EP1025171A1 - Method for coating electrically conductive particles by grafting a polymer layer and products resulting from said method - Google Patents

Method for coating electrically conductive particles by grafting a polymer layer and products resulting from said method

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Publication number
EP1025171A1
EP1025171A1 EP98951121A EP98951121A EP1025171A1 EP 1025171 A1 EP1025171 A1 EP 1025171A1 EP 98951121 A EP98951121 A EP 98951121A EP 98951121 A EP98951121 A EP 98951121A EP 1025171 A1 EP1025171 A1 EP 1025171A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
particles
grafting
cathode
dimethylformamide
polymer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98951121A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Robert Jerome
Lucien Martinot
Marc Mertens
Isabelle Bodart
Philippe Dubois
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Internationale de Participation et D'investissement Cipari SA
Original Assignee
Internationale de Participation et D'investissement Cipari SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Internationale de Participation et D'investissement Cipari SA filed Critical Internationale de Participation et D'investissement Cipari SA
Publication of EP1025171A1 publication Critical patent/EP1025171A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D13/00Electrophoretic coating characterised by the process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C09DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09DCOATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D5/00Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
    • C09D5/44Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes for electrophoretic applications
    • C09D5/4476Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes for electrophoretic applications comprising polymerisation in situ

Definitions

  • the present invention relates to a process for the formation of a coating on conductive particles by grafting a polymer and / or copolymer on these particles from a bath containing at least one monomer from which the polymer and / or copolymer is formed.
  • conductive particle relates as well to powders, granules, short fibers as to objects of relatively reduced size and any shape.
  • One of the essential aims of the present invention is to remedy the drawbacks of known coating methods and to present a method making it possible to form on electrically conductive particles a coating having perfect and uniform adhesion so that these particles thus coated or coated materials are particularly suitable for the manufacture of composites loaded with such conductive particles.
  • the process according to the invention therefore aims to cover the particles with a stable layer of polymer capable of dispersing them in a stable and homogeneous manner in a conductive or non-conductive polymer matrix, provided of course that it is ensured that this matrix and the polymer coating the particles are miscible, even mutually reactive.
  • the grafting is carried out by an electrochemical reduction of said monomer in an electrolysis bath, in which at least one cathode and an anode are provided and containing an aprotic solvent, a support electrolyte and or the monomers required to form, by polymerization or copolymerization, the coating by putting the particles in suspension and in movement in the above-mentioned bath in such a way as to create an intermittent contact of said particles with the cathode, and to form, by polymerization or copolymerization , the coating on the particles by the application of a potential or a current bringing the reaction system into a passivation zone corresponding to the peak of inhibition detected by voltammetry, the cathode remaining insensitive to said polymerization or copolymerization during l application of the above potential or current.
  • FIG. 1 shows, by way of example, the passivation zone on a typical voltammogram of a cathode of the same kind as that of particles to be covered.
  • Figure 2 is a schematic elevational view of an electrochemical cell allowing the implementation of the method according to the invention, in which the electrodes have been omitted.
  • Figure 3 is a top view of this same cell.
  • Figure 4 is a partial vertical section, on a larger scale of two electrodes mounted in the cell of the previous figures.
  • FIG. 5 is a front view of a plate forming a working cathode in the embodiment according to FIG. 4.
  • FIG. 6 is a graph showing an endotherm specific to the cyclization of polyacrylonitrile on graphite carbon powder.
  • FIG. 7 is a graph showing the percentage by weight of polymer grafted on carbon black as a function of the electrolysis time.
  • FIG. 8 is a graph similar to that of FIG. 7 relating to two different types of carbon particles.
  • the proposed method is characterized by an electrografting of a monomer unit which then acts as the initiator of the polymerization.
  • the application of the process according to the invention therefore requires refined control of the electrolysis conditions: it is necessary to work only in the region of peak I (inhibition peak) in order to obtain a homogeneous grafting of the polymer on the cathode.
  • this condition can be achieved using two techniques. Potentiostatic electrolysis where the potential of the cathode is fixed relative to a reference electrode in the area of peak I and galvanostatic electrolysis where the polymerization current is fixed at a value lower than the maximum current (ip) defined in voltammetry .
  • the current density is adjusted as a function of the average diameter of the particles to be coated and the dynamic stirring conditions of so as not to exceed a current corresponding to the first peak I located on the fixed electrode.
  • the originality of the process is the production of intermittent contacts between conductive particles to be covered and a fixed cathode chosen from a conductive material on which the grafting of a polymer according to the process according to the invention is impossible.
  • a cathode chosen from a conductive material on which the grafting of a polymer according to the process according to the invention is impossible.
  • zinc, tin or even silicon carbide (SiC) can be used as cathode in the process.
  • Intermittent contact is ensured by temporarily bringing the particles into contact with the cathode either by a usual method of stirring a liquid such as a propeller mixer, magnetic stirrer, ultrasonic field, or by mechanical movement of the cathode, such as rotation, oscillation or vibration.
  • an enveloping cathode which can serve as an electrolytic cell, itself set in motion.
  • each particle statistically comes into contact with the working electrode with renewed spatial orientations.
  • the monomer is polarized and an electronic transfer with the electrode is transiently established: this step is the necessary and sufficient condition for the polymerization to begin.
  • the stirring brings the particle back to the solution where the polymerization will continue chemically since the monomer is available there.
  • the polarization of the cathode no longer occurs at the level of the particle. This was not necessarily covered in its entirety at the first contact with the cathode but it could be during subsequent contacts between the non-covered parts of the particle and the cathode which always remains polarized under the conditions of potential specified above.
  • the monomer / solvent pair must be carefully chosen.
  • All these solvents belong to the class of aprotic solvents in which grafting is possible.
  • the choice of the support electrolyte has, in principle, no fundamental influence on the grafting but it is preferable to use a support electrolyte which does not bring residual water of the solvent in the double layer of the coating formed on the particles.
  • the shape and the volume of the electrolysis cell used for the implementation of the process according to the invention are determined by the nature of the particles to be covered and by the choice of the type of intermittent particle / cathode contact.
  • the electrolysis cell as shown in FIGS. 2 to 4, comprises an enclosure 1 containing a solution formed by a solvent, a monomer or a mixture of comonomers, an electrolyte and conductive particles in suspension .
  • a magnetic bar 2 rotating around a vertical axis to thereby ensure the homogeneity of the solution and the setting in motion of the conductive particles to be coated with a polymer.
  • the upper part of this enclosure 1 has three internally ground conical housings 3, 4 and 5 in which electrodes are suspended, in particular a central working electrode 6, a counter electrode 8 and a reference electrode 8 '.
  • the working electrode 6 comprises at its free end a plate, for example zinc, (50 ⁇ 50mm, thickness 0.5mm) perforated as shown in detail in Figure 5.
  • the number of holes as well as their diameter is not critical provided that a free circulation of the suspension is ensured and that the particle / zinc contact time is long enough to allow the particles to polarize at the potential applied to the cathode.
  • This plate 7 is suspended by a clamp 9 from a conductor 10. which extends inside, in the axis, of a glass sleeve 11, the upper opening 12 of which is closed by a plug of epoxy adhesive 13.
  • the sleeve 11 has a lapped conical outer wall 14 which fits in a substantially sealed manner in the housing 4 of the enclosure 1.
  • the reference electrode 8 ′ and the counter electrode 8 are of the same construction and comprise a platinum sheet wound in the form of a cylinder 15 having an area of the order of 10 cm 2 .
  • This cylinder 15 is suspended from a conductor 16 extending in the axis of a glass sleeve 17 closed at its upper end 18 by a plug of epoxy adhesive 19.
  • the electrodes 8 and 8 ′ have a conical outer wall 20 which fits tightly in the corresponding housings 3 and 5 of the enclosure 1.
  • the working electrode 7 may for example be formed by a bar of silicon carbide, for example 2 mm in diameter and 2 cm in length, or else by a tin bar.
