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CA 02422933 2003-03-20
WO 02/28981 PCT/CA01/01408
COMPOSITION HYDROPHOBE ET UTILISATION
SUR UN SUBSTRAT POUR PRÉVENIR LA FORMATION
DE GLACE ET LA CORROSION
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne des compositions ainsi qu'une méthode
d'application sur un substrat pour rendre ce dernier hydrophobe et empêcher la
formation et l'accumulation éventuelles de glace sur le substrat, ainsi que sa
corrosion. Plus particulièrement, l'invention concerne l'utilisation de
particules
de graphite ou de carbone cristallisé sous foime de composite dans lequel les
particules sont orientées selon le plan basal, pour rendre un substrat, par
exemple un cônducteur électrique, hydrophobe, et ainsi prévenir tous dégâts
causés par l'accumulation de glace ou la corrosion.
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TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les graphites naturel et artificiel se présentent sous forme de
paillette à deux cotés, dont le plan basal et un plan communément appelé
"edge". Ces produits, qui sont relativement peu coûteux et qui constituent de
bons lubrifiants, sont utilisés pour différentes applications dans l'industrie
de
l'acier et de l'automobile. Dans le domaine du stockage d'énergie, le
composite
graphite est connu pour son utilisation comme anode dans les piles
rechargeables ou lithium-ion. Dans les graphites, l'intercalation du lithiuin
se
fait à travers les plans "edge" et non à travers les plans basaux. Lors de la
fabrication des anodes, le procédé passe obligatoirement par l'étape du
calandrage, c'est-à-dire uh laminage. Cette étape, bien connue de l'homme de
l'art, a pour effet d'orienter les particules du graphite selon les plans
basaux, ce
qui rend la surface de l'anode lubrifiante. Dans l'industrie des piles,
l'ajout au
composite graphite de particules sphériques métalliques, carbone oti autre,
empêche l'orientation des plans basaux lors du calandrage. Les plans basaux
du graphite ont une caractéristique hydrophobe qui dépend de la cristallinité
du
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carbone utilisé. Afin d'augmenter cette cristallinité, on peut traiter le
carbone à
une température supérieure à 1800 C.
L'accumulation de glace sur les installations électriques ou autres
tels que les ponts, lumière de circulation, bateaux, etc., situées dans les
régions
nordiques constitue un problème majeur qui peut causer des dominages
considérables, non seulement sur place, mais sur l'ensemble du réseau. Une
telle accumulation, si elle n'est pas contrôlée, crée un poids excédentaire
qui
peut causer des défaillances sur le réseau électrique de transport et de
distribution, et ultimement entraîner de lourdes conséquences étant donné la
nature de moteur de l'économie et de la vie publique du réseau électrique. La
protection du réseau électrique ainsi que de toute autre installation exposée
à
l'accumulation de la glace devient donc primordiale. Les approches qui ont été
proposées dans le domaine de l'aviation pour empêcher l'accumulation de
glace sont de type mécanique, chiinique ou thennique. Le graphite a été
utilisé
dans l'approche thermique sous forme amorphe ("expanded"graphite).
Il existe donc un besoin de recourir à une technique à la fois
efficace et peu coûteuse permettant de protéger les lignes de distribution
électrique contre la formation de glace par temps froid et la corrosion.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour objet l'utilisation de la caractéristique lubrifiante
du graphite grâce à sa structure laminaire à deux plans, basal et "edge", et
autres substances de même propriété, pour mettre les réseaux électriques à
l'abri de la formation de glace et de la corrosion.
L'invention a aussi pour objet d'utiliser le plan basal du graphite qui
rend ce dernier hydrophobe dans la lutte contre la formation de glace et la
corrosion sur un substrat métallique.
Un autre objet de l'invention consiste à utiliser l'orientation
préférentielle basale des particules de graphite ou du carbone traité à haute
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température pour repousser l'eau de la surface d'un revêtement coinprenant du
graphite ou du carbone traité à haute température.
L'invention concerne une composition destinée à recouvrir un
substrat pour rendre ce dernier hydrophobe et/ou empêcher la forinâtion et
l'accumulation éventuelles de glace sur le substrat et la corrosion de ce
dernier.
La composition comprend des particules ainsi qu'un véhicule dans lequel les
particules sont incorporées, et est caractérisée en ce que les pai-ticules
comportent au moins une surface les rendant hydrophobes, et sont orientées
selon ladite surface quand elles sont incorporées dans le véhicule.
L'invention concerne aussi une métliode d'utilisation de cette
composition caractérisée en ce qu'on l'applique sur un substrat et l'on traite
la
composition ainsi appliquée pour en faire un revêtement lrydrophobe et
anticorrosif.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
La figure 1 est un schéma illustrant l'exfoliation du graphite; et
la figure 2 est un grossissement de particules de graphite exfolié,
montrant les plans basaux et "edge".
