FR2861089A1 - Production of composite carbon-based electrodes for synthesis of carbon nanotubes by electric arc process, using carbon and carbon nanotube catalyst powders - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'électrodesThe present invention relates to a method for manufacturing electrodes
composites à base de carbone, du type utilisées pour la synthèse de nanotubes de carbone par la technique dite de l'arc électrique, ledit procédé consistant à mélanger des composés carbon-based composites of the type used for the synthesis of carbon nanotubes by the so-called electric arc technique, said process consisting in mixing compounds
carbonés avec un liant, défini par au moins une résine thermodurcissable, de sorte à préparer une pâte suffisamment compacte pour être mise en forme sous l'effet d'une pression, et à soumettre la forme obtenue à des traitements thermiques destinés à ajuster les propriétés électriques, mécaniques et thermiques desdites électrodes. carbonaceous material with a binder, defined by at least one thermosetting resin, so as to prepare a paste sufficiently compact to be shaped under the effect of a pressure, and to subject the resulting shape to heat treatments intended to adjust the properties electrical, mechanical and thermal of said electrodes.
De manière connue, la synthèse de nanotubes de carbone par la technique de l'arc électrique consiste à placer deux électrodes, dont l'une est généralement constituée de graphite pur et l'autre d'un mélange de graphite et d'éléments catalytiques, à quelques millimètres l'une de l'autre et à leur appliquer une forte intensité. In known manner, the synthesis of carbon nanotubes by the electric arc technique consists in placing two electrodes, one of which is generally made of pure graphite and the other of a mixture of graphite and catalytic elements, a few millimeters apart from each other and apply a strong intensity to them.
Celle-ci a pour effet de provoquer entre les deux électrodes une étincelle dont la chaleur élevée est apte à induire une sublimation de l'électrode réactive, c'est-à-dire celle contenant les éléments de catalyse, qui se consume ainsi au fur et à mesure de la réaction, et se recondense ensuite, sous la forme d'une collerette riche en nanotubes de carbone, sur l'électrode en graphite pur. This has the effect of causing between the two electrodes a spark whose high heat is capable of inducing a sublimation of the reactive electrode, that is to say that containing the elements of catalysis, which is consumed as a result. and as a result of the reaction, and then recondense, in the form of a collar rich in carbon nanotubes, on the pure graphite electrode.
Si de nombreux paramètres interviennent dans la réussite et le contrôle de cette réaction, l'homogénéité, les caractéristiques cristallographiques et mécaniques ainsi que la résistivité de l'électrode réactive, jouent un rôle déterminant sur le rendement de la production et la qualité des nanotubes ainsi synthétisés. If many parameters are involved in the success and control of this reaction, the homogeneity, the crystallographic and mechanical characteristics as well as the resistivity of the reactive electrode, play a determining role in the production yield and the quality of the nanotubes as well as synthesized.
Par conséquent, la possibilité de pouvoir disposer et fabriquer industriellement des électrodes adaptées constitue l'un des facteurs clés, susceptibles de permettre le développement de la technologie liée aux nanotubes de carbone, grâce à l'amélioration et surtout l'industrialisation de cette méthode de synthèse par arc électrique. Therefore, the possibility of having available and industrial manufacturing suitable electrodes is one of the key factors, likely to allow the development of technology related to carbon nanotubes, through the improvement and especially the industrialization of this method of synthesis by electric arc.
Une unique méthode de fabrication de telles électrodes, aptes à permettre la synthèse de nanotubes de carbone par la technique de l'arc électrique, est connue à l'heure actuelle. A unique method of manufacturing such electrodes, able to allow the synthesis of carbon nanotubes by the technique of the electric arc, is known at present.
