La présente invention se rapporte à un matériau composite présentant des comportements autolubrifiants. On connaît déjà des matériaux composites autolubrifiants à matrice polymère thermoplastique, destinés à être utilisés pour fabriquer des pièces soumises aux frottements. Généralement, ce type de matériau composite est constitué d'une matrice telle que le matériau polymère thermoplastique éventuellement renforcé par des fibres, et d'un ou plusieurs lubrifiants liquides ou solides. Puisque ce type de produits ne nécessite aucun lubrifiant externe supplémentaire, huile ou graisse, lors de son usage, il est de plus en plus demandé pour des raisons économiques et écologiques.

Par exemple, il a été proposé par Samyn et al. { Tribol Lett (2009) 36 :

135- 146) un matériau polymère thermoplastique comprenant des fibres courtes de carbone et un lubrifiant solide ou liquide. Toutefois, ce document révèle que, lorsque le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est utilisé comme lubrifiant solide interne, les propriétés mécaniques du matériau ont tendance à être dégradées, tandis que lorsque l'huile de silicone est utilisée comme lubrifiant liquide interne, le coefficient de friction du matériau reste relativement élevé.

La présente invention vise à apporter une solution aux problèmes techniques décrits ci-dessus, et son but est, non seulement d'obtenir un nouveau matériau polymère thermoplastique autolubrifiant se substituant aux produits déjà connus, présentant des inconvénients sur le plan mécanique ou de la lubrification, mais aussi de répondre aux besoins croissants des matériaux autolubrifiants.

Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est de fournir un nouveau matériau autolubrifiant plus performants, moins coûteux, et moins polluants.

Pour résoudre ce problème, la présente invention propose un matériau composite autolubrifiant comprenant un matériau polymère thermoplastique, des fibres, et des particules d'un lubrifiant solide. Les fibres et les particules de lubrifiant solide sont noyées à l'intérieure dudit matériau thermoplastique. Le lubrifiant solide est le polytétrafluoroéthylène (PTFE). Lesdites particules présentent un diamètre médian compris entre 0,1 μιτι et 20 μιτι.

On entend par « diamètre médian » des particules, la valeur (D ₅ o) du diamètre sur la distribution granulométrique, pour laquelle 50% des particules présentent un diamètre inférieur à cette valeur, et par conséquent, pour laquelle 50% des particules présentent un diamètre supérieur.

Les particules ne sont bien évidemment pas des sphères parfaites, aussi, le diamètre de particules considéré ici, est le diamètre équivalent. Il correspond au diamètre de la sphère qui se comporterait de manière identique à une particule lors de l'analyse granulométrie retenue.

En effet, jusqu'à présent, on considérait que les propriétés lubrifiantes s'amélioraient tout simplement en réduisant la dimension des particules de PTFE sous forme de particule utilisé en tant que lubrifiant interne dans un matériau composite comprenant du matériau polymère thermoplastique. Toutefois, il a été découvert que les propriétés lubrifiantes s'améliorent lorsque ces particules de PTFE présentent des dimensions, et en particulier leur diamètre, comprises à l'intérieur d'une certaine plage. En effet, il a été constaté que le diamètre des particules avait une forte influence sur le tribofilm formé à l'interface avec le matériau antagoniste. Ce phénomène est particulièrement remarquable lorsque le matériau comprend des fibres.

Au sens de la présente invention, on entend par « particules de PTFE », des produits solides pulvérulents du polytétrafluoroéthylène susceptibles de réduire le coefficient de friction entre les surfaces de deux corps entraînés en mouvement glissant l'un contre l'autre.

Les particules de PTFE doivent présenter un diamètre médian compris entre 0,1 μιτι et 20 μιτι. De préférence le diamètre médian des particules est compris entre 1 μιτι et 10μιτι, par exemple entre 1 μιτι et 7μιη. La dimension de particules peut être mesurée selon un procédé connu de l'homme du métier ; par ces exemple, suivant la méthode de test standard ASTM D4464 mettant en œuvre la diffraction de la lumière pour déterminer la distribution en dimension des poudres du PTFE. De manière encore plus avantageuse, le matériau composite autolubrifiant comprend au moins 10 % en poids, de préférence, entre 10 % et 30% en poids de PTFE.

