Matériau pour garnitures d'étanchéité et procédé pour sa fabrication La présente invention concerne un matériau pour garnitures d'étanchéité et un procédé pour sa fabrica tion.
Des difficultés considérables ont été rencontrées dans la réalisation des garnitures pour les pompes mécaniques et autres mécanismes du même genre devant résister tant à des produits très corrosifs qu'aux températures élevées engendrées par les frottements mécaniques ou résultant éventuellement des traitements subis par les produits traversant la pompe.
Bien que des types variés de garnitures, dont certains utilisent le polytétrafluoro- éthylène comme composant, aient été décrits, il est resté difficile d'obtenir une garniture présentant les propriétés désirées.
Il a été suggéré d'utiliser un tissu tressé ou un feutre de verre imprégné avec le polytétrafluoroéthylène, mais un matériau de ce genre est relativement fragile et ne peut résister à une déformation importante. Quant au polytétrafluoroéthylène par lui-même, il est notoirement mauvais conducteur de la chaleur et ne peut résister aux élévations de température engendrées par le frottement.
La présente invention a pour but d'éviter ces incon vénients. Le matériau pour garnitures d'étanchéité selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte des fibres de verre tressées, imprégnées avec une résine du groupe des polymères fluorés.
Le procédé pour la fabrication du matériau est carac térisé en ce qu'on forme une armature en fibres de verre tressées, qu'on imprègne cette armature avec une disper sion d'une résine du groupe des polymères fluorés, qu'on sèche l'armature et la réduit aux dimensions voulues.
Suivant une variante du procédé, les fibres indivi duelles, ou des torons constitués de plusieurs fibres, sont déjà imprégnés avant d'entrer dans la constitution de l'armature tressée, mais l'armature est soumise à une seconde immersion dans une dispersion de polytétra- fluoroéthylène.
La combinaison des fibres de verre tressées impré gnées avec, par exemple, le polytétrafluoroéthylène pré sente des canaux de dissipation pour la chaleur tant en raison de la structure du verre tressé que de la nature des fibres de verre. De plus, elle est capable de résister à de hautes températures, inerte,
présente d'excellentes propriétés mécaniques tant en raison de la structure tressée des fibres de verre que par la présence du poly- tétrafluoroéthylène dans les interstices des fibres et est douée d'une élasticité absente dans le polytétrafluoro- éthylène solide et dans les fibres de verre tressées sèches pris individuellement.
Bien que le polytétrafluoroéthylène soit préféré, des polymères inertes similaires, tels que le monochloro- fluoroéthylène polymérisé, peuvent être utilisés avec des avantages de même ordre. Par ailleurs, et bien que cette façon de procéder ne soit généralement pas préférée, l'imprégnation pourra être effectuée, en tout ou en par tie à sec, en utilisant le polymère sous forme de poudre (éventuellement avec des agents agglomérants).
Le présent matériau de garniture est donc supérieur au polytétrafluoroéthylène employé seul, dont la faible conductivité thermique retarde le transfert de la chaleur engendrée aux surfaces de frottement et provoque une dilatation excessive. D'autre part, les fibres de verre employées seules, même souks forme de tresses, laissent suinter les substances pour lesquelles l'étanchéité doit être obtenue et, par suite du frottement mécanique s'exer çant entre les fibres adjacentes, le verre est rapidement réduit en poussière.
Le présent matériau de garniture étend les limites pratiques de température entre lesquelles il peut être utilisé puisque, bien que la limite supérieure soit le niveau de résistance à la température du polytétrafluoro- éthylène lui-même,
le tressage de fibres de verre conduit la chaleur loin des surfaces sur lesquelles elle est .engen drée et tend ainsi à maintenir une température inférieure à celle pouvant entraîner une détérioration du polytétra- fluoroéthylène. Les fibres de verre relativement longues, c'est-à-dire mesurant plus de 25 mm et généralement de 200 à 375 mm, s'étendent de l'intérieur à l'extérieur de la garniture et effectuent normalement plusieurs révolutions autour de celle-ci,
ménageant ainsi des canaux pour la chaleur entre les points intérieurs de la garniture et sa surface extérieure. Dans la gamme .des basses tempéra tures, les propriétés mécaniques du présent mode de réali sation permettent l'emploi de la garniture dans des condi tions où le polytétrafluoroéthylène seul ne donnerait pas satisfaction.