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Selon une réalisation préférée de l'invention les particules ont une
structure cristalline et possèdent au moins un plan de clivage qui les rend
llydrophobes. Par exemple, elles possèdent toutes un plan basal qui les rend
hydrophobes.
Avantageusement les particules comprennent du carbone cristallisé,
notamment du graphite ou du carbone traité à une températlire suffisamment
élevée pour le rendre cristallin lès particules étant orientées selon le plail
basal.
Si l'on utilise du graphite, il y a avantage à ce que ce dernier soit à un
grand
degré de pureté, notamment au moins 99,9%. Il est en effet souhaitable que le
graphite ne contienne pratiquement pas de substances provoquant la non
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conductivité, la corrosion, ou l'oxydation du substrat sur lequel il est
déposé. De
préférence, on utilisera un graphite exfolié.
Lorsqu'on utilise du graphite dans la composition selon l'invention, il
y a avantage à rendre les particules encore plus hydrophobes que ce que leur
procure le plan basal. Pour ce faire, on peut leur ajouter un composé fluoré
de
formule CxF,, où x et y sont des nombres entiers, notamment CF, C2F, C4F. Ce
composé peut diminuer l'effet négatif sur l'hydrophobie des particules
particulièrement au niveau des côtés "edge".
On obtiendrait les mêmes résultats en utilisant un composé de
formule MFZ où M représente un métal alcalin ou alcalino-terreux et z
représente 1 ou 2. Par exemple on pourra utiliser CaF2, BaF2, LiF ou un
mélange de ces derniers. Le graphite tel que purifié par le procédé décrit
dans le
document WO 2001/062666 montre à la surface la présence des composés
fluorés hydrophobes de type CaF2 et autres. Ce qui fait augmenter le taux
d'hydrophobicité en utilisant du graphite purifié par ce procédé mentionné
dans
ce brevet.
Les particules peuvent aussi être formées de fibres de carbone et elles
sont alors orientées dans le véhicule dans le sens de la longueur des fibres.
Le véhicule comprend avantageusement un polymère hydrophobe
capable de former un composite avec les particules.
En pratique, on préfère utiliser des particules de graphite ayant une
taille variant entre environ 0,5 m et 350 m, un degré de pureté variant
entre
95 et 99,99% et une distance interplanaire d002 variant de 3,35 à 3,40.
Selon une autre réalisation préférée de l'invention, la composition
comprend une dispersion des particules de graphite décrites dans le paragraphe
précédent dans une solution comprenant le polymère hydrophobe agissant de
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liant avec les particules pour constituer le composite. Avantageusement, le
graphite est présent dans la composition à raison de 5 à 95% en poids.
Selon une autre réalisation préférée de l'invention, le polymère
comprend du fluorure de polyvinylidène, du chlorure de polyvinyle, ou du
5 polytétrafluoroéthylène ou leur mélange.
La composition selon l'invention peut aussi comprendre une simple
dispersion des particules de graphite dans un copolymère statistiquement
distribué, notamment un copolymère d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de
propylène, à raison de 5 à 95% en poids.
La composition peut aussi comprendre une dispersion des particules
de graphite avec un liant, de préférence stable aux UV, destiné à constituer
le
composite. Ce composite est ensuite introduit dans un solvant pour constituer
une peinture. Par exemple, le liant peut comprendre un polyester, un
polyuréthanne, un polyacrylate ou une paraffine.
La composition peut aussi comprendre un additif favorisant
l'écoulement et la flottaison des particules de graphite selon l'orientation
basale,
notamment le Teflon ou un stéarate.
Une autre réalisation de l'invention, c'est que la composition
comprend notamment un mélange fusionné de poudre de graphite, de résine
polymère solide et stable vis-à-vis les UV, et des additifs solides, le
mélange
étant broyé et conditionné pour application par fusée électrostatique sur un
substrat métallique.
Selon une autre réalisation, le type du graphite utilisé est un graphite
exfolié. L'utilisation de ce graphite exfolié (figure 1), obtenu suivant la
méthode
décrite dans WO 2001/062666, dans le composite augmente la fraction des
surfaces
basaux et réduit celle des "edges" tel que détaillé dans le modèle (figure 2).
De plus,
l'ajout du CaF2 ou autre matériau hydrophobe peut être intéressant pour
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enrober les côtés "edge" restant afin d'avoir une surface totalement
hydrophobe.
Selon une autre réalisation préférée de 1'invention, on traite une
composition selon l'invention par flottaison, par pression ou par une
combinaison flottaison-pression afin d'obtenir l'orientation basale des
particules, et on applique la composition ainsi traitée sur un substrat de
façon
mécanique et/ou électrostatique pour en faire un revêtement hydrophobe et
anticorrosif.