  • the counter-electrode ensuring the passage of the current must be inert: it is produced for example from platinum or from vitreous carbon. If electrolysis under potentiostatic conditions is preferred, the reference electrode is either a standard electrode for organic media (Ag / AgCIO t / solvent) or a pseudo-reference of platinum.
  • the manipulations are carried out in a protected atmosphere, away from oxygen and water with for example a water content of the order of 5 to 50 ppm.
  • EXAMPLE 1 Grafting of Polyethylacrylate (PAE) on Graphite Carbon Powder
  • PAE Polyethylacrylate
  • AE ethyl acrylate
  • SiC silicon carbide
  • the electrochemical technique used is chronopotentiometry.
  • the electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents:
  • ethyl acrylate ethyl acrylate
  • Zn zinc electrode
  • the electrochemical technique used is chronoamperometry.
  • the electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents:
  • a constant potential of -1.7 V is applied to the Zn electrode for 21 hours; this potential corresponds to the potential of the first peak.
  • Carbon polarization is ensured by stirring the solution.
  • the presence of PAE is demonstrated macroscopically, as described in the first example.
  • the percentage by weight of the polymer grafted onto the powder is determined by TGA (thermal gravimetry analysis), and amounts to 28% of the total weight of the composite.
  • grafting and electropolymerization of acrylonitrile (AN) are also carried out on the surface of graphite particles.
  • the electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) of 50 ⁇ 50mm pierced with holes of 2 mm in diameter.
  • Zn zinc electrode
  • the electrochemical technique used is chronoamperometry.
  • the electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents:
  • Example 4 Grafting of polyacrylonitrile (PAN) and polyethylacrylate (PAE) on carbon black.
  • PAN polyacrylonitrile
  • PAE polyethylacrylate
  • the electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) pierced with 2 mm holes diameter.
  • Zn zinc electrode
  • the electrochemical technique used is chrono-amperometry.
  • the electrolysis baths are prepared on the basis of the following constituents: 1) AN bath
  • a constant potential of -2.2 V (first peak) is applied to the Zn electrode for 15, 30, 60 and 100 minutes in the AN bath, and a potential of -1.7 V ( first peak) for 15, 30, 60 and 120 minutes in the AE bath.
  • Carbon polarization is ensured by stirring the solution.
  • the various carbon samples are then washed several times with DMF, solvent for PAN and PAE, so as to extract any non-grafted polymer.
  • the grafted PAE sample is also freed of ungrafted PAE by extraction with THF in a Soxhlet apparatus.
  • the percentage by weight of the grafted polymers is determined by TGA (thermal gravimetry analysis).
  • FIG. 7 shows the percentage by weight of polymer grafted on carbon black as a function of the electrolysis time.
  • Example 5 Grafting of polyethyl acrylate (PAE) on carbon black and on graphite carbon powder.
  • PAE polyethyl acrylate
  • the electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) pierced with 2 mm diameter holes.
  • Zn zinc electrode
  • the electrochemical technique used is chronoamperometry.
  • the electrolysis baths are prepared on the basis of the following constituents:
  • Example 6 Grafting of polyacrylonitrile (PAN) on metallic powder.
  • PAN polyacrylonitrile
  • the PAN is grafted onto the surface of metallic nickel powder.
  • the electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) pierced with 2 mm diameter holes.
  • Zn zinc electrode
  • the electrochemical technique used is chronoamperometry.
  • the electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents:
  • a constant potential of -1.7 V (first peak potential) is applied to the electrode of Zn for 30 minutes.
  • the metal particles are polarized by stirring the solution.
  • the carbon is then washed several times with DMF, solvent for the PAN, so as to extract the ungrafted PAN.
  • the percentage by weight of the grafted polymer determined by TGA (thermal gravimetry analysis), amounts to 10%.
  • Example 7 Grafting of polyethyl acrylate (PAE) on short carbon fibers.
  • ethyl acrylate ethyl acrylate
  • short carbon fibers the latter not being directly polarized by permanent contact.
  • the electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) pierced with 2 mm diameter holes.
  • Zn zinc electrode
  • the electrochemical technique used is chronoamperometry.
  • the electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents: - 200 ml of DMF dried over P 2 O 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
  • a constant potential of -1.7 is applied to the electrode of Zn V (first peak potential) for 21 hours.
  • the polarization of the short carbon fibers is ensured by the stirring of the solution.
  • the presence of PAE is demonstrated macroscopically by the stickiness of the polymer even after repeated extraction with a good solvent for the polymer, and also microscopically by SEM (electron scanning mieroscopy).
  • the percentage by weight of the polymer is determined by TGA ("thermal gravimetry analysis"), 52% is obtained.

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Abstract

The invention concerns a method for forming a coat on conductive particles by grafting a polymer and/or a copolymer on said particles from a bath containing at least a monomer from which said polymer and/or copolymer is formed. The method consists in producing said grafting by electrochemical reduction of said monomer in an electrolytic solution, wherein are provided at least a cathode and an anode and containing an aprotic solvent, a support-electrolyte and the monomer(s) required for polymerising or copolymerising the coat by suspending the particles and moving said solution so as to produce an intermittent contact between said particles and the cathode, and to form, by polymerisation or copolymerisation, the coat on the particles by applying an appropriate potential.

Description

"Procédé pour l'enrobage de particules conductrices de l'électricité par greffage d'une couche polymère et produits issus de ce procédé""Process for the coating of electrically conductive particles by grafting a polymer layer and products resulting from this process"
La présente invention est relative à un procédé pour la formation d'un revêtement sur des particules conductrices par le greffage d'un polymère et/ou copolymère sur ces particules à partir d'un bain contenant au moins un monomère à partir duquel le polymère et/ou copolymère est formé. L'expression "particule conductrice" porte aussi bien sur des poudres, des granules, des fibres courtes que sur des objets de taille relativement réduite et de forme quelconques.The present invention relates to a process for the formation of a coating on conductive particles by grafting a polymer and / or copolymer on these particles from a bath containing at least one monomer from which the polymer and / or copolymer is formed. The expression "conductive particle" relates as well to powders, granules, short fibers as to objects of relatively reduced size and any shape.
La préparation de matériaux composites comprenant une matrice polymère dans laquelle sont dispersées de manière homogène des particules conductrices de l'électricité, est limitée actuellement par l'instabilité de l'interface charge conductrice/polymère. Pour pallier cet inconvénient, plusieurs procédés font appel à un enrobage préliminaire des charges par une composante organique qui assurera, au moins partiellement, l'accrochage des particules à la matrice polymère du composite.The preparation of composite materials comprising a polymer matrix in which electrically conductive particles are homogeneously dispersed is currently limited by the instability of the conductive charge / polymer interface. To overcome this drawback, several methods call for a preliminary coating of the charges with an organic component which will ensure, at least partially, the attachment of the particles to the polymer matrix of the composite.
En réalité, cette démarche n'apporte qu'une solution très limitée à la stabilité du composite final puisque le problème de l'adhérence particule conductrice/matrice polymère se trouve reporté vers l'interface particule conductrice/couche d'enrobage.In reality, this approach provides only a very limited solution to the stability of the final composite since the problem of the adhesion of the conductive particle / polymer matrix is transferred to the interface of the conductive particle / coating layer.
