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La présente invention est relative à des pièces moulées en résine thermodurcie convenant particulièrement pour l'isolation électrique à pro- ximité d'arcs électriques, et aux appareils électriques comprenant ces pièces moulées.
Les isolants électriques résineux moulés utilisés dans des pièces exposées à des arcs électriques, par exemple des interrupteurs et parti- culièrement des interrupteurs de circuit, sont exposés à une forme de dé- faut appelée "tracking " ou charbonnement. Lorsque l'isolant résineux mou- lé se trouve à proximité d'un arc électrique, les résines à la surface de la pièce se décomposent et produisent un trajet charbonneux s'étendant entre des points exposés à des températures élevées et à l'effet des ten- sions. Avec les résines phénoliques en particulier, un trajet conducteur permanent de faible résistance se forme dans la surface moulée et dans de nombreux cas, le dispositif électrique ne peut plus tenir à la pleine ten- sion.
Des dispositifs ont été étudiés et sont actuellement utilisés pour déterminer la résistance de compositions résineuses particulières à ce défaut. La résistance à ce défaut, souvent appelée " résistance à l'arc " ou " résistance au tracking ", est définie par le nombre de secondes re- quis pour produire un trajet conducteur lorsque le pièce est soumise à un arc électrique dans certaines conditions standard décrites par exemple dans les normes établies par l'Amerioan Society for Testing Materials (ASTM).
Bien que les résultats des essais de résistance: à l'arc ne puis- sent être facilement reproduits avec précision, une moyenne de 5 à 12 es- sais donne une valeur moyenne qui peut être reproduite avec une précision raisonnable, à condition qu'on n'apporte pas de changements importants à l'appareil ou aux conditions d'essai. A titre d'exemple de valeurs accep- tées, la littérature enseigne que la résistance à l'arc de résines méla- mine-formaldéhyde moulées est environ 180 secondes. Ceci indique que les pièces moulées en mélamine/formaldéhyde peuvent être soumises à un arc électrique dans les conditions standard d'essai pendant 180 secondes avant que se forme à leur surface un trajet conducteur ou de faible résistance.
De meme, la littérature enseigne que les résines urée-formaldéhyde ont une résistance à l'arc de 100 à 150 secondes, suivant les charges et la proportion des charges mélangées aux résines urée-formaldéhyde. Les rési- nes phénoliques d'autre part ont une très faible résistance à ] 'arc, va- riant généralement de 5 secondes lorsqu'elles comprennent des charges or- ganiques, jusqu'à 16 secondes lorsqu'elles contiennent des charges miné- raleso Une publication récente affirme d'une manière générale que " les résines phénoliques sont considérées comme laissant à désirer quelle que soit la charge ", relativement à leur résistance à l'arc. Cet avis est accepté par l'industrie électrique comme exact pour les pièces moulées en résines phénoliques.
Le terme "résine phénolique", utilisé dans la présente descrip- tion couvre les produits de réaction thermodurcis d'un phénol et d'une al- déhyde. Ce sont notamment des produits de réaction de phénol, crésol, xy- lénols et de phénols plus élevés et de mélanges d'un ou de plusieurs de ces phénols. Les aldéhydes sont la formaldéhyde, la para-formaldéhyde et d'autres polymères de formaldéhyde, furfuraldéhyde, acétaldéhyde, etc.
Comme les résines phénoliques sont fabriquées sur une grande échelle et possèdent d'excellentes propriétés physiques combinées à un bas prix de revient, il serait désirable de pouvoir utiliser les résines phénoliques dans des appareils électriques dans des conditions où elles peuvent être exposées à des arcs électriques, mais jusqu'à présent leur peu de résis- tance à l'arc n'a pas permis de les employer dans ces applications.
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Un but de la présente invention.est de procurer des compositions de résine phénolique contenant des charges inorganiques solides non con- ductrices choisies, d'une granulométrie déterminée et dans certaines pro- portions, pour donner aux pièces moulées à partir de ces compositions une grande résistance à l'arc.
