manufacturars Association Buyers' Guide - La- tex Foam).
4. Une flexion répétée de la matière traitée montre qu'elle n'est que légè- rement inférieure à la matière non-traitée sous le rapport du pourcenta- ge de la perte compression-résistance et est égale à la matière non-trai- tée sous le rapport de la perte de hauteur résultant de la flexion.
5. D'autres propriétés physiques de la matière traitée,telles que la ré- tention de la flexibilité aux températures basses et la résistance aux essais de bombe à l'air, restent relativement inchangées.
Comme remarques supplémentaires concernant la présente invention, il est à noter que la forme des courbes "compression-déflexion" est très similaire aussi bien pour la matière non traitée que pour la matière à immersions répétées. Cela sera apparent des courbes de déflexion de la fig. 2 des dessins ci-joints.
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Une plaque à noyau utilitaire, non immergée, d'une épaisseur de 3 1/4". a été vérifiée au point de vue de la compression pour chaque déflexion de loi de la hauteur o riginelle. La même plaque ou tampon a été immergée dans une dispersion diluée de mélange de latex contenant du Ludox; l'excès en fut enlevé par expression et le tampon fut resséché et vulcanise.
Le gain de poids s'est élevé à 4.3% et les augmentations en pour cents de la résistance spécifique à la compression par rapport à la matière non immergée étaient comme suit :
EMI6.1
<tb>
<tb> Déflexion <SEP> en <SEP> % <SEP> Augmentation <SEP> en <SEP> % <SEP> de <SEP> la <SEP> résistan-
<tb> ----- <SEP> ce <SEP> spécifique <SEP> à <SEP> la <SEP> compression.
<tb>
10 <SEP> 56
<tb> 20 <SEP> 56
<tb> 3 <SEP> 0 <SEP> 56
<tb> 40 <SEP> 56
<tb> 50 <SEP> 64
<tb> 60 <SEP> 51
<tb> 70 <SEP> 47
<tb> 80 <SEP> 41
<tb>
On aurait pu s'attendre à ce que le traitement par immersion ne soit efficace que pour les limites inférieures de déflexion où la rigidité des parois cellulaires constitue le facteur principal contribuant à la résistance à la compression, par exemple entre les limites de 10 à 50% de déflexion. Les résultats montrent, cependant, que l'effet est reporté au moins jusqu'à une déflexion de 80%. ce qui est proche de la condition la plus basse du caoutchouc mousse.
Diverses modifications sont possibles sans s'écarter de la portée de l'invention telle que définie dans les revendications qui suivent.