Une amélioration des procédés connus a notamment été décrite en 1995 par N. Tsubokawa et S. Hayashi (J.M.S.- Pure Appl.Chem., 1995, A32, 525-535) qui concerne le greffage chimique de polymères sur une poudre de carbone préalablement oxydée par de l'acide nitrique, de manière à former en surface des groupes fonctionnels OH, COOH et C=O. Le greffage du polymère a lieu en deux étapes: greffage du groupe fonctionnel puis accrochage chimique du polymère. Le greffage du polymère n'est pas contrôlable puisque la densité des chaînes greffées est limitée par la densité superficielle des groupes fonctionnels qui est par ailleurs aléatoire. La stabilité de la fixation du polymère n'est pas vraiment assurée puisque, dans certains cas, ce sont des fonctions "ester" hydrolysables qui assurent la liaison graphite/polymère. Enfin, ces auteurs utilisent soit des monomères dont la polymérisation est amorcée par le groupe fonctionnel greffé, soit des chaînes polymères déjà formées dont la taille limite l'accessibilité au substrat.An improvement of the known methods was notably described in 1995 by N. Tsubokawa and S. Hayashi (JMS-Pure Appl. Chem., 1995, A32, 525-535) which relates to the chemical grafting of polymers on a carbon powder previously oxidized by nitric acid, so as to form on the surface functional groups OH, COOH and C = O. The grafting of the polymer takes place in two stages: grafting of the functional group then chemical attachment of the polymer. The grafting of the polymer is not controllable since the density of the grafted chains is limited by the surface density of the functional groups which is otherwise random. The stability of the fixing of the polymer is not really ensured since, in certain cases, it is hydrolysable "ester" functions which ensure the graphite / polymer bond. Finally, these authors use either monomers, the polymerization of which is initiated by the grafted functional group, or polymer chains already formed, the size of which limits the accessibility to the substrate.
Un des buts essentiels de la présente invention est de remédier aux inconvénients des procédés d'enrobage connus et de présenter un procédé permettant de former sur des particules conductrices d'électricité un revêtement présentant une adhérence parfaite et uniforme de sorte que ces particules ainsi revêtues ou enrobées conviennent particulièrement pour la fabrication de composites chargés par de telles particules conductrices.One of the essential aims of the present invention is to remedy the drawbacks of known coating methods and to present a method making it possible to form on electrically conductive particles a coating having perfect and uniform adhesion so that these particles thus coated or coated materials are particularly suitable for the manufacture of composites loaded with such conductive particles.
Le procédé suivant l'invention vise donc à recouvrir les particules d'une couche stable de polymère susceptible de les disperser de manière stable et homogène dans une matrice polymère conductrice ou non conductrice pour autant bien entendu que l'on veille à ce que cette matrice et le polymère enrobant les particules soient miscibles, voire mutuellement réactifs.The process according to the invention therefore aims to cover the particles with a stable layer of polymer capable of dispersing them in a stable and homogeneous manner in a conductive or non-conductive polymer matrix, provided of course that it is ensured that this matrix and the polymer coating the particles are miscible, even mutually reactive.
A cet effet, suivant l'invention, on réalise le greffage par une réduction électrochimique dudit monomère dans un bain d'électrolyse, dans lequel sont prévues au moins une cathode et une anode et contenant un solvant aprotique, un électrolyte-support et le ou les monomères requis pour former, par polymérisation ou copolymerisation, le revêtement en mettant les particules en suspension et en mouvement dans le bain susdit d'une manière telle à créer un contact intermittent desdites particules avec la cathode, et à former, par polymérisation ou copolymerisation, le revêtement sur les particules par l'application d'un potentiel ou d'un courant amenant le système réactionnel dans une zone de passivation correspondant au pic d'inhibition décelé par voltampérométrie, la cathode restant insensible à ladite polymérisation ou copolymerisation lors de l'application du potentiel ou courant susdit.To this end, according to the invention, the grafting is carried out by an electrochemical reduction of said monomer in an electrolysis bath, in which at least one cathode and an anode are provided and containing an aprotic solvent, a support electrolyte and or the monomers required to form, by polymerization or copolymerization, the coating by putting the particles in suspension and in movement in the above-mentioned bath in such a way as to create an intermittent contact of said particles with the cathode, and to form, by polymerization or copolymerization , the coating on the particles by the application of a potential or a current bringing the reaction system into a passivation zone corresponding to the peak of inhibition detected by voltammetry, the cathode remaining insensitive to said polymerization or copolymerization during l application of the above potential or current.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée, ci-après à titre d'exemples non limitatifs, de quelques formes de réalisation particulières du procédé suivant l'invention avec référence aux dessins annexés. La figure 1 montre, à titre d'exemple, la zone de passivation sur un voltampérogramme typique d'une cathode de même nature que celle de particules à recouvrir.Other details and particularities of the invention will emerge from the description given, hereinafter by way of nonlimiting examples, of some particular embodiments of the method according to the invention with reference to the appended drawings. FIG. 1 shows, by way of example, the passivation zone on a typical voltammogram of a cathode of the same kind as that of particles to be covered.
La figure 2 est une vue schématique en élévation d'une cellule électrochimique permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, dans laquelle les électrodes ont été omises.Figure 2 is a schematic elevational view of an electrochemical cell allowing the implementation of the method according to the invention, in which the electrodes have been omitted.
La figure 3 est une vue d'en haut de cette même cellule. La figure 4 est une coupe partielle verticale, à plus grande échelle de deux électrodes montées dans la cellule des figures précédentes. La figure 5 est une vue de face d'une plaquette formant cathode de travail dans la forme de réalisation suivant la figure 4.Figure 3 is a top view of this same cell. Figure 4 is a partial vertical section, on a larger scale of two electrodes mounted in the cell of the previous figures. FIG. 5 is a front view of a plate forming a working cathode in the embodiment according to FIG. 4.
La figure 6 est un graphique montrant un endotherme propre à la cyclisation du polyacrylonitrile sur poudre de carbone graphite. La figure 7 est un graphique montrant le pourcentage en poids de polymère greffé sur du noir de carbone en fonction du temps d'électrolyse.FIG. 6 is a graph showing an endotherm specific to the cyclization of polyacrylonitrile on graphite carbon powder. FIG. 7 is a graph showing the percentage by weight of polymer grafted on carbon black as a function of the electrolysis time.
La figure 8 est un graphique analogue à celui de la figure 7 relatif à deux types de particules de carbone différentes.FIG. 8 is a graph similar to that of FIG. 7 relating to two different types of carbon particles.
Dans les différentes figures les mêmes chiffres de référence concernent les mêmes éléments.In the different figures, the same reference numbers relate to the same elements.
D'une façon générale, le procédé suivant l'invention se différencie de l'état antérieur de la technique par l'ensemble des points suivants :In general, the method according to the invention differs from the prior art by all of the following points:
- greffage électrochimique direct du polymère sur le substrat conducteur, c'est-à-dire sans maillon intermédiaire ;- direct electrochemical grafting of the polymer onto the conductive substrate, that is to say without an intermediate link;
- le greffage n'a lieu que sous contrôle rigoureux du potentiel appliqué;- grafting takes place only under strict control of the potential applied;
- contact intermittent entre les particules à recouvrir et l'électrode de travail (cathode) qui reste inerte vis à vis du greffage.- intermittent contact between the particles to be covered and the working electrode (cathode) which remains inert with respect to grafting.
En fait, le procédé proposé se caractérise par un électrogreffage d'une unité monomère qui agit ensuite comme entité d'amorçage de la polymérisation.In fact, the proposed method is characterized by an electrografting of a monomer unit which then acts as the initiator of the polymerization.
