CH262391A - Article contenant du carbone tel que, par exemple, pièce de machine et dispositif électrique, pièce de frein, etc. et procédé pour le fabriquer. - Google Patents

Description

  Article contenant du carbone tel que, par exemple, pièce de machine et dispositif  électrique, pièce de frein, etc. et procédé<B>pour</B> le fabriquer.    Les pièces faites en charbon artificiel pour  l'électricité ou pour d'autres usages sont for  mées, en général, par des conglomérats de  carbone, qui peut être soit amorphe, soit à  l'état de graphite, et éventuellement d'autres  substances. Lorsque les substances non carbo  nées y sont à dose relativement faible, elles  ne contribuent pas à la solidité mécanique de  l'ensemble. Celle-ci ne peut donc résulter que  de 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 par divers moyens de remé  dier à cette insuffisance mécanique. Il est  connu, par exemple, d'imprégner la matière  carbonée avec des substances organiques li  quides ou dissoutes, puis de carboniser ces  matières qui laissent leur coke dans les pores  de l'aggloméré initial et le rendent     phis     tenace. Cependant, le coke ainsi incorporé est  dur et fragile en général. La rigidité de la  masse se trouve accrue,     mais    celle-ci est ren  due plus sensible aux chocs. D'autres procédés  proposés n'on pas non plus donné satisfaction;  l'imprégnation par certaines résines synthé  tiques organiques introduit 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 carbonisation s'accompagne, en    outre, dîme 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 se rapporte à un  article contenant du carbone, exempt des in  convénients précités, et à un procédé de fabri  cation de tels articles.  



  L'article selon l'invention, qui peut être,  par exemple,     une    pièce     -utilisée    en électrotech  nique, balai, frotteur de machine tournante,  pièce de contact de disjoncteur ou de rupteur,  ou encore une pièce de frein,     ete.,    est caracté  risé en ce que sa masse comprend du carbone  et au moins un     polysiloxane    solide. (Par car  bone, on entend aussi bien du     graphite    que  du carbone amorphe).  



  Le procédé selon l'invention pour la fabri  cation de tels articles est caractérisé en ce que  des agglomérés, formés au moins en partie de  carbone, sont soumis à un traitement tel qu'ils  soient imprégnés, en au moins une partie de  leur ruasse, d'au moins un     siloxane,    lequel est  alors durci par polymérisation.  



  On peut imprégner des agglomérés de car  bone avec un ou plusieurs     siloxanes    liquides  ou dissous. On peut aussi les imprégner avec  une ou des substances génératrices de     siloxane     pouvant, par un traitement chimique conve  nable, être transformées en     siloxanes    dans la  masse imprégnée.      La présence de     polysiloxanes    solides amé  liore considérablement la tenue des charbons.  En effet, ces     résines    se fixent par adsorption  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     poly-          siloxanes    résistent à des températures supé  rieures     d'environ    100 à 120 C, à celles com  patibles avec ces charbons imprégnés de rési  nes     synthétiques.     



  Outre ces avantages, la conductibilité ther  mique est accrue; lorsqu'il s'agit de pièces  frottantes, l'échauffement local se trouve ré  duit. Dans     l'application    particulière     aux    seg  ments pour freins, le coefficient de frottement       devient    plus régulier et la tenue mécanique  est très améliorée. Enfin, les pièces ainsi im  prégnées deviennent imperméables à l'eau, de  sorte que leur comportement au frottement  n'est pas modifié par l'humidité atmosphé  rique.  



  Les     siloxanes    servant à l'imprégnation sont  constitués avantageusement par les polymères  légers de produits ayant pour     formule    géné  rale     R-SiO-R'.    Dans cette formule R et R'  désignent deux     radica#x    hydrocarbonés univa  lents, pouvant appartenir aux séries alipha  tique,     alicyclique,    aromatique avec noyaux  simples ou condensés.

   Les exemples les plus  simples sont constitués par le     diméthyl-          siloxane,    le     diphényl-siloxane    et le     méthyl-          phényl-siloxane.    A l'état faiblement polymé  risé, ce sont des liquides, des pâtes ou des so  lides, 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 volatils tels que le benzène, le to  luène, le tétrachlorure de carbone, etc.  