Elle consiste principalement à utiliser des barreaux de graphite pur, classiquement de 152 mm de long, 6,15 mm de diamètre et d'environ 6 grammes, dans lesquelles à chaque fois un trou borgne de 3 millimètres de diamètre est percé sur une distance de 110 millimètres, lequel est ensuite comblé avec un mélange réactif pulvérulent constitué de graphite et d'éléments de catalyse de la réaction de synthèse de nanotubes de carbone. It consists mainly of using bars of pure graphite, typically 152 mm long, 6.15 mm in diameter and about 6 grams, in which each time a blind hole of 3 millimeters in diameter is drilled for a distance of 110 mm, which is then filled with a powdery reactive mixture consisting of graphite and catalytic elements of the synthesis reaction of carbon nanotubes.
Cette méthode présente cependant de nombreux inconvénients, aussi bien quant à la structure finale de l'électrode obtenue, qu'au niveau de sa mise en oeuvre, exclusivement manuelle, et donc particulièrement hasardeuse et coûteuse en temps. This method, however, has many disadvantages, both as to the final structure of the electrode obtained, as to its implementation, exclusively manual, and therefore particularly hazardous and time-consuming.
En effet, le graphite, qui compose la poudre de remplissage à plus de 90% présente du fait de sa très faible granulométrie, une très faible densité apparente, de l'ordre de 0,2 à 0,3 grammes par centimètre cube, ce qui fait que lorsque la poudre est tassée dans le trou, son volume est divisé par quatre, obligeant le manipulateur à remplir chaque barreau petit à petit, avec peu de poudre à la fois, en la tassant progressivement, au fur et à mesure du remplissage. Indeed, the graphite, which composes the filling powder to more than 90% presents, due to its very small particle size, a very low bulk density, of the order of 0.2 to 0.3 grams per cubic centimeter. which makes that when the powder is packed in the hole, its volume is divided by four, forcing the manipulator to fill each bar little by little, with little powder at a time, by packing it gradually, as and when filling .
Le fait de remplir de tels barreaux de manière automatisée en tassant la poudre en une seule opération n'est pas envisageable dans la pratique car cela nécessiterait l'utilisation d'un piston animé d'une course extrêmement importante par rapport à la section du trou, c'est à dire de plus de 50 centimètres pour une section de 3 millimètres. The fact of filling such bars in an automated way by tamping the powder in a single operation is not feasible in practice because it would require the use of a piston driven by an extremely large stroke relative to the section of the hole , ie more than 50 centimeters for a section of 3 millimeters.
D'autre part, il est extrêmement difficile d'obtenir, par cette méthode, des électrodes présentant une répartition homogène des catalyseurs et de la poudre tassée dans sa globalité, et l'on constate souvent une concentration d'éléments de catalyse au centre des barreaux, du fait d'une compaction de la poudre effectuée manuellement, de manière irrégulière, imprécise ou médiocre. On the other hand, it is extremely difficult to obtain, by this method, electrodes having a homogeneous distribution of the catalysts and the compacted powder in its entirety, and one often finds a concentration of elements of catalysis in the center of bars, because of a compaction of the powder made manually, irregularly, inaccurately or poorly.
L'arc électrique généré par une telle électrode n'est alors localisé que sur une surface très réduite, et la quantité de nanotubes synthétisée est de ce fait beaucoup plus faible qu'avec une électrode présentant une répartition homogène des catalyseurs sur l'ensemble de sa surface. The electric arc generated by such an electrode is then located only on a very small surface, and the amount of nanotubes synthesized is therefore much lower than with an electrode having a homogeneous distribution of catalysts over the entire its surface.
D'autre part, cette technique présente encore l'inconvénient d'être limitante dans la géométrie des électrodes utilisées. Il est effectivement difficile de réaliser des travaux de perçage sur des éléments en graphite pur sur des diamètres de 3 mm pour des longueurs de course supérieure à 13 ou 14 cm. On the other hand, this technique still has the disadvantage of being limiting in the geometry of the electrodes used. It is indeed difficult to perform drilling on pure graphite elements on diameters of 3 mm for stroke lengths greater than 13 or 14 cm.