Un autre but de la présente invention est de procurer pour un dis- positif électrique formant un arc pendant son fonctionnement, une pièce moulée en résine phénolique ayant une grande résistance à l'arc, ce qui permet de faire fonctionner le dispositif de façon satisfaisante pendant et après la formation de l'arc.
Pour atteindre ces buts, l'invention comprend essentiellement une pièce oulée en résine thermodurcie pouvant être utilisée comme iso- lant électrique à proximité d'arcs électriques sans former de trajet char- bonneux ou sans perdre sensiblement se capacité d'isolation, comprenant 97 à 30% en poids d'une résine phénol-aldéhyde et pour le reste, des char- ges, ces charges comprenant au moins 3%, en poids de la pièce totale, de particules réfractaires inorganiques solides finement divisées d'une gra- nulométrie moyenne ne dépassant pas 5 microns.
L'invention est basée sur la découverte que la résistance à l'arc des compositions phénoliques peut être fortement améliorée au point de per- mettre l'utilisation de pièces faites de ces compositions phénoliques dans des appareils électriques exposés à des arcs avec des résultats aussi sa- tisfaisants que ceux que l'on peut obtenir avec les meilleurs matières ré- sineuses existantes. En particulier, on a trouvé qu'en ajoutant de 3 à 30% du poids d'une composition phénolique, et même plus, d'une matière réfrac- taire inorganique, finement divisée, non conductrice, d'une granulométrie ne dépassant pas 5 microns, on augmente dans une large mesure la résistan- ce à l'arc des éléments ou pièces moulées en ces compositions.
Plus précisément, on a trouvé qu'on obtient une amélioration pro- gressive si la matière réfractaire inorganique finement divisée est utili- sée en quantités croissantes de 3 à 10% en poids de la composition, tan- dis que l'amélioration est moins prononcée avec des quantités supérieures à 10%. Une amélioration particulièrement significative est obtenue en uti- lisant une matière réfractaire inorganique finement divisée non conductri- ce d'une granulométrie inférieure à 2 microns. Des résultats remarquables sont obtenus lorsque la granulométrie moyenne ne dépasse pas 0,5 microns.
Des exemples de matières réfractaires inorganiques non conductri- ces appropriées pour la mise en oeuvre de l'invention sont la silice, les silicates inorganiques, notamment le silicate de zinconium, le silicate de calcium et le silicate d'aluminium, l'oxyde de zirconium, l'oxyde d'a- luminium, le carbonate de calcium et le nitrate de bore.
Les compositions phénoliques à mouler comprennent généralement de 90 à 30% en poids d'une ou plusieurs résines phénoliques, avec la for- maldéhyde nécessaire pour les transformer en résine thermodurcissable.
Les compositions contiennent généralement un lubrifiant, des colorants et différentes charges de renforcement, par exemple des fibres d'amiante, de la farine de bois et d'autres additifs connus dans les compositions à mouler. Toutefois, des moulages satisfaisants peuvent être préparés à par- tir de 97 à 70% en poids de résine phénolique thermodurcie et de 3 à 30% en poids de matière réfractaire inorganique finement divisée.
L'addition d'autres charges en quantités pouvant aller jusqu'à 120% du poids de la résine phénolique, peut être utilisée pour obtenir une plus grande téna-r cité et une meilleure résistance aux chocs;,
Dans la préparation de compositions à mouler en pièces résineuses
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thermodurcies, on prépare d'abord une résine phénolaldéhyde qu'on fait réagir dans des proportions et des conditions choisies pour obtenir ce qu' on appelle généralement une résine novolak. En général, la quantité d'al- déhyde est choisie pour qu'il y ait moins de 0,86 mole d'aldéhyde environ par mole de phénol, et en général l'aldéhyde représente 0,8 mole et moins par mole de phénol. Dans de nombreux cas, on utilise un catalyseur acide pour préparer la résine novolak.