Plus particulièrement, il s'est avéré, suivant l'invention, qu'il est possible, d'une façon imprévisible en présence de l'état antérieur de la technique relatif à l'enrobage de particules conductrices par un polymère, d'obtenir un tel enrobage, parfaitement stable et homogène, dans un bain d'électrolyse contenant le monomère, un solvant aprotique et un électrolyte-support, par une réduction électrochimique de ce monomère, induite à l'occasion d'un contact intermittent desdites particules avec une cathode agencée dans ce bain, ceci pour autant qu'un potentiel ou un courant bien déterminé soit appliqué à la cathode et que cette dernière reste insensible à la polymérisation du monomère lors de l'application de ce potentiel ou courant bien déterminé. En effet, comme montré à la figure 1 , avant la réduction du solvant ou du cation de l'électrolyte-support, deux pics distincts en potentiel et en intensité sont observés, à savoir un pic I et un pic II. On a constaté que le greffage et la polymérisation du monomère à la surface des particules conductrices en contact avec la cathode se produisent au niveau du pic I. Si le potentiel appliqué à la cathode ne dépasse pas cette valeur, on constate, d'une façon imprévisible, que ces particules sont effectivement recouvertes d'un mince film de polymère greffé. Si les particules sont formées de carbone, il y aura donc une continuité entre le carbone et le polymère.More particularly, it has been found, according to the invention, that it is possible, in an unpredictable manner in the presence of the prior art relating to the coating of conductive particles with a polymer, to obtain such a coating, perfectly stable and homogeneous, in an electrolysis bath containing the monomer, an aprotic solvent and a support electrolyte, by an electrochemical reduction of this monomer, induced during intermittent contact of said particles with a cathode arranged in this bath, this provided that a well-determined potential or current is applied to the cathode and that the latter remains insensitive to the polymerization of the monomer during the application of this well-determined potential or current. Indeed, as shown in FIG. 1, before the reduction of the solvent or of the cation of the support electrolyte, two distinct peaks in potential and in intensity are observed, namely a peak I and a peak II. It has been found that the grafting and polymerization of the monomer on the surface of the conductive particles in contact with the cathode occur at the level of peak I. If the potential applied to the cathode does not exceed this value, it is found, in a way unpredictable, that these particles are effectively covered with a thin film of grafted polymer. If the particles are formed of carbon, there will therefore be continuity between the carbon and the polymer.
Ainsi, l'electrolyse d'une solution formée d'acrylonitrile dans un solvant aprotique (acétonitrile) en présence d'un électrolyte-support (Et4NCIO4) conduit au greffage d'un film de polyacrylonitrile (PAN) sur les particules conductrices, formées notamment de carbone. Le film de PAN formé dans les conditions d'électrolyse définies ci-dessus est insoluble dans le diméthylformamide (DMF) qui est un bon solvant du PAN. Par contre, au niveau du second pic II, un film épais de PAN, qui s'est formé, est totalement soluble dans le DMF.Thus, the electrolysis of a solution formed of acrylonitrile in an aprotic solvent (acetonitrile) in the presence of a support electrolyte (Et 4 NCIO 4 ) leads to the grafting of a polyacrylonitrile film (PAN) on the conductive particles. , formed in particular of carbon. The PAN film formed under the electrolysis conditions defined above is insoluble in dimethylformamide (DMF) which is a good solvent for PAN. On the other hand, at the second peak II, a thick film of PAN, which has formed, is completely soluble in DMF.
L'application du procédé, suivant l'invention, demande donc un contrôle affiné des conditions d'électrolyse : il faut travailler uniquement dans la zone du pic I (pic d'inhibition) pour obtenir un greffage homogène du polymère sur la cathode. En pratique, cette condition peut être atteinte selon deux techniques. L'electrolyse potentiostatique où le potentiel de la cathode est fixé par rapport à une électrode de référence dans la zone du pic I et l'electrolyse galvanostatique où le courant de polymérisation est fixé à une valeur inférieure au courant maximum (ip) défini en voltampérométrie. La densité de courant est ajustée en fonction du diamètre moyen des particules à enrober et des conditions dynamiques d'agitation de manière à ne pas dépasser un courant correspondant au premier pic I repéré sur l'électrode fixe.The application of the process according to the invention therefore requires refined control of the electrolysis conditions: it is necessary to work only in the region of peak I (inhibition peak) in order to obtain a homogeneous grafting of the polymer on the cathode. In practice, this condition can be achieved using two techniques. Potentiostatic electrolysis where the potential of the cathode is fixed relative to a reference electrode in the area of peak I and galvanostatic electrolysis where the polymerization current is fixed at a value lower than the maximum current (ip) defined in voltammetry . The current density is adjusted as a function of the average diameter of the particles to be coated and the dynamic stirring conditions of so as not to exceed a current corresponding to the first peak I located on the fixed electrode.
L'originalité du procédé est la réalisation de contacts intermittents entre des particules conductrices à recouvrir et une cathode fixe choisie dans un matériau conducteur sur lequel le greffage d'un polymère selon le procédé, suivant l'invention, est impossible. Sans restriction, le zinc, l'étain ou encore le carbure de silicium (SiC) peuvent être utilisés comme cathode dans le procédé. Le contact intermittent est assuré en amenant transitoirement les particules en contact avec la cathode soit par un procédé usuel d'agitation d'un liquide tel qu'un mélangeur à hélice, agitateur magnétique, champ ultrasonore, soit par un mouvement mécanique de la cathode, tel qu'une rotation, oscillation ou vibration. On peut encore utiliser une cathode enveloppante, pouvant servir de cuve d'électrolyse, mise elle-même en mouvement. En régime dynamique d'agitation, chaque particule vient statistiquement au contact de l'électrode de travail avec des orientations spatiales renouvelées. A chaque contact, le monomère est polarisé et un transfert électronique avec l'électrode est transitoirement établi: cette étape est la condition nécessaire et suffisante pour que la polymérisation puisse commencer. Après cet amorçage, l'agitation ramène la particule vers la solution où la polymérisation va se poursuivre chimiquement puisque le monomère y est disponible. Dans cette étape de polymérisation, la polarisation de la cathode n'intervient plus au niveau de la particule. Celle-ci n'a pas été nécessairement recouverte dans son entièreté au premier contact avec la cathode mais elle pourra l'être lors de contacts ultérieurs entre les parties non recouvertes de la particule et la cathode qui reste toujours polarisée dans les conditions de potentiel spécifiées ci-dessus.The originality of the process is the production of intermittent contacts between conductive particles to be covered and a fixed cathode chosen from a conductive material on which the grafting of a polymer according to the process according to the invention is impossible. Without restriction, zinc, tin or even silicon carbide (SiC) can be used as cathode in the process. Intermittent contact is ensured by temporarily bringing the particles into contact with the cathode either by a usual method of stirring a liquid such as a propeller mixer, magnetic stirrer, ultrasonic field, or by mechanical movement of the cathode, such as rotation, oscillation or vibration. It is also possible to use an enveloping cathode, which can serve as an electrolytic cell, itself set in motion. In dynamic agitation, each particle statistically comes into contact with the working electrode with renewed spatial orientations. At each contact, the monomer is polarized and an electronic transfer with the electrode is transiently established: this step is the necessary and sufficient condition for the polymerization to begin. After this initiation, the stirring brings the particle back to the solution where the polymerization will continue chemically since the monomer is available there. In this polymerization step, the polarization of the cathode no longer occurs at the level of the particle. This was not necessarily covered in its entirety at the first contact with the cathode but it could be during subsequent contacts between the non-covered parts of the particle and the cathode which always remains polarized under the conditions of potential specified above.
Selon l'invention, plusieurs monomères sont susceptibles d'être greffés au premier pic, mais il faut choisir judicieusement le couple monomère/solvant. A titre d'exemple non limitatif, il y a lieu de citer les systèmes acrylonitrile/acétonitrile, acrylonitrile/diméthylacétamide, acrylonitrile/N,N-diméthylformamide, acrylonitrile/pyridine, acrylate d'éthyle/N,N-diméthylformamide, acrylate d'éthyle/pyridine, 2- triméthyl- silyloxyéthylméthacrylate/N,N-diméthylformamide, méthacrylate de méthyle/N,N-diméthylformamide, acrylate de butyle tertiaire/N,N- diméthylformamide, acrylate de n-butyle/N,N-diméthylformamide, méthacrylate d'allyle/N.N-diméthylformamide, méthacrylate de glycidyle/N,N-diméthylformamide. Tous ces solvants appartiennent à la classe des solvants aprotiques dans lesquels le greffage est possible. Le choix de l'électrolyte-support n'a, en principe, pas d'influence fondamentale sur le greffage mais il est préférable d'utiliser un électrolyte-support qui n'amène pas d'eau résiduelle du solvant dans la double couche du revêtement formé sur les particules.According to the invention, several monomers are capable of being grafted to the first peak, but the monomer / solvent pair must be carefully chosen. By way of nonlimiting example, it is necessary to cite the acrylonitrile / acetonitrile, acrylonitrile / dimethylacetamide, acrylonitrile / N, N-dimethylformamide, acrylonitrile / pyridine, ethyl acrylate / N, N-dimethylformamide, ethyl acrylate / pyridine, 2-trimethyl-silyloxyethylmethacrylate / N, N-dimethylformamide systems , methyl methacrylate / N, N-dimethylformamide, tertiary butyl acrylate / N, N- dimethylformamide, n-butyl acrylate / N, N-dimethylformamide, allyl methacrylate / NN-dimethylformamide, glycidyl methacrylate / N, N -dimethylformamide. All these solvents belong to the class of aprotic solvents in which grafting is possible. The choice of the support electrolyte has, in principle, no fundamental influence on the grafting but it is preferable to use a support electrolyte which does not bring residual water of the solvent in the double layer of the coating formed on the particles.