       Dans    un     premier    mode d'exécution, les  pièces en carbone, qui peuvent être à l'état  brut ou fini, sont imprégnées par des     siloxanes          liquides    plus ou     moins        visqueux,    à l'état     pur,     ou dissous dans un solvant ou un mélange de  solvants convenablement choisis. Par exemple,  on peut utiliser un     diméthyl-siloxane    ou sa    solution dans un solvant organique comme le  benzène ou l'oxyde de butyle.  



  Si l'on imprègne par le     siloxane    pur, on  obtient un taux de remplissage des pores  atteignant son     maximum,    tandis que par dilu  tion du     siloxane,    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, de préférence, entre 150 et 250  C en  viron en atmosphère inerte ou réductrice, de  manière à     polymériser    le     siloxane    en le ren  dant dur, compact, insoluble et infusible.  



  Si l'imprégnation a été faite par un     si-          loxane    dilué, on vaporise le solvant, éven  tuellement en le récupérant, puis on procède  à la polymérisation suivant la manière déjà  décrite.  



  Comme déjà dit, on peut aussi imprégner  la pièce en carbone avec une substance géné  ratrice de     siloxane,    telle qu'un halogénure  liquide, susceptible d'être transformé en     si-          loxane    par hydrolyse.

   Par exemple, on peut  utiliser le chlorure de     diméthylsilicium            C12S1        (CH3)z.       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       alcoylé    ou     arylé.    Une fois     l'imprégnation    ter  minée, on vaporise le solvant s'il y a lieu, puis  on soumet les pièces à l'action de l'eau chaude  ou de la vapeur d'eau.

   Il se produit une hy  drolyse de l'halogénure choisi avec forma  tion du     silanol    correspondant dont la pièce se  trouve ainsi imprégnée. A la température de  réaction le     silanol    se polymérise presque aus  sitôt, de sorte qu'on obtient finalement les  mêmes résultats qu'en partant de     siloxanes          liquides.    Pendant cette hydrolyse, il se forme  un acide halogéné, par exemple l'acide chlor  hydrique,

   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     si-          loxanes.         On peut aussi imprégner les pièces en car  bone au moyen du mélange de deux ou plu  sieurs     siloxanes    ou encore au moyen de     si-          loxanes    à substitution mixte, par exemple  le     méthyl-éthyl-siloxane,

      le     méthyl-phényl-          siloxane    ou bien par des mélanges tels que le       méthy    1- et le     phény        1-siloxane    ou le     méthyl-          éthyl-    et le     méthyl-phényl-siloxane.     



  L'imprégnation peut être effectuée soit  sur des pièces en carbone amorphe, ou en car  bone 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     si-          loxane.     



  Lorsqu'on utilise le     diméthyl-siloxane    seul,  le polymère d'imprégnation est particulière  ment riche en silicium, sa teneur en cet élé  ment étant, en effet, de l'ordre de     38%    en  poids. Si l'on emploie au contraire des     si-          loxanes    plus riches en carbone, le taux de  silicium peut être considérablement plus ré  duit;

   il atteint, par exemple, 14% de silicium  quand on utilise de     diphény        1-siloxane.    Avec  des     siloxanes    mixtes ou des mélanges de     si-          loxanes,    on peut réaliser des pourcentages de  silicium intermédiaires, par exemple,<B>32%</B> de  silicium avec le     méthyl-éthyl-siloxane,    20  de silicium avec le     méthyl-phényl-siloxane,     <B>27,5%</B> avec le     diéthyl-siloxane,    etc.  



  L'imprégnation est effectuée, de préfé  rence, sur une substance préalablement agglo  mérée 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 températures de l'or  dre de 300 à 1500  C environ. On peut égale  ment imprégner des matières carbonées qui  ont été     transformées    partiellement ou totale  ment en graphite artificiel, grâce à une cuisson  convenable au-dessus de 1800 C environ. Dans  tous les cas, la matière carbonisée a conservé une  certaine porosité qui en permet l'imprégna  tion.

   L'imprégnation peut être effectuée par  immersion dans le     siloxane    liquide ou     dissous;     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 préma  turé du     siloxane.     