Les résines sont généralement livrées sous forme de poudre. Ces résines phénoliques novolak sont des matières thermoplastiques et il y a lieu d'y ajouter de nouvelles quantités de for- maldéhyde pour les rendre thermodurcissables. On incorpore souvent de l' hexaméthylène-tétramine dans des compositions comprenant des résines phé- noliques novolak pour y Introduire la quantité supplémentaire de formal- déhyde requise pour rendre la composition thermodurcissable. Bien enten- du,d'autres sources de formaldéhyde, comme la para-formaldéhyde, peuvent être introduites dans la composition à cette fin.
Dans la fabrication de pièces moulées, on mélange upe quantité déterminée de résine phénolique sous forme de poudre à la quantité requi- se d'hexaméthylène-tétramine, un lubrifiant comme le stéarate de calcium, um colorant et une ou plusieurs charges fibreuses comme la farine de bois.
On ajoute à cette composition suivant la présente invention , au moins 3% du poids total de la composition d'une poudre réfractaire, inorganique, finement divisée,d'une granulométrie moyenne de moins de 5 microns. On homogénéise ensuite soigneusement le mélange, on place des portions pesées de ce mélange dans une presse chauffée et on les transforme par moulage en pièces de la forme et des dimensions désirées à des températures et pressions déterminées d'avance jusqu'à ce que la résine phénolique réagisse et thermodurcisse. Des plaques, des tubes, des déflecteurs et d'autres piè- ces isolantes sont facilement obtenus par ces procédés.
Des socles de comp- teurs, des supports de bobinages, des supports de contacts et d'autres ap- pareils peuvent être moulés à partir de ces compositions.
Les compositions phénoliques suivantes sont données à titre d' exemple de celles qu'on utilise actuellement dans l'industrie:
Composition phénolique à mouler A
EMI3.1
<tb> Résine <SEP> phénol-formaldéhyde <SEP> Novolak <SEP> 19,30%
<tb>
<tb> Phénôl-furfural <SEP> Novolak <SEP> 17,40%
<tb>
<tb> Stéarate <SEP> de <SEP> calcium <SEP> 0,50%
<tb>
<tb> Colorant <SEP> noir <SEP> Nigrosine <SEP> 1,5%
<tb>
<tb> Fibres <SEP> d'amiante, <SEP> longueur <SEP> moyenne <SEP> 1/8 <SEP> de <SEP> pouce
<tb>
<tb> (3,2 <SEP> mm) <SEP> 44,63%
<tb>
<tb> Farine <SEP> de <SEP> bois <SEP> 14,9%
<tb>
<tb> Hexaméthylène-téramine <SEP> 1,77%
<tb>
Résistance moyenne à l'arc de moins de 10 sec.
Composition phénolique à mouler B
EMI3.2
<tb> Phénol-formaldéhyde <SEP> Novolak <SEP> 84e8%
<tb>
<tb> Hexaméthylène-tétramine <SEP> 10,15%
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> calcium <SEP> 4,2%
<tb>
<tb> Stéarate <SEP> de <SEP> calcium <SEP> 0,85%
<tb>
Des charges fibreuses en quantité pouvant atteindre 120 parties pour 100 parties cette composition B peuvent être ajoutées pour améliorer la résistance des pièces moulées.
Les moulages contenant 60% de résine B et 40% de farine de bois ont une résistance moyenne à,l'arc de moins de 22 secondes.
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Composition phénolique à mouler C
EMI4.1
<tb> Phénol-formaldéhyde <SEP> Novolak <SEP> 55%
<tb>
EMI4.2
HegaméthIéne-tétramïne 7%
EMI4.3
<tb> Farine <SEP> de <SEP> bois <SEP> 34%
<tb>
<tb>
<tb> Stéarate <SEP> de <SEP> calcium <SEP> 2%
<tb>
<tb>
<tb> Colorant <SEP> 2%
<tb>
Résistance moyenne à l'arc de 7 secondes.