La forme et le volume de la cellule d'électrolyse utilisée pour la mise en oeuvre du procédé, suivant l'invention, sont déterminés par la nature des particules à recouvrir et par le choix du type de contact intermittent particules/cathode. La cellule d'électrolyse, telle que représentée aux figures 2 à 4, comprend une enceinte 1 contenant une solution formée d'un solvant, d'un monomère ou d'un mélange de comonomeres, d'un electrolyte et de particules conductrices en suspension. Dans le fond de cette enceinte 1 est prévu un barreau magnétique 2 tournant autour d'un axe vertical pour assurer ainsi l'homogénéité de la solution et la mise en mouvement des particules conductrices à enrober par un polymère. La partie supérieure de cette enceinte 1 présente trois logements coniques rodés intérieurement 3, 4 et 5 dans lesquels sont suspendues des électrodes, notamment une électrode centrale de travail 6, une contre-électrode 8 et une électrode de référence 8'.The shape and the volume of the electrolysis cell used for the implementation of the process according to the invention are determined by the nature of the particles to be covered and by the choice of the type of intermittent particle / cathode contact. The electrolysis cell, as shown in FIGS. 2 to 4, comprises an enclosure 1 containing a solution formed by a solvent, a monomer or a mixture of comonomers, an electrolyte and conductive particles in suspension . In the bottom of this enclosure 1 is provided a magnetic bar 2 rotating around a vertical axis to thereby ensure the homogeneity of the solution and the setting in motion of the conductive particles to be coated with a polymer. The upper part of this enclosure 1 has three internally ground conical housings 3, 4 and 5 in which electrodes are suspended, in particular a central working electrode 6, a counter electrode 8 and a reference electrode 8 '.
Ces électrodes sont montrées plus en détail à la figure 4. L'électrode de travail 6 comprend à son extrémité libre une plaquette, par exemple de zinc, (50χ50mm, épaisseur 0.5mm) perforée comme montré en détail à la figure 5. Le nombre de trous ainsi que leur diamètre n'est pas critique pour autant qu'une libre circulation de la suspension soit assurée et que le temps de contact particules/zinc soit assez long pour permettre aux particules de se polariser au potentiel appliqué à la cathode . Cette plaque 7 est suspendue par une pince 9 à un conducteur 10. qui s'étend à l'intérieur, dans l'axe, d'un manchon en verre 11 , dont l'ouverture supérieure 12 est fermée par un bouchon de colle époxy 13. Le manchon 11 présente une paroi extérieure conique rodée 14 s'adaptant d'une manière sensiblement étanche dans le logement 4 de l'enceinte 1.These electrodes are shown in more detail in FIG. 4. The working electrode 6 comprises at its free end a plate, for example zinc, (50χ50mm, thickness 0.5mm) perforated as shown in detail in Figure 5. The number of holes as well as their diameter is not critical provided that a free circulation of the suspension is ensured and that the particle / zinc contact time is long enough to allow the particles to polarize at the potential applied to the cathode. This plate 7 is suspended by a clamp 9 from a conductor 10. which extends inside, in the axis, of a glass sleeve 11, the upper opening 12 of which is closed by a plug of epoxy adhesive 13. The sleeve 11 has a lapped conical outer wall 14 which fits in a substantially sealed manner in the housing 4 of the enclosure 1.
L'électrode de référence 8' et la contre-électrode 8 sont de la même construction et comprennent une feuille de platine enroulée sous forme de cylindre 15 présentant une surface de l'ordre de 10 cm2. Ce cylindre 15 est suspendu à un conducteur 16 s'etendant dans l'axe d'un manchon en verre 17 fermé à son extrémité supérieure 18 par un bouchon de colle époxy 19.The reference electrode 8 ′ and the counter electrode 8 are of the same construction and comprise a platinum sheet wound in the form of a cylinder 15 having an area of the order of 10 cm 2 . This cylinder 15 is suspended from a conductor 16 extending in the axis of a glass sleeve 17 closed at its upper end 18 by a plug of epoxy adhesive 19.
Comme pour l'électrode 6, les électrodes 8 et 8' présentent une paroi extérieure conique 20 s'adaptant d'une manière étanche dans les logements correspondants 3 et 5 de l'enceinte 1.As for electrode 6, the electrodes 8 and 8 ′ have a conical outer wall 20 which fits tightly in the corresponding housings 3 and 5 of the enclosure 1.
Dans une variante, l'électrode de travail 7 peut par exemple être formée par un barreau de carbure de silicium, par exemple de 2 mm de diamètre et 2 cm de longueur, ou encore par un barreau en étain.In a variant, the working electrode 7 may for example be formed by a bar of silicon carbide, for example 2 mm in diameter and 2 cm in length, or else by a tin bar.
La contre-électrode assurant le passage du courant doit être inerte: elle est réalisée par exemple en platine ou en carbone vitreux. Si l'electrolyse en régime potentiostatique est préférée, l'électrode de référence est soit une électrode usuelle pour les milieux organiques (Ag/AgCIO t/solvant) soit une pseudo-référence de platine. Les manipulations sont effectuées en atmosphère protégée, à l'abri de l'oxygène et de l'eau avec par exemple une teneur en eau de l'ordre de 5 à 50 ppm.The counter-electrode ensuring the passage of the current must be inert: it is produced for example from platinum or from vitreous carbon. If electrolysis under potentiostatic conditions is preferred, the reference electrode is either a standard electrode for organic media (Ag / AgCIO t / solvent) or a pseudo-reference of platinum. The manipulations are carried out in a protected atmosphere, away from oxygen and water with for example a water content of the order of 5 to 50 ppm.
Les exemples concrets de réalisation donnés ci-après, qui sont appliqués dans une cellule d'électrolyse du type tel que montré dans les figures 2 à 5 et décrite ci-dessus, permettent d'illustrer davantage le procédé suivant l'invention.The concrete examples of embodiment given below, which are applied in an electrolysis cell of the type as shown in FIGS. 2 to 5 and described above, make it possible to further illustrate the process according to the invention.
Exemple 1: Greffage de polyacrylate d'éthyle (PAE) sur poudre de carbone graphite Dans cet exemple, on réalise le greffage et l'électropolymérisation de l'acrylate d'éthyle (AE) à la surface de particules de graphite. Le contact électrique est assuré par une électrode de carbure de silicium (SiC). La technique électrochimique utilisée est la chronopotentiométrie. Le bain d'électrolyse est préparé sur base des constituants suivants:EXAMPLE 1 Grafting of Polyethylacrylate (PAE) on Graphite Carbon Powder In this example, the grafting and electropolymerization of ethyl acrylate (AE) is carried out on the surface of graphite particles. The electrical contact is ensured by a silicon carbide (SiC) electrode. The electrochemical technique used is chronopotentiometry. The electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents:
- 150 ml de DMF séché sur P2O5 pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.- 150 ml of DMF dried over P 2 O 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 1,9 g de Et»NCIO4 (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures.- 1.9 g of Et »NCIO 4 (electrolyte-support) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours.
- 37,5 ml de AE séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite.- 37.5 ml of AE dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure.
- 0,35 g de poudre de carbone graphite.- 0.35 g of graphite carbon powder.