Dans une réalisation de la présente invention, un matériau de garniture est formé en imprégnant des fibres de verre tressées avec du polytétrafluoroéthylène (ou avec du monochlorofluoroéthylène polymérisé) et en uti lisant ensuite celui-ci comme une âme que l'_on entoure d'une gaine constituée par des filaments tressés de poly- tétrafluoroéthylène (ou de monochlorofluoroéthylène). Les tresses extérieures sont normalement imprégnées, ul térieurement,
de fluoroéthylène polymérisé de la façon dont il a été procédé pour l'âme.
Une telle structure est particulièrement avantageuse du fait que la gaine extérieure de polytétrafluoroéthylène réalise une lubrification tendant à réduire le dégagement de chaleur dû aux frottements.
Ce mode de réalisation, consistant à recouvrir l'âme élastique en fibres de verre, traitée par le polymère, d'une gaine de fibres de poly mère pur, ultérieurement imprégnée, est avantageux dans tous les cas où le fluide pour .lequel l'étanchéité doit être réalisée peut être nuisible pour le verre sans l'être pour le polymère de fluoroéthylène.
Il est préférable d'utiliser des fibres de verre tressées formées d'un certain nombre de fibres individuelles, sur tout lorsque chacune est déjà formée d'un faisceau de fils toronnés. Les filés peuvent alors être tressés de la manière classique et soumis à l'imprégnation par le poly- tétrafluoroéthylène. La pratique de ce procédé permet de conférer une élasticité supplémentaire au matériau de garniture.
Les différents aspects et modifications de la présente invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, d'exemples de réalisation et du dessin d'accompagnement dans lequel la fig. 1 représente la .structure d'un matériau pour garnitures d'étanchéité dans lequel les fibres de verre tressées sont imprégnées de polytétrafluoroéthylène ;
la fig. 2 représente une structure dans laquelle une âme de fibres de verre tressées imprégnée de polytétra- fluoro6thylène est utilisée en combinaison avec une gaine de polytétrafluoroéthylène pour former un matériau de garniture.
Ainsi qu'on peut le voir sur la fig. 1, la structure de base 10 est constituée de longues fibres de verre tressées 11 imprégnées de particules de polytétrafluoroéthylène, les particules de polymère entourant les tresses de fila ments de verre et pénétrant dans les interstices entre les fibres.
Les tresses de fibres de verre a et b peuvent être obtenues par l'une quelconque des techniques classiques mais il est toutefois préférable de commencer par to- ronner des fibres de verre individuelles relativement lon gues pour former un câble de tressage et d'imbriquer ensuite celui-ci avec d'autres fibres toronnées pour ob tenir la structure tressée.
Un procédé particulièrement préféré consiste à prendre des fibres de verre to-ronnées individuellement et à réunir un certain nombre de celles- ci en un faisceau toronné qui sera utilisé pour former les tresses a ou b. Suivant un autre mode de réalisation, les fibres individuelles, ou en faisceau, peuvent être impré gnées avant le tressage et .les tresses soumises ensuite à une nouvelle imprégnation.
Les tresses peuvent être obtenues par l'une quelcon que des techniques classiques, toutefois les tresses car rées sont préférées pour la structure de base de fibres de verre imprégnées (et les tresses superposées pour la gaine de polytétrafluoroéthylène si celle-ci est utilisée).
Lorsque la structure tressée a été obtenue, celle-ci est imprégnée normalement en utilisant une dispersion ou suspension aqueuse de polytétrafluo:roéthylène conte nant généralement le polytétrafluoroéthylène à raison de 30 _à 70 % de la composition totale et 1 à 10 a/o en poids par rapport à celui du polytétrafluoroéthylène d'un agent mouillant primaire. L'agent mouillant peut tout aussi bien être un agent auxiliaire.