  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 veut éviter l'impré  gnation complète, les parties à ne pas impré  gner peuvent être au préalable gorgées d'une  substance liquide ou solide prise à l'état fondu  et pouvant être éliminée facilement par disso  lution ou vaporisation après l'imprégnation et  le durcissement du     siloxane.    On peut utiliser  à cet effet simplement de l'eau.     Comme    il a  été dit, on peut employer     aussi,    comme impré  gnant., un mélange de deux ou plusieurs     si-          loxanes    dont chacun comporte des radicaux R  et R' semblables ou différents.

   Ainsi, on peut  imprégner avec un mélange de     diméthyl-si-          loxane    et de     méthyl-phényl-siloxane.    Dans  tous les cas, le durcissement du     siloxane    est  effectué soit en abandonnant longtemps à  froid les pièces imprégnées, soit, et de préfé  rence, en les chauffant pendant     quelques     heures ou davantage entre 100 et 150  C en  viron.  



  A titre d'exemple, on citera l'imprégnation  de pièces en carbone amorphe ayant une  densité apparente de 1,38 par du     méthyl-          phényl-siloxane    à l'état pur. Après poly  mérisation de ce dernier à une tem  pérature comprise entre 125 et 150  C,  la densité est passée à 1,48 environ et  la résistance à la flexion à 275 kg par     em2     contre 180 avant traitement.  



  Dans tous les cas, les pièces après impré  gnation et polymérisation du     siloxane    peu  vent 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'avantage d'être moins combustibles que celles  non traitées; leur résistance électrique n'est  pas plus élevée bien que les     siloxanes    soient  des isolants électriques. La conductibilité ther  mique se trouve augmentée. Il en résulte que  des pièces de contact électrique s'usent moins      par frottement et par combustion lors des  arcs de     rupture    que des pièces identiques  n'ayant reçu     aucune        imprégnation    par les       siloxanes.     



  L'article selon l'invention est particulière  ment avantageux sous forme de balai pour  moteurs électriques. On recherche parfois des  balais très régulièrement et très légèrement  abrasifs, l'abrasif présent dans le balai devant  être réparti de la manière la plus uniforme  possible. Les     siloxanes    fournissent une excel  lente solution à ce problème, car le passage  du courant et le frottement leur font subir  une très légère décomposition qui donne lieu  à     la,    formation de silice de finesse colloïdale       répartië    de     façon    très uniforme.

   Les caractéris  tiques de frottement du balai sont donc égale  ment     uniformes    et l'on évite ainsi la forma  tion de rayures qui ravinent ou qui dété  riorent les collecteurs. On peut d'ailleurs réa  liser     également    des balais pour l'électrotechni  que, comportant des mélanges de carbone ou  de graphite et d'un ou plusieurs métaux tels  que le     cuivre,    l'étain, le plomb, le zinc, l'ar  gent, etc., et conformes à l'invention.

   A cet  effet, les balais de graphite et de corps mé  tallique (métal ou alliage) sont établis, par  exemple,     suivant    les procédés usuels, puis on  les     soumet    à l'imprégnation par les     siloxanes     et à la polymérisation, ainsi qu'il a été décrit.  On obtient ainsi des balais     carbo-métalliques     ou     graphito-métalliques    présentant également  un certain pouvoir polisseur qui abaisse sen  siblement la chute de tension électrique au  contact.  



  On peut de même     réaliser    des agglomérés  de métaux et de carbone ou de graphite des  tinés à     servir    de pièces de contact, par exem  ple dans des rupteurs ou autres pièces d'ap  pareillage, et conformes à l'invention. Ainsi,  des pièces de contact formées de graphite et  d'argent peuvent être imprégnées aux     siloxa-          nes    et     donner    d'excellents résultats.

   Dans le  cas des disjoncteurs, les     enclenchements    et  déclenchements parfois brutaux qui se pro  duisent ne     risquent    plus de fissurer ou de bri  ser 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     charbons    non im  prégnés.  