Un barreau de SiC (cathode), une contre-électrode ainsi qu'une pseudo-référence (toutes deux en platine) plongent dans la solution d'électrolyse. Par rapport à la pseudo-référence, on applique au barreau de SiC un courant constant de -15 μA pendant 90 minutes. La polarisation du carbone est assurée par l'agitation de la dispersion qui est assurée par un agitateur magnétique. Après électrolyse, le carbone est séparé par centrifugation, puis lavé plusieurs fois avec un solvant du polymère de manière à mettre en solution tout le polymère qui ne serait pas greffé. La présence de PAE greffé est démontrée macroscopiquement par l'agglomération des particules enrobées de polymère même après de multiples extractions avec un bon solvant du PAE.An SiC bar (cathode), a counter electrode and a pseudo-reference (both made of platinum) plunge into the electrolysis solution. Compared to the pseudo-reference, a constant current of -15 μA is applied to the SiC bar for 90 minutes. The polarization of the carbon is ensured by the agitation of the dispersion which is ensured by a magnetic stirrer. After electrolysis, the carbon is separated by centrifugation, then washed several times with a solvent of polymer so as to dissolve all the polymer which would not be grafted. The presence of grafted PAE is demonstrated macroscopically by the agglomeration of the particles coated with polymer even after multiple extractions with a good solvent for PAE.
Exemple 2: Greffage de polyacrylate d'éthyle (PAE) sur poudre de carbone graphiteEXAMPLE 2 Grafting of Polyethylacrylate (PAE) on Graphite Carbon Powder
Dans cet exemple, on réalise également le greffage et l'électropolymérisation de l'acrylate d'éthyle (AE) à la surface de particules de graphite. Le contact électrique est assuré par une électrode de zinc (Zn). La technique électrochimique utilisée est la chronoampérométrie. Le bain d'électrolyse est préparé sur base des constituants suivants:In this example, the grafting and electropolymerization of ethyl acrylate (AE) are also carried out on the surface of graphite particles. The electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn). The electrochemical technique used is chronoamperometry. The electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents:
- 150 ml de DMF séché sur P2O5 pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.- 150 ml of DMF dried over P 2 O 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 1 ,9 g de Et4NCIO4 (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures.- 1.9 g of Et 4 NCIO 4 (support electrolyte) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours.
- 40 ml de AE séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite. - 0,2 g de poudre de carbone graphite.- 40 ml of AE dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure. - 0.2 g of graphite carbon powder.
Une plaquette de Zn de 5cmχ5cm (cathode), une contre- électrode ainsi qu'une électrode de pseudo-référence (toutes deux en platine) plongent dans la solution d'électrolyse. Par rapport à la pseudo- référence, on applique à l'électrode de Zn un potentiel constant de -1 ,7 V pendant 21 heures; ce potentiel correspond au potentiel de premier pic. La polarisation du carbone est assurée par l'agitation de la solution. La présence de PAE est démontrée macroscopiquement, comme il est décrit dans le premier exemple. Le pourcentage en poids du polymère greffé sur la poudre est déterminé par TGA (thermal gravimétrie analysis), et s'élève à 28 % du poids total du composite. Exemple 3: Greffage de polyacrylonitrile (PAN) sur poudre de carbone graphiteA Zn plate of 5cmn5cm (cathode), a counter electrode as well as a pseudo-reference electrode (both made of platinum) immerse in the electrolysis solution. With respect to the pseudo-reference, a constant potential of -1.7 V is applied to the Zn electrode for 21 hours; this potential corresponds to the potential of the first peak. Carbon polarization is ensured by stirring the solution. The presence of PAE is demonstrated macroscopically, as described in the first example. The percentage by weight of the polymer grafted onto the powder is determined by TGA (thermal gravimetry analysis), and amounts to 28% of the total weight of the composite. EXAMPLE 3 Grafting of Polyacrylonitrile (PAN) on Graphite Carbon Powder
Dans cet exemple, on réalise également le greffage et l'électropolymérisation de l'acrylonitrile (AN) à la surface de particules de graphite. Le contact électrique est assuré par une électrode de zinc (Zn) de 50χ50mm percée de trous de 2 mm de diamètre. La technique électrochimique utilisée est la chronoampérométrie. Le bain d'électrolyse est préparé sur base des constituants suivants:In this example, the grafting and electropolymerization of acrylonitrile (AN) are also carried out on the surface of graphite particles. The electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) of 50χ50mm pierced with holes of 2 mm in diameter. The electrochemical technique used is chronoamperometry. The electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents:
- 225 ml de DMF séché sur P O5 pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.- 225 ml of DMF dried on PO 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 2,8 g de Et4NCIO4 (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures.- 2.8 g of Et 4 NCIO 4 (electrolyte-support) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours.
- 35 ml de AN séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite. - 1.6 g de poudre de carbone graphite.- 35 ml of AN dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure. - 1.6 g of graphite carbon powder.
Par rapport à la pseudo-référence, on applique à l'électrode de Zn un potentiel constant de -1 ,7 V pendant 21 heures. La polarisation du carbone est assurée par l'agitation de la solution. Le carbone est ensuite lavé plusieurs fois au DMF, solvant du PAN, de manière à extraire le PAN qui ne serait pas greffé. La présence de PAN est démontrée ensuite par DSC (differential scanning calorimetry), sous la forme d'un endotherme propre à la cyclisation du PAN (figure 6). Le pourcentage en poids du polymère greffé, déterminé par TGA (thermal gravimétrie analysis), est de 15 % par rapport au poids total du composite.With respect to the pseudo-reference, a constant potential of -1.7 V is applied to the Zn electrode for 21 hours. Carbon polarization is ensured by stirring the solution. The carbon is then washed several times with DMF, solvent for the PAN, so as to extract the PAN which would not be grafted. The presence of PAN is then demonstrated by DSC (differential scanning calorimetry), in the form of an endotherm specific to the cyclization of PAN (Figure 6). The percentage by weight of the grafted polymer, determined by TGA (thermal gravimetry analysis), is 15% relative to the total weight of the composite.
Exemple 4: Greffage de polyacrylonitrile (PAN) et de polyacrylate d'éthyle (PAE) sur noir de carbone. Dans cet exemple, on compare la cinétique de greffage du PAN et du PAE à la surface du noir de carbone. Le contact électrique est assuré par une électrode de zinc (Zn) percée de trous de 2 mm de diamètre. La technique électrochimique utilisée est la chrono- ampérométrie.Example 4: Grafting of polyacrylonitrile (PAN) and polyethylacrylate (PAE) on carbon black. In this example, the kinetics of PAN and PAE grafting are compared to the surface of carbon black. The electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) pierced with 2 mm holes diameter. The electrochemical technique used is chrono-amperometry.
Les bains d'électrolyse sont préparés sur la base des constituants suivants: 1 ) Bain de ANThe electrolysis baths are prepared on the basis of the following constituents: 1) AN bath
- 100 ml de DMF séché sur P2O5 pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.- 100 ml of DMF dried over P 2 O 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 1 ,15 g de Et4NCIO4 (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures. - 15 ml de AN séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite.- 1.15 g of Et 4 NCIO 4 (electrolyte-support) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours. - 15 ml of AN dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure.
- 2,25 g de noir de carbone de type XE2 (Degussa). 2) Bain de AE- 2.25 g of carbon black type XE2 (Degussa). 2) AE bath
- 100 ml de DMF séché sur P2O5 pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.- 100 ml of DMF dried over P 2 O 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 1 ,15 g de Et4NCIO4 (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures.- 1.15 g of Et 4 NCIO 4 (electrolyte-support) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours.
- 27 ml de AE séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite. - 2 g de noir de carbone de type XE2 (Degussa).- 27 ml of AE dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure. - 2 g of carbon black type XE2 (Degussa).