On moule un certain nombre de pièces avec la composition phénolique à mouler A avec et sans nitrure de bore finement divisé d'une granulométrie moyenne de 0,25 micron. On obtient les résultats suivants :
TABLEAU I
EMI4.4
<tb> Exemple <SEP> Composition <SEP> A <SEP> Nitrure <SEP> de <SEP> bore <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> l'arc
<tb>
<tb>
<tb> en <SEP> secondes
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 100% <SEP> 0 <SEP> moins <SEP> de <SEP> 10
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> 80% <SEP> 20% <SEP> 206 <SEP> et <SEP> plus <SEP> de <SEP> 24(
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> 90% <SEP> 10% <SEP> 191, <SEP> 190, <SEP> 188 <SEP> et
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> plus <SEP> de <SEP> 240
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> 95% <SEP> 5% <SEP> 179 <SEP> à <SEP> 185,
<SEP> moyenne
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 184
<tb>
On voit donc qu'en ajoutant 5% de nitrure de bore on améliore dé- jà la résistance à l'arc de la composition d'une façon'spectaculaire et qi des quantités plus élevées de nitrure de bore donnent des améliorations plus marquées de la résistanc3 à l'arc.
La composition phénolique à mouler B est mélangée à diverses pro- portions de nitrure de bore et d'autres charges avec les résultats indique dans le tableau suivant: TABLEAU II Composition Résistance à l'arc en secondes 40% composition B) 186 jusqu'à plus de 240, 30% farine de bois ) moyenne 192 30% nitrure de bore ) 40% composition B) 122 à 133, moyenne 123 50% farine de coques de noix) 10% nitrure de bore) 40% composition B) 75 à 83,moyenne 81 55% farine de coques de noix)
5% nitrure de bore)
L'effet de la granulométrie de la poudre réfractaire est illustré dans le tableau suivant,
ou l'on mélange la composition phénolique à mou- ler C à 10% en poids de silice finement divisée de la granulométrie indi- quée:
TABLEAU III
EMI4.5
<tb> Diamètre <SEP> moyen <SEP> des <SEP> Nombre <SEP> des <SEP> essais <SEP> Résistance <SEP> moyenne
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> particules <SEP> - <SEP> Microns <SEP> à <SEP> l'arc <SEP> à <SEP> l'arc <SEP> en <SEP> secondes
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Témoin <SEP> (pas <SEP> de <SEP> solice) <SEP> 5 <SEP> 7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> 5 <SEP> 17,6
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> à <SEP> 4 <SEP> 6 <SEP> 33
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> à <SEP> 2 <SEP> 6 <SEP> 51
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,02 <SEP> 5 <SEP> 103,
4
<tb>
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L'effet sur la résistance à l'arc de différentes proportions d'u- ne poudre de silice finement divisée ayant une granulométrie moyenne de 0,02 micron, ajoutée dans les quantités indiquées à la composition C est exprimé dans le tableau suivant:
TABLEAU IV
EMI5.1
<tb> Quantité <SEP> de <SEP> silice <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> l'arc <SEP> en <SEP> secondes
<tb>
<tb> 3% <SEP> 93
<tb>
<tb> 4% <SEP> 85
<tb>
<tb> 5% <SEP> 100 <SEP> à <SEP> 119
<tb>
<tb>
<tb> 10% <SEP> 183
<tb>
<tb> 15% <SEP> 184
<tb>
On obtient des résultats semblables à ceux-ci en utilisant une poudre de silice ayant un'diamètre moyen de particule de 0,5 micron, la résistance à l'arc passant de 79 à 108 secondes lorsque la quantité de si- lice est portée de 3 à 5%.