Au sens de la présente invention, le terme « matériau polymère thermoplastique » signifie les matières polymères ramollissent et fondent sous l'effet de la chaleur, et durcissent en se refroidissant de manière réversible. De ce fait, le matériau polymère thermoplastique peut être retraité puis réutilisé contrairement aux polymères thermodurcissables. De plus, il ne dégage aucun gaz toxique pendant et/ou après le procédé de fabrication, ce qui permet de réduire l'impact sur l'environnement.

À titre d'exemple, on peut citer le polysulfure de phénylène (PPS), le polyamide (PA), le polyéthylène (PE), le polychlorure de vinyle (PVC), le polyéthylène téréphtalate (PET), le polypropylène (PP), le polycarbonate (PC) et le Polyacetal (POM). De manière avantageuse, ledit matériau polymère thermoplastique est le PPS.

En ajoutant des particules de PTFE présentant une dimension comprise entre 0,1 μιτι et 20 μιτι au matériau composite à base de PPS comprenant des fibres, on peut obtenir des effets synergiques significatifs, ce qui permet au matériau composite de ne plus contenir aucune huile lubrifiante.

On entend par le terme «fibres» au sens de la présente invention, des fibres susceptibles d'être mélangées dans le matériau polymère thermoplastique et présentant d'excellentes propriétés mécaniques améliorant la résistance du matériau composite autolubrifiant. Par exemple, les fibres peuvent être choisies parmi le groupe consistant en, les polyamides aromatiques aramides, le carbone et le verre.

De préférence, les fibres sont réalisées dans des matériaux de polyamide aromatique. À titre d'exemple, on peut citer le poly-(méta-phénylène- isophtalamide)(MPD-l), le poly-(para-phénylène-téréphtalamide) (PPD-T), le polyarylamide (PAA), le poly(métaxylène-adipamide), les polyphtalamides (PPA).

De préférence, les fibres de polyamide aromatique sont les fibres du type poly-(para-phénylène-téréphtalamide). Elles présentent, avantageusement, une longueur comprise entre 0.1 mm à 20 mm. De manière avantageuse, le matériau composite autolubrifiant comprend au moins 5 % en poids de fibres, de préférence entre 5 et 30 % en poids de fibres.

Le matériau composite autolubrifiant peut comprendre entre 0,5 et 2 % en poids de lubrifiant liquide. Au sens de la présente invention, on entend par « lubrifiant liquide », une huile synthétique ou naturelle se trouvant dans un état liquide à une température ambiante, comme les huiles d'esters, les huiles à base de polyalphaoléfines, les huiles de silicone et les huiles fluorées (perfluoropolyether).

De manière avantageuse, ledit lubrifiant liquide est une huile fluorée, de préférence une huile de type perfluoropolyether (PFPE).

Lorsque, le matériau composite autolubrifiant présente un lubrifiant liquide, il suffit d'ajouter moins de 10 % en poids de PTFE, plus précisément moins de 6 % en poids de PTFE.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication du matériau composite autolubrifiant, comprenant les étapes suivantes : on fournit un matériau polymère thermoplastique, des fibres et des particules de PTFE ci- dessus décrits ; on mélange ledit matériau polymère thermoplastique, lesdites fibres et lesdites particules de PTFE pour former un mélange de ceux-ci; et on forme des granulés à partir dudit mélange.

On comprend que les fibres tout autant que les particules de PTFE sont noyées dans ledit matériau polymère thermoplastique.

De préférence, le matériau polymère thermoplastique et les particules de PTFE sont mélangés dans une extrudeuse bi-vis co-rotative.