  A titre d'exemple, on citera l'imprégna  tion de pièces en carbone amorphe ayant une  densité apparente de 1,38 par le     méthyl-          phény        1-siloxane    à l'état pur. Après polyméri  sation de ce dernier entre<B>175</B> et 225 , ces  pièces     conviennent    particulièrement pour éta  blir les contacts dans les disjoncteurs. La den  sité après polymérisation est passée à 1,48 en  viron, et la résistance à la flexion de 180 à  275 kg par     cm2.     



  En ce qui concerne les pièces de frein,  l'imprégnation aux     siloxanes    élève quelque  peu le coefficient de frottement surtout à la  fin du coup de frein par     suite    de la forma  tion mentionnée de silice colloïdale, ce qui  permet d'abréger la     durée    du freinage     pour     obtenir l'arrêt ou le ralentissement, par com  paraison avec des pièces de friction identi  ques, mais non imprégnées. De plus, la tenue  mécanique des sabots de frein est très amélio  rée. Dans d'autres cas, les relèvements de ré  sistance mécanique se sont trouvés compara  bles, et la tenue des pièces     ail    frottement et  autres sollicitations mécaniques en a été con  sidérablement améliorée.  



  Le remarquable pouvoir hydrofuge des  charbons imprégnés de     siloxanes    polymérisés  permet d'en constituer des cuves conductrices  (en charbon ou en graphite imprégnés) pour  y     contenir    des liquides aqueux et notamment  des solutions d'électrolyte. Il n'est pas néces  saire que toute leur masse soit imprégnée; il  suffit que leur surface en contact avec l'élec  trolyte l'ait été sur une très faible épaisseur.

Claims (1)

1. REVENDICATION I: Article, par exemple pièce de machine et dispositif électrique, pièce de frein, etc., ca ractérisé en ce que sa masse comprend du carbone et au moins un polysiloxane solide. SOUS-REVENDICATIONS 1. Article selon la revendication I, carac térisé en ce que le carbone est au moins par tiellement à l'état de graphite. 2. Article selon la revendication I, carac térisé en ce que sa masse contient encore un métal à l'état divisé.

   REVENDICATION II: Procédé pour la fabrication de l'article selon la revendication 1, caractérisé en ce que des agglomérés, formés au moins en partie de carbone, sont soumis à un traitement tel qu'ils soient, imprégnés, en au moins une par tie de leur masse, cl'au moins un siloxane, lequel est alors durci par polymérisation. SOUS-REVENDICATIONS: 3. Procédé selon la revendication II, ca ractérisé en ce que le carbone de l'aggloméré est au moins en partie à l'état de graphite. 4. Procédé selon la revendication II, ca ractérisé en ce que l'aggloméré traité est formé de carbone et d'un corps métallique divisé. 5.

   Procédé selon la revendication II, ca ractérisé en ce que l'on. imprègne l'aggloméré avec au moins un siloxane sans diluant. 6. Procédé selon la revendication II, ca ractérisé en ce que l'on imprègne l'aggloméré avec une solution d'au moins un siloxane. on évapore le solvant et assure la polymérisa tion. 7. Procédé selon la revendication II, ea- raetérisé en ce que l'on imprègne l'aggloméré avec au moins une substance propre à. engen drer un siloxane par traitement chimique, et effectue ledit traitement. 8.

   Procédé selon la sous-revendication 7, caractérisé en ce que ladite substance est un halogénure d'un composé organo-silicique pro pre à former un organo-silanol par hydro lyse, et en ce que l'on effectue cette hydro lyse dans l'article même, puis la polymérisa tion de l'organo-silanol formé. c9. Procédé selon la revendication II, ca ractérisé en ce que la polymérisation est effectuée au-dessous de 200 C. 10.

   Procédé selon la revendication II, ca ractérisé en ce que l'on imprègne des régions de l'aggloméré au moyen d'une substance auxi liaire, substance que l'on élimine après avoir impiégné le reste de l'aggloméré au moyen d'un siloxarre. 11. Procédé selon la revendication<B>11,</B> ca ractérisé en ce qu'on part d'agglomérés de carbone amorphe que l'on graphitise par voie thermique avant ledit traitement. 12.

   Procédé selon la revendication II, ea- ractérisé en ce que l'on part d'agglomérés constituant des ébauches de pièces, lesquelles ébauches sont usinées après imprégnation et polymérisation du siloxane.