Une plaquette de Zn de 5cmχ5cm percée sur toute sa surface de trous de 2 mm de diamètre (cathode), une contre-électrode ainsi qu'une électrode de pseudo-référence (toutes deux en platine) plongent dans les solutions d'électrolyse. Par rapport à la pseudo- référence, on applique à l'électrode de Zn un potentiel constant de -2.2 V (premier pic) pendant 15, 30, 60 et 100 minutes dans le bain de AN, et un potentiel de -1.7 V (premier pic) pendant 15, 30, 60 et 120 minutes dans le bain de AE. La polarisation du carbone est assurée par l'agitation de la solution. Les différents échantillons de carbone sont ensuite lavés plusieurs fois au DMF, solvant du PAN et du PAE, de manière à extraire tout polymère non greffé. L'échantillon de PAE greffé est aussi débarrassé de PAE non greffé par extraction par le THF dans un appareil Soxhlet. Le pourcentage en poids des polymères greffés est déterminé par TGA (thermal gravimétrie analysis). La figure 7 montre le pourcentage en poids de polymère greffé sur noir de carbone en fonction du temps d'électrolyse.A Zn plate of 5cmχ5cm pierced over its entire surface with 2 mm diameter holes (cathode), a counter electrode as well as a pseudo-reference electrode (both made of platinum) plunge into the electrolysis solutions. With respect to the pseudo-reference, a constant potential of -2.2 V (first peak) is applied to the Zn electrode for 15, 30, 60 and 100 minutes in the AN bath, and a potential of -1.7 V ( first peak) for 15, 30, 60 and 120 minutes in the AE bath. Carbon polarization is ensured by stirring the solution. The various carbon samples are then washed several times with DMF, solvent for PAN and PAE, so as to extract any non-grafted polymer. The grafted PAE sample is also freed of ungrafted PAE by extraction with THF in a Soxhlet apparatus. The percentage by weight of the grafted polymers is determined by TGA (thermal gravimetry analysis). FIG. 7 shows the percentage by weight of polymer grafted on carbon black as a function of the electrolysis time.
Exemple 5: Greffage de polyacrylate d'éthyle (PAE) sur noir de carbone et sur poudre de carbone graphite. Dans cet exemple, on compare la cinétique de greffage du PAE à la surface du noir de carbone et de la poudre de carbone graphite. Le contact électrique est assuré par une électrode de zinc (Zn) percée de trous de 2 mm de diamètre. La technique électrochimique utilisée est la chronoampérométrie. Les bains d'électrolyse sont préparés sur base des constituants suivants:Example 5: Grafting of polyethyl acrylate (PAE) on carbon black and on graphite carbon powder. In this example, the kinetics of PAE grafting are compared on the surface of carbon black and graphite carbon powder. The electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) pierced with 2 mm diameter holes. The electrochemical technique used is chronoamperometry. The electrolysis baths are prepared on the basis of the following constituents:
1 ) Bain de noir de carbone1) Carbon black bath
- 100 ml de DMF séché sur P2O5 pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.- 100 ml of DMF dried over P 2 O 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 1 ,15 g de Et NCIO4 (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures.- 1.15 g of Et NCIO 4 (electrolyte-support) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours.
- 27 ml de AE séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite.- 27 ml of AE dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure.
- 2 g de noir de carbone de type XE2 (Degussa).- 2 g of carbon black type XE2 (Degussa).
2) Bain de poudre de carbone graphite - 110 ml de DMF séché sur P2O5 pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.2) Graphite carbon powder bath - 110 ml of DMF dried over P 2 O 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 1 ,27 g de Et4NCIO (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures.- 1.27 g of Et4NCIO (electrolyte-support) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours.
- 30 ml de AE séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite. - 5,2 g de poudre de carbone graphite- 30 ml of AE dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure. - 5.2 g of graphite carbon powder
Une plaquette de Zn de 5cmχ5cm percée sur toute sa surface de trous de 2 mm de diamètre (cathode), une contre-électrode ainsi qu'une électrode de pseudo-référence (toutes deux en platine). plongent dans les solutions d'électrolyse. Par rapport à la pseudoréférence, on applique à l'électrode de Zn un potentiel constant de -1 ,7 V (premier pic) pendant 15, 30, 60 et 120 minutes dans chacun des bains d'électrolyse. La polarisation des deux types de particules de carbone est assurée par l'agitation des solutions. Les différents échantillons de carbone sont ensuite lavés plusieurs fois au DMF et au THF, solvants du PAE, de manière à extraire le polymère qui ne serait pas greffé. Le pourcentage en poids des polymères greffés est déterminé par TGA (thermal gravimétrie analysis). La figure 8 montre le pourcentage en poids de polymère greffé sur le noir de carbone et sur la poudre de carbone en fonction du temps d'électrolyse. On remarque l'influence de la nature de la particule de carbone sur le taux de greffage.A 5cmχ5cm Zn plate pierced over its entire surface with 2mm diameter holes (cathode), a counter electrode as well as a pseudo-reference electrode (both made of platinum). immerse in the electrolysis solutions. With respect to the pseudoreference, a constant potential of -1.7 V (first peak) is applied to the Zn electrode for 15, 30, 60 and 120 minutes in each of the electrolysis baths. The polarization of the two types of carbon particles is ensured by the agitation of the solutions. The different carbon samples are then washed several times with DMF and THF, PAE solvents, so as to extract the polymer which would not be grafted. The percentage by weight of the grafted polymers is determined by TGA (thermal gravimetry analysis). FIG. 8 shows the percentage by weight of polymer grafted onto carbon black and onto the carbon powder as a function of the electrolysis time. Note the influence of the nature of the carbon particle on the grafting rate.
Exemple 6: Greffage de polyacrylonitrile (PAN) sur poudre métallique. Dans cet exemple, on réalise le greffage du PAN à la surface de poudre de nickel métallique. Le contact électrique est assuré par une électrode de zinc (Zn) percée de trous de 2 mm de diamètre. La technique électrochimique utilisée est la chronoampérométrie.Example 6: Grafting of polyacrylonitrile (PAN) on metallic powder. In this example, the PAN is grafted onto the surface of metallic nickel powder. The electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) pierced with 2 mm diameter holes. The electrochemical technique used is chronoamperometry.
Le bain d'électrolyse est préparé sur base des constituants suivants:The electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents:
- 108 ml de DMF séché sur P2Os pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.- 108 ml of DMF dried over P 2 Os for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 1 ,24 g de Et4NCIO4 (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures. - 17 ml de AN séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite.- 1.24 g of Et 4 NCIO 4 (electrolyte-support) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours. - 17 ml of AN dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure.
- 5,12 g de particules de nickel (INCO, type 110).- 5.12 g of nickel particles (INCO, type 110).
Par rapport à la pseudo-référence, on applique à l'électrode de Zn un potentiel constant de -1 ,7 V (potentiel de premier pic) pendant 30 minutes. La polarisation des particules métalliques est assurée par l'agitation de la solution. Le carbone est ensuite lavé plusieurs fois au DMF, solvant du PAN, de manière à extraire le PAN non greffé. Le pourcentage en poids du polymère greffé, déterminé par TGA (thermal gravimétrie analysis), s'élève à 10 %.Relative to the pseudo-reference, a constant potential of -1.7 V (first peak potential) is applied to the electrode of Zn for 30 minutes. The metal particles are polarized by stirring the solution. The carbon is then washed several times with DMF, solvent for the PAN, so as to extract the ungrafted PAN. The percentage by weight of the grafted polymer, determined by TGA (thermal gravimetry analysis), amounts to 10%.
Exemple 7: Greffage de polyacrylate d'éthyle (PAE) sur fibres courtes de carbone.Example 7: Grafting of polyethyl acrylate (PAE) on short carbon fibers.