Une amélioration d'environ 50% à la résistance-à l'arc des piè- ces moulées est nécessaire pour être significative et'utilisable. C'q'st ainsi que dans le tableau III, l'amélioration produite suivant la présen- te invention est de 150 à plus de 1600%.
L'amélioration de la résistance à l'arc obtenue en ajoutant la composition A des poudres d'oxyde de zirconium et de silicate de zirco- nium dans des granulométries de 5 microns à 44 microns, la quantité de la poudre réfractaire étant 10% dans tous les cas, est la suivante :
TABLEAU V
EMI5.2
<tb> Granulométrie <SEP> moyenne <SEP> Amélioration <SEP> de <SEP> la <SEP> résistance
<tb>
<tb> en <SEP> microns <SEP> à <SEP> l'arc <SEP> - <SEP> %¯¯¯¯¯¯¯¯ <SEP>
<tb>
<tb> Témoin <SEP> 0
<tb>
<tb> 44 <SEP> -10
<tb>
<tb> 15 <SEP> 17
<tb>
<tb> 10 <SEP> 42
<tb>
<tb> 5 <SEP> 52
<tb>
Des pièces moulées préparées à partir de la composition A en y ajoutant 10% de différentes poudres de silicate d'aluminium dont les gra- nulométries moyennes sont différentes, présentent les améliorations de résistance à 3'arc indiquées dans le tableau ci-dessous :
TABLEAU VI
EMI5.3
<tb> Granulométrie <SEP> moyenne <SEP> Amélioration <SEP> de <SEP> la <SEP> résistance
<tb>
<tb> microns <SEP> à <SEP> l'arc <SEP> - <SEP> %
<tb>
<tb> 4,2 <SEP> 50
<tb>
<tb> 1,5 <SEP> 67
<tb>
<tb> 0,8 <SEP> 90
<tb>
<tb> 0,5 <SEP> 88
<tb>
On voitdonc que despièces moulées en résinesphénoliques qui ont d'ordinaire une très faible résistance à l'arc électrique peuvent déjà être sensiblement améliorées en y ajoutant 3% d'une matière réfractaire inorganique,non conductrice finement divisée dont la granulométrie ne dépasse pas 5 microns.
Ces pièces peuvent être préparées en incorporant les poudres réfractaires inorganiques uniquement dans les parties super- ficielles des pièces moulées, par exemple, dans 20% de l'épaisseur de la pièce près d'une surface, le corps de la pièce comprenant la composition
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phénolique habituelle sans poudre réfractaire inorganique. Pour de nom- breuses applications, les pièces ainsi préparées de façon à présenter une surface à grande résistance à l'arc donnent toute satisfaction. C'est par- ticulièrement le cas pour des appareils électriques qui ne sont exposés qu'à des arcs occasionnels.
Dans les interrupteurs de circuit, les coupe-circuits à fusibles, et d'autres appareils électriques qui sont normalement soumis à des arcs considérables, il est désirable que la pièce isolante toute entière com- porte la matière réfractaire inorganique finement divisée, de préférence à raison de 10% en poids de la composition ou davantage. Ces pièces ré- sistent à des arcs répétés sans former de trajets conducteurs dans une mesure plus importante que n'importe quelle autre matière résineuse: ac- tuellement connue.
Le nitrure de bore est particulièrement efficace en addition à des compositions phénoliques à mouler et semble être, sous certains rap- ports, supérieur à tout autre composé inorganique.
REVENDICATIONS
1.- Pièce moulée en résine thermoduroie pouvant être utilisée comme isolant électrique à proximité d'arcs électriques sans former de trajets charbonneux ou sans perdre notablement ses capacités d'isolation, caractérisée en ce qu'elle comprend de 97 à 30% en poids d'une résine phé- nol-aldéhyde, et pour le reste, des charges, ces charges comprenant au moins 3 % en poids de la pièce de particules d'une matière réfractaire inorganique solide finement divisée, d'une granulométrie moyenne ne dépas- sant pas 5 microns.