Ainsi, cette méthode est à la fois laborieuse, coûteuse en temps, et insatisfaisante du point de vue des propriétés finales des électrodes fabriquées. Thus, this method is both laborious, time-consuming, and unsatisfactory from the point of view of the final properties of the electrodes manufactured.
On a par conséquent cherché à développer un nouveau procédé de fabrication apte à permettre l'obtention d'électrodes réactives présentant les caractéristiques requises pour la synthèse de nanotubes de carbone par la technique de l'arc électrique, ledit procédé pouvant être mis en oeuvre de manière industrielle. It has therefore been sought to develop a new manufacturing process capable of obtaining reactive electrodes having the characteristics required for the synthesis of carbon nanotubes by the electric arc technique, said process being able to be carried out with industrial way.
L'on a ainsi été amené à vérifier si les nombreux documents décrivant des procédés de fabrication d'électrodes composites à base de carbone destinées à d'autres applications, notamment relatives au domaine de la métallurgie, pouvaient décrire des solutions aptes à convenir pour la synthèse d'électrodes adaptées à la production de nanotubes de carbone. It has thus been necessary to check whether the numerous documents describing processes for manufacturing carbon-based composite electrodes intended for other applications, in particular relating to the field of metallurgy, could describe suitable solutions for the synthesis of electrodes adapted to the production of carbon nanotubes.
Tel qu'il ressort de l'état de l'art, la fabrication industriélle d'électrodes carbonées est classiquement réalisée par extrusion ou pressage d'une pâte, obtenue en mélangeant des composés carbonés avec un liant qui, après des traitements thermiques spécifiques se carbonise, laissant échapper une fraction de gaz volatils tandis qu'une autre fraction reste dans l'électrode sous forme de carbone plus ou moins organisé. As is apparent from the state of the art, the industrial manufacture of carbonaceous electrodes is conventionally carried out by extrusion or pressing of a paste, obtained by mixing carbon compounds with a binder which, after specific heat treatments are carried out. carbonizes, releasing a fraction of volatile gases while another fraction remains in the electrode in the form of more or less organized carbon.
Une première série de documents concernant la fabrication industrielle d'électrodes carbonées a d'emblée été écartée en raison de l'utilisation, en tant que liant, de dérivés de pétrole qui, de manière connue, non seulement dégagent des vapeurs toxiques au cours de certaines étapes des procédés décrits, mais qui en QQutre ne sont pas adaptés à l'application de synthèse de nanotubes de carbone considérée, en raison de la fluctuation de leur composition et de la présence forte d'impuretés rédhibitoires au procédé, tels que l'oxygène et des éléments organiques lourds, ce qui ne permet pas de garantir la reproductibilité de la structure finale des électrodes fabriquées. A first series of documents concerning the industrial manufacture of carbonaceous electrodes has been ruled out from the outset because of the use, as a binder, of petroleum derivatives which, in a known manner, not only give off toxic vapors during certain stages of the described processes, but which in QQtre are not adapted to the application of synthesis of carbon nanotubes considered, due to the fluctuation of their composition and the strong presence of impurities unacceptable to the process, such as the oxygen and heavy organic elements, which does not guarantee the reproducibility of the final structure of the electrodes manufactured.
Or, tel que cela a déjà été évoqué précédemment, la réussite 15 de la réaction de synthèse de nanotubes de carbone dépend directement de cette dernière caractéristique. However, as already mentioned above, the success of the carbon nanotube synthesis reaction depends directly on this latter characteristic.
D'autres documents présentant l'utilisation de liants synthétiques qui permettent d'éviter ces différents inconvénients semblent par conséquent plus intéressants. Other documents showing the use of synthetic binders which make it possible to avoid these various disadvantages therefore seem more interesting.