Dans cet exemple, on réalise le greffage et l'électro- polymérisation de l'acrylate d'éthyle (AE) sur des fibres courtes de carbone, celles-ci n'étant pas directement polarisées par contact permanent. Le contact électrique est assuré par une électrode de zinc (Zn) percée de trous de 2 mm de diamètre. La technique électro- chimique utilisée est la chronoampérométrie. Le bain d'électrolyse est préparé sur base des constituants suivants: - 200 ml de DMF séché sur P2O5 pendant 72 heures, puis distillé sous pression réduite.In this example, the grafting and the electro-polymerization of ethyl acrylate (AE) are carried out on short carbon fibers, the latter not being directly polarized by permanent contact. The electrical contact is ensured by a zinc electrode (Zn) pierced with 2 mm diameter holes. The electrochemical technique used is chronoamperometry. The electrolysis bath is prepared on the basis of the following constituents: - 200 ml of DMF dried over P 2 O 5 for 72 hours, then distilled under reduced pressure.
- 2,3 g de Et4NCIO4 (électrolyte-support) séché sous vide à 80°C pendant 24 heures.- 2.3 g of Et4NCIO 4 (electrolyte-support) dried under vacuum at 80 ° C for 24 hours.
- 60 ml de AE séché sur CaH2 pendant 48 heures, puis distillé sous pression réduite.- 60 ml of AE dried over CaH 2 for 48 hours, then distilled under reduced pressure.
- 0,1 g de fibres courtes (2 à 3 mm) de carbone type AS-4 (Hercules).- 0.1 g of short fibers (2 to 3 mm) of carbon type AS-4 (Hercules).
Une plaquette de Zn de 5cmχ5cm (cathode), une contre- électrode ainsi qu'une électrode de pseudo-référence (toutes deux en platine) plongent dans la solution d'électrolyse. Par rapport à la pseudo- référence, on applique à l'électrode de Zn un potentiel constant de -1 ,7 V (potentiel de premier pic) pendant 21 heures. La polarisation des fibres courtes de carbone est assurée par l'agitation de la solution. La présence de PAE est démontrée macroscopiquement par le caractère collant du polymère même après extraction répétée avec un bon solvant du polymère, et aussi microscopiquement par SEM (mieroscopie à balayage électronique). Le pourcentage en poids du polymère est déterminé par TGA ("thermal gravimétrie analysis"), on obtient 52%.A Zn plate of 5cmn5cm (cathode), a counter electrode as well as a pseudo-reference electrode (both made of platinum) immerse in the electrolysis solution. With respect to the pseudo-reference, a constant potential of -1.7 is applied to the electrode of Zn V (first peak potential) for 21 hours. The polarization of the short carbon fibers is ensured by the stirring of the solution. The presence of PAE is demonstrated macroscopically by the stickiness of the polymer even after repeated extraction with a good solvent for the polymer, and also microscopically by SEM (electron scanning mieroscopy). The percentage by weight of the polymer is determined by TGA ("thermal gravimetry analysis"), 52% is obtained.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus mais que bien des variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de la présente invention aussi bien en ce qui concerne la nature des particules conductrices à enrober par un film polymère que la cellule d'électrolyse à utiliser. It is understood that the invention is not limited to the embodiments described above but that many variants can be envisaged without departing from the scope of the present invention as well as regards the nature of the conductive particles to be coated by a polymer film that the electrolysis cell to use.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la formation d'un revêtement sur des particules conductrices par le greffage d'un polymère et/ou copolymère sur ces particules à partir d'un bain contenant au moins un monomère à partir duquel le polymère et/ou copolymère est formé, caractérisé en ce que l'on réalise ce greffage par une réduction électrochimique dudit monomère dans un bain d'électrolyse, dans lequel sont prévues au moins une cathode et une anode et contenant un solvant aprotique, un électrolyte-support et le ou les monomères requis pour former par polymérisation ou copolymerisation le revêtement en mettant les particules en suspension et en mouvement dans le bain susdit d'une manière telle à créer un contact intermittent desdites particules avec la cathode, et à former, par polymérisation ou copolymerisation, le revêtement sur les particules par l'application d'un potentiel ou d'un courant amenant le système reactionnel dans une zone de passivation correspondant au pic d'inhibition décelé par voltampérométrie, la cathode restant insensible à ladite polymérisation ou copolymerisation lors de l'application du potentiel ou courant susdit.1. Method for forming a coating on conductive particles by grafting a polymer and / or copolymer onto these particles from a bath containing at least one monomer from which the polymer and / or copolymer is formed , characterized in that this grafting is carried out by an electrochemical reduction of said monomer in an electrolysis bath, in which at least one cathode and an anode are provided and containing an aprotic solvent, a support electrolyte and the monomer (s) required to form the coating by polymerization or copolymerization by suspending and moving the particles in the above bath in such a way as to create intermittent contact of said particles with the cathode, and to form, by polymerization or copolymerization, the coating on particles by applying a potential or a current bringing the reaction system into a passivation zone corresponding to the peak of in hibition detected by voltammetry, the cathode remaining insensitive to said polymerization or copolymerization during the application of the above potential or current.
2. Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on utilise des particules de carbone se présentant sous la forme de granules, poudre ou fibres.2. Method according to claim 1, characterized in that carbon particles are used which are in the form of granules, powder or fibers.
3. Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on utilise des particules métalliques se présentant, par exemple, sous forme de poudre, granules ou fibres. 3. Method according to claim 1, characterized in that metal particles are used which are, for example, in the form of powder, granules or fibers.
4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à4. Method according to any one of claims 1 to
3, caractérisé en ce que l'on utilise une cathode en un matériau conducteur sur lequel le greffage du polymère ou copolymère précité est impossible, tel que du zinc, de l'étain ou du carbure de silicium.3, characterized in that a cathode is used in a conductive material on which the grafting of the aforementioned polymer or copolymer is impossible, such as zinc, tin or silicon carbide.
5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on fait usage d'un couple monomère/solvant aprotique formé par exemple d'un des systèmes suivants : acrylonitrile/acétonitrile, acrylonitrile/diméthylacétamide, acrylonitrile/ N,N-diméthylformamide, acrylonitrile/pyridine, acrylate d'éthyle/N,N- diméthylformamide, acrylate d'éthyle/pyridine, 2- triméthylsilyloxy- éthylméthacrylate/N,N-diméthylformamide, méthacrylate de méthyle/N,N- diméthylformamide, acrylate de butyle tertiaire/N,N-diméthylformamide, acrylate de n-butyle/N,N-diméthylformamide, méthacrylate d'allyle/N.N- diméthylformamide, méthacrylate de glycidyle/N,N-diméthylformamide.5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that use is made of a monomer / solvent couple aprotic formed for example from one of the following systems: acrylonitrile / acetonitrile, acrylonitrile / dimethylacetamide, acrylonitrile / N, N-dimethylformamide, acrylonitrile / pyridine, ethyl acrylate / N, N-dimethylformamide, ethyl acrylate / pyridine, 2 - trimethylsilyloxyethylmethacrylate / N, N-dimethylformamide, methyl methacrylate / N, N- dimethylformamide, tertiary butyl acrylate / N, N-dimethylformamide, n-butyl acrylate / N, N-dimethylformamide, allyl methacrylate / NN - dimethylformamide, glycidyl methacrylate / N, N-dimethylformamide.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, afin de maintenir les conditions de l'electrolyse dans la zone du pic d'inhibition, le potentiel de la cathode est fixé et maintenu par rapport à une électrode de référence dans la zone du pic d'inhibition.6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that, in order to maintain the conditions of electrolysis in the region of the inhibition peak, the potential of the cathode is fixed and maintained with respect to a reference electrode in the area of the inhibition peak.
7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le courant de polymérisation est fixé à une valeur inférieure à celle du courant maximum (ip) défini en voltampérométrie, en maintenant l'impulsion de courant sensiblement constant inférieure à celle de la polymérisation du premier pic d'inhibition, de manière à éviter un deuxième mécanisme de polymérisation.7. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the polymerization current is fixed at a value lower than that of the maximum current (ip) defined in voltammetry, keeping the current pulse substantially constant lower to that of the polymerization of the first inhibition peak, so as to avoid a second polymerization mechanism.
8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le courant d'électrolyse est appliqué de manière continue ou discontinue. 8. Method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the electrolysis current is applied continuously or discontinuously.
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