Comme agents mouil lants, on peut utiliser .le sel de sodium d'un ester sulfu rique d'un monoalcool tel que l'alcool laurylique et- l'oc- tyl phényl polyglycol éther. Comme agent de dispersion auxiliaire, on peut utiliser le sel de butylamine de l'acide dodécyl benzène sulfonique.
Les fibres de verre tressées sont immergées dans la dispersion de polytétrafluoroéthylène durant une période comprise entre 10 secondes et 10 minutes environ et, de préférence, entre 15 secondes et 5 minutes, suivant les dimensions .de la garniture, à une température convena ble comprise, par exemple, entre 10 C et 650 C, pour obtenir leur imprégnation. Normalement, les fibres de verre tressées et imprégnées contiendront des particules solides de polytétrafluoroéthylène à raison de 10 à 50 %, et de préférence de 30 à 45 %, de leur poids.
Les fibres de verre imprégnées et tressées sont ensuite séchées à une température pouvant varier de 20 à 1200 C environ, l'abandon à la température ambiante ou le balayage avec un gaz chauffé entre 65 et 90 C environ pouvant être commodément employés. Si besoin, l'opération d'im prégnation peut être répétée et suivie d'un nouveau sé chage.
Les fibres de verre tressées et imprégnées sont ensuite amenées à leurs dimensions finales, de préférence par une opération de calandrage, bien que d'autres procédés tels qu'un formage dans lequel la mise en forme résulte de la pression de la matrice, puissent être utilisés. L'opé ration de calandrage amène la garniture à ses dimensions finales et aplanit ou lisse ses surfaces extérieures. Elle est normalement effectuée sur une machine comportant deux rouleaux montés sur des arbres parallèles et tour nant dans des directions opposées.
L'écartement des rou leaux et l'écartement de deux plaques latérales définis sent les dimensions de la garniture.
Pour la fabrication de la structure de garniture repré sentée sur la fig. 2 et dans laquelle ,les tresses de fila ments de verre imprégnées sont contenues par une gaine tressée de polytétrafluoroéthylène, on emploie le procédé décrit ci-dessous.-- Les fibres de verre tressées sont imprégnées avec le polytétrafluoroéthylène et séchées de la manière indiquée ci-dessus.
Les filaments de polytétrafluoroéthylène sont ensuite enroulés autour de l'âme en fibres de verre de façon à former une structure de polytétrafluoroéthylène autour de celle-ci. Cette opération est généralement effec tuée suivant la technique des tresses superposées dans laquelle une série de tubes sont superposés, le plus petit étant tressé sur l'âme. La structure obtenue est ensuite immergée dans la suspension de polytétrafluoroéthylène de façon à réaliser l'imprégnation des tresses extérieures sensiblement de la même façon que lors du formage de l'âme intérieure.
La garniture résultante<B>100,</B> représentée sur la fig. 2, comprend ainsi les tresses de polytétrafluoro- éthylène c et d entourant l'âme de base 103 en fibres de verre tressées, laquelle est constituée par les fibres de verre tressées 101 imprégnées avec les particules de poly- tétrafluoroéthylène 102, les lettres e et f désignant la structure de fibres de verre tressées.
Les réalisations suivantes de l'invention sont décrites simplement à titre d'exemples.