La température du mélange est idéalement comprise entre 200 et 350 °C. Les granulés ainsi obtenus peuvent être moulés sous forme de plaquettes par un procédé d'injection moulage connu de l'homme du métier.

Le matériau composite autolubrifiant selon l'invention peut être utilisé pour fabriquer des pièces soumises aux frottements en remplacement des pièces métalliques. Son application peut s'étendre, par exemple, à des engrenages, des paliers, des plaques d'usure, ou encore des poulies.

D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après des modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence à des exemples décrits ci-dessous.

Exemple 1 : Préparation de matériau composite selon l'invention

Pour obtenir le matériau composite autolubrifiant selon l'invention, on mélange à l'aide de l'extrudeuse bi-vis co-rotative CLEXTRAL BC21 avec une vitesse de rotation de vis entre 100 et 200 t/min et un débit entre 5-10 kg/h :

- 70% en poids de PPS (PPS-DSP-135P de chez DIC);

- 15% en poids de PTFE (HEROLUB 5 F de la société HEROFLON) dont le diamètre médian des particules est de 5 μιτι, 10% de particules présentent un diamètre inférieur à 1 μιτι (D ₁₀ =1 μιη), 90% de particules présentent un diamètre inférieur à 10 μιτι (D ₉₀ =10 μιτι);

- 15% en poids de Poly-(para-phenylene terephthalamide) commercialisé sous le nom de « Twaron 1488 » par TEIJIN.

La température du mélange était de l'ordre de 300 °C à 320 °C. Les granulés ainsi obtenus ont été moulés sous forme de plaque par un procédé standard d'injection moulage.

Exemple 2 : Préparation de matériau composite selon l'invention

Afin d'obtenir un autre exemple du matériau composite autolubrifiant selon l'invention, on mélange à l'aide de l'extrudeuse bi-vis co-rotative CLEXTRAL BC21 toujours avec une vitesse de rotation de vis entre 100 et 200 t/min et un débit entre 5-10 kg/h :

- 70% en poids de PPS (PPS-DSP-135P de la société DIC);

- 15% en poids de PTFE (Nanoflon 101 T de chez SHAMROCK) dont le diamètre médian des particules est de 0,2 μιτι.

- 15% en poids de Poly-(para-phenylene terephthalamide) commercialisé sous le nom de « Twaron 1488 » par TEIJIN.

La température du mélange était de l'ordre de 300 °C à 320 °C. Les granulés ainsi obtenus ont été moulés sous forme de plaque par un procédé standard d'injection moulage.

Exemple comparatif 1 : Préparation de matériau composite selon l'invention Pour obtenir un premier exemple comparatif, on mélange à l'aide de l'extrudeuse bi-vis co-rotative CLEXTRAL BC21 avec une vitesse de rotation de vis entre 100 et 200 t/min et un débit entre 5-10 kg/h : - 94 % en poids de PA 6. (Domamid 24 de la société Domo Chemicals);

- 5% en poids de PTFE (HEROLUB 5 F de chez HEROFLON) dont le diamètre médian des particules est de 5 μιτι, 10% de particules présente un diamètre inférieur à 1 μιτι (Ο-ι ₀ =1 μιτι), 90% de particules présente un diamètre inférieur à 10μιτι (D ₉₀ =1 Ομιτι);

- 1 % en poids d'huile fluorée de type PFPE commercialisé par la société

IKV.

La température du mélange était de l'ordre de 240 à 260 °C. Les granulés ainsi obtenus ont été moulés sous forme de plaque par un procédé standard d'injection moulage.

Exemple comparatif 2 : Préparation de matériau composite selon l'invention Pour obtenir un deuxième exemple comparatif, on mélange à l'aide de l'extrudeuse bi-vis co-rotative CLEXTRAL BC21 avec une vitesse de rotation de vis entre 100 et 200 t/min et un débit entre 5-10 kg/h :

- 94 % en poids de PA 6. (Domamid 24 de la société Domo Chemicals);

- 5% en poids de PTFE (Nanoflon 101 T de la société SHAMROCK) dont le diamètre médian des particules est de 0,1 μιτι. ;

- 1 % en poids d'huile fluorée de type PFPE commercialisé par la société IKV.