Le choix du liant à utiliser dans le composite est iinportant, ce
dernier doit aussi avoir la caractéristique hydrophobe (TeflonTM, polyester,
paraffine ou autre liant). L'optimisation de la taille des particules du
graphite
joue un rôle important dans l'homogénéité du revêtement et dans l'aspect
hydrophobe, comme cela apparaîtra évident pour l'honune de l'art.
L'orientation de la particule de graphite selon le plan basal se fait par
flottaison
ou par pression exercée sur le composite.
Comme on l'a vu ci-dessus, le coinposite notanunent graphite-
polymère, peut être utilisé tel quel avec ou sans solvant, ou sous forme de
peinture, avec ou sans solvant.
Par exemple, si on désire l'utiliser avec un solvant, de la poudre de
graphite est dispersée dans une solution utilisant un liant dissout dans un
solvant ou un mélange de solvants. Le liant peut être de type fluoitire de
polyvinylidène (PVDF), cl-ilorure de polyvinyl (PVC), polytétrafluoroéthylène
(PTFE) ou autre. La composition peut comprendre de 5% à 95% massique de
graphite. L'épandage est fait sur un feuillard ou support par la métllode
Doctor
B1adeTM, suivi par le calandrage sur la même ligne. La surface du film devient
brillante, signe d'orientation des particules graphite en basal.
Si on préfère utiliser le composite sans solvant, on pourra par
exemple disperser de la poudre de graphite dans une solution polymère de type
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"random" copolymère de l'oxyde d'éthylène et de l'oxyde propylène PEO/PPO.
La composition du graphite peut varier entre 5% et 95% massique.
L'épandage est fait sur un feuillard ou support par la métllode Doctor
B1adeTM,
suivi par le calandrage sur la même ligne. La surface du film devient
brillante,
signe d'orientation des particules graphite en basal.
En mode peinture avec solvant, la méthode pourrait consister à
disperser de la poudre de graphite avec un liant de type polyester,
polyuréthanne, acrylate, paraffine ou autre liant stable aux UV, dans un
solvant. On ajoute à ce mélange des additifs pour améliorer l'écoulement et la
flottaison des particules de graphite selon l'orientation basale. Les additifs
sont de type liquide diluant ou de type polymère, tels que le TeflonTM,
stéarate
ou autre. Le pourcentage de graphite dépend de la conductivité désirée.
Une autre façon d'utiliser le mode peinttire est d'utiliser le
composite sans solvant. Par exemple, cette méthode consiste à mélanger et
fusionner de la poudre de graphite et de la résine polymère de type polyester,
polyuréthanne stable aux UV avec des additifs solides de type Teflon R,
stéarate ou autre. Ce mélange de graphite/résine est broyé en poudre. Ce
dernier doit être appliqué par fusée électrostatique sur un substrat
métallique.
Durant la fusion du polymère les particules de graphite s'alignent selon le
plan
basal.
EXEMPLES
L'invention va maintenant être illustrée par les exeinples qui suivent
donnés à la seule fin d'illustrer l'invention et sans caractère limitatif.
Exemple 1
Le liant PVDF est solubilisé dans le NMP (n-méthyl pyrrolidone).
Un mélange des solvants acétone/toluène à 80/20 est ajouté à la pâte PVDF-
NMP pour former la composition d'épandage. La poudre de graphite est
dispersée dans la composition d'épandage dans un ratio massique de 90:10. Ce
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mélange est appliqué sur un collecteur de cuivre par.la méthode Doctor
BladeTm. L'électrode est séchée par lampe infrarouge à 65 C, suivi par le
calandrage sur la même ligne de fabrication. La surface de ces films de
graphite possède des propriétés hydrophobes.
Exemple 2
Dans cet exemple, on prépare deux mélanges (A) et (B). Le
mélange (A) est composé de polyester, résine tllermoscellable et 20% de Ti02
et 2-6% massique de graphite. Le mélange (B) est composé d'une résine
thermoplastique et de 10 à 20% massique graphite. Les deux composés sont
extrudés et pulvérisés séparément. On mélange 85% du composé (A) avec
15% du composé (B). Cette poudre est appliquée par procédé électrostatique
sur un substrat. Ce dernier est exposé à la chaleur afin de fiisionner et
cuire la
poudre.
Bien que la présente invention ait été décrite à l'aide de mises en
oeuvre spécifiques, il est entendu que plusieurs variations et modifications
peuvent se greffer aux dites mises en o:,uvre, et la présente demandevise à
couvrir de telles modifications, usages ou adaptations de la présente
invention
suivant, en général, les principes de l'invention et incluant toute variation
de la
présente description qui deviendra connue ou conventionnelle dans le chainp
d'activité dans lequel se retrouve la présente invention, et qui peut
s'appliquer
aux éléments essentiels mentionnés ci-haut, en accord avec la portée des
revendications suivantes.