Ainsi, le document US 4 431 503, par exemple, se rapporte à un procédé de fabrication d'électrodes carbonées destinées à une utilisation notamment dans le domaine de la production électrolytique d'aluminium et qui doivent donc présenter des propriétés leur permettant de résister aux fortes contraintes inhérentes à cette technologie. Thus, document US 4,431,503, for example, relates to a process for manufacturing carbonaceous electrodes intended for use in particular in the field of electrolytic production of aluminum and which must therefore have properties enabling them to withstand strong constraints inherent to this technology.
Ce document préconise, entre autres, de mélanger de la poudre de carbone, de préférence du coke, contenant des oxydes d'aluminium, avec une résine phénolique liquide thermodurcissable, de mettre le produit obtenu en forme par vulcanisation sous pression à faible température, puis de réaliser le recuit du produit. This document recommends, among other things, mixing carbon powder, preferably coke, containing aluminum oxides, with a thermosetting liquid phenolic resin, to put the product obtained in shape by vulcanization under pressure at low temperature, then to anneal the product.
Bien que ce procédé présente un certain nombre d'avantages, il n'est cependant pas adapté au problème de la synthèse d'électrodes destinées à la production de nanotubes de carbone dans lesquelles les métaux doivent nécessairement, au terme de la fabrication, se retrouver dans leur forme métallique, et non oxydée, pour pouvoir jouer leur rôle de catalyseurs. Although this process has a certain number of advantages, it is not however suitable for the problem of the synthesis of electrodes intended for the production of carbon nanotubes in which the metals must necessarily, at the end of manufacture, be found in their metallic form, and not oxidized, to be able to play their role of catalysts.
Au contraire, le document prévoit d'utiliser d'emblée, dans le mélange de départ, de l'aluminium oxydé ; en outre, les différents traitements préconisés, notamment thermiques, sont de nature à induire inévitablement une oxydation d'éventuelles particul's se trouvant sous forme métallique au départ. On the contrary, the document provides for the use, from the outset, of the oxidized aluminum in the starting mixture; in addition, the various treatments recommended, in particular thermal, are likely to induce inevitably oxidation of any particles in the form of metal initially.
D'autre part, on a pu constater qu'avec un tel procédé, il est pratiquement impossible d'utiliser du graphite, car son mouillage par la résine préconisée est une opération particulièrement délicate et difficile à réaliser convenablement. On the other hand, it has been found that with such a method, it is practically impossible to use graphite because its wetting by the recommended resin is a particularly delicate operation and difficult to achieve properly.
Le document US 4 775 455 concerne également un procédé de fabrication d'électrodes dans lequel des composés carbonés sont mélangés à des résines phénoliques pour obtenir un produit mis en forme par pression puis soumis à une série de traitements thermiques. US 4,775,455 also relates to a method of manufacturing electrodes in which carbon compounds are mixed with phenolic resins to obtain a product shaped by pressure and then subjected to a series of heat treatments.
Ce document ne prévoit pas non plus d'introduire des métaux 20 dans le mélange carboné initial et ne donne par conséquent pas de solution permettant de conserver ces derniers sous leur forme métallique en cours de procédé. This document also does not provide for the introduction of metals into the initial carbonaceous mixture and therefore does not provide a solution for keeping these in their metallic form during the process.
En outre, il déconseille l'utilisation de graphite pur dans le cadre d'une fabrication d'électrode par le biais du procédé en question, alors que l'emploi de carbone à taux très élevé en structure graphitique est tout à fait fondamental dans le cadre d'une fabrication d'électrodes destinées à la synthèse de nanotubes de carbone, cette matière première présentant la structure cristallographique la plus adaptée à cette application. In addition, it advises against the use of pure graphite as part of electrode fabrication through the process in question, while the use of very high carbon graphitic structure is quite fundamental in the part of a production of electrodes for the synthesis of carbon nanotubes, this raw material having the most suitable crystallographic structure for this application.
D'autre part, et contrairement à ce qui est enseigné dans le document précédemment cité, le document US 4 775 455 déconseille l'emploi d'une résine liquide thermodurcissable, sous prétexte que cette dernière ne permet pas d