La température du mélange était de l'ordre de 240 °C à 260 °C. Les granulés ainsi obtenus ont été moulés sous forme de plaque par un procédé standard d'injection moulage.

Exemple comparatif 3 : Préparation de matériau composite selon l'essai comparatif

Pour obtenir un troisième exemple comparatif, on mélange à l'aide de l'extrudeuse bi-vis co-rotative CLEXTRAL BC21 toujours avec une vitesse de rotation de vis entre 100 et 200 t/min et un débit entre 5-10 kg/h :

- 70% en poids de PPS (PPS-DSP-135P de chez DIC);

- 15% en poids de PTFE (HEROLUB 30 de chez HEROFLON) dont le diamètre médian des particules est de 30 μιτι. ;

- 15% en poids de Poly-(para-phenylene terephthalamide) commercialisé sous le nom de « Twaron 1488 » par TEIJIN. La température du mélange était de l'ordre de 300 °C à 320 °C. Les granulés ainsi obtenus ont été moulés sous forme de plaque par un procédé standard d'injection moulage.

Exemple comparatif 4 : Préparation de matériau composite selon l'invention Pour obtenir le matériau composite autolubrifiant selon un quatrième exemple comparatif, on mélange à l'aide de l'extrudeuse bi-vis co-rotative CLEXTRAL BC21 avec une vitesse de rotation de vis entre 100 et 200 t/min et un débit entre 5-10 kg/h :

- 94 % en poids de PA 6. (Domamid 24 de la société Domo Chemicals);

- 5% en poids de PTFE (HEROLUB 30 de chez HEROFLON) dont le diamètre médian des particules est de 30 μιτι;

- 1 % en poids d'huile fluorée de type PFPE commercialisé par la société

IKV.

La température du mélange était de l'ordre de 240 °C à 260 °C. Les granulés ainsi obtenus ont été moulés sous forme de plaque par un procédé standard d'injection moulage.

Exemple comparatif 5 : Préparation de matériau composite selon l'essai comparatif

Pour obtenir un cinquième exemple comparatif, on mélange à l'aide de l'extrudeuse bi-vis co-rotative CLEXTRAL BC21 toujours avec une vitesse de rotation de vis entre 100 et 200 t/min et un débit entre 5-10 kg/h :

- 99 % en poids de PA 6. (Domamid 24 de la société Domo Chemicals); - 1 % en poids d'huile fluorée de type PFPE commercialisé par la société IKV.

La température du mélange était de l'ordre de 240 °C à 260 °C. Les granulés ainsi obtenus ont été moulés sous forme de plaque par un procédé standard d'injection moulage.

Essai sur l'efficacité de chaque matériau composite Des essais tribologiques ont été réalisés sur chaque plaque du matériau composite autolubrifiant à l'aide du tribomètre alternatif Plint TE-77 suivant la norme ASTM G-133 procédure A, en respectant les conditions suivantes :

- Mode de contact : bille/plan (bille en acier 100Cr6 et plaque en polymère)

- Charge appliquée : 25N et 50N

- Température : 22 +/- 3°C

- Humidité : 40 à 60% HR

- Amplitude : 10 mm

- Fréquence : 5 Hz pour mesure dynamique, et < 1 Hz pour mesure statique

- Milieu : à sec.

Résultats

Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau ci-dessous.

( s : Coefficient de frottement statique, k : Coefficient de frottement dynamique) Les résultats obtenus montrent que les matériaux composites autolubrifiants selon l'invention sont plus performants que l'exemple comparatif lorsque la charge appliquée est à 25N. Ces résultats permettent de mettre en évidence la performance du matériau composite autolubrifiant selon l'invention.