<I>Exemple 1:</I> Un fil standard de fibres de verre toronnées ayant la composition suivante est employé
EMI0003.0011
% <SEP> en <SEP> poids
<tb> Bioxyde <SEP> de <SEP> silicium <SEP> ... <SEP> ................... <SEP> .... <SEP> . <SEP> 60 <SEP> à <SEP> 65
<tb> Oxyde <SEP> d'aluminium <SEP> ..... <SEP> ....... <SEP> ..2 <SEP> à <SEP> 6
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> bore <SEP> . <SEP> . <SEP> .. <SEP> ... <SEP> .. <SEP> .. <SEP> 2 <SEP> à <SEP> 7
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> sodium <SEP> et <SEP> potassium <SEP> . <SEP> 8 <SEP> à <SEP> 12
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> magnésium <SEP> et <SEP> oxyde <SEP> de
<tb> calcium <SEP> ............ <SEP> ... <SEP> ... <SEP> . <SEP> .. <SEP> .. <SEP> .. <SEP> 15 <SEP> à <SEP> 20 Les fibres individuelles ont une longueur de 200 à, 375 mm.
Le diamètre moyen du filament est de 7 mi crons.
Pour réaliser une garniture carrée de 12,5 mm, on uti lise un brin unique composé de 5 fils individuels toron- nés (fils individuels de 20 000 mètres au kilo). 39 de ces torons sont torsadés en un faisceau et l'on garnit 8 bobi nes qui prennent place sur une machine à tresser en sec tion carrée qui fournira une structure approximativement carrée dont la section transversale sera d'environ 12,5 mm.
Les fibres de verre tressées sont immergées dans une dispersion de polytétrafluoroéthylène contenant environ 60 % de celui-ci, en poids, et 6 % d'agent mouillant en poids par rapport au poids de polytétrafluoroéthylène, le complément étant constitué par de l'eau. Pour une gar niture de 12,5 mm, le temps d'immersion est de deux minutes.
La garniture est ensuite séchée à l'air et calibrée à ses dimensions. <I>Exemple 2:</I> Le présent exemple est relatif à la réalisation d'une garniture de 12,5 mm gainée de polytétrafluoroéthylène tressé.
On emploie un fil standard de fibres toronnées tel que décrit dans l'exemple 1, pour obtenir une âme de 6,25 mm. Onze fils sont toronnés en faisceau et enroulés sur une bobine. Huit bobines sont montées sur une ma chine à tresser en carré pour obtenir une âme approxi mativement carrée de 6,25 mm de côté. L'âme est alors plongée durant environ une minute dans une pâte cons tituée d'un suspensoïde de polytétrafluoroéthylène, anté rieurement décrit, et de mica.
Les dimensions moyennes de ce mica sont de 5 à 10 microns en diamètre et de 0,5 micron en épaisseur et sa composition est constituée approximativement par 48 % de silice, 33 % d'alumine, 1011/o de potasse, avec de faibles quantités d'autres matières.
Le mica et le suspensoïde de polytétrafluoro- éthylène sont mélangés en volumes égaux ou en poids et approximativement, à raison de 85 % de suspensoïde et de 15 % de mica.
Après séchage à l'air, à la température ambiante, pendant 24 heures, l'âme est calandrée pour obtenir la section transversale carrée de 6,25 mm. La gaine devant entourer l'âme est constituée avec du tétrafluoroéthylène. 28 fibres de 4050 deniers (540 filaments) sont toronnées en faisceau et enroulées sur les 8 bobines. L'âme anté rieurement préparée est utilisée comme centre et les fais ceaux de fibres sont tressés pour former la gaine exté rieure de la garniture.
La garniture assemblée est alors plongée dans le suspensoïde précédemment décrit durant approximati vement cinq minutes, puis séchée en air sec à la tempé rature ambiante durant environ 24 heures avant son calandrage pour obtenir sa mise en dimensions finale à 12,5 mm.
En général, la structure du matériau pour garniture suivant l'invention contient de 30 à 45 % en poids de polytétrafluo:roéthylène sous forme d'imprégnation de l'âme de fibres de verre tressées.
Il est évident que lors qu'une gaine de polytétrafluoroéthylène est aussi em ployée, le matériau total de la garniture contient une quantité de polytétrafluoroéthylène correspondante plus grande que le matériau de gainage. Le polymère d'im prégnation est sous forme non fibreuse et non durcie tandis que dans la réalisation de la fig. 2 il est sous forme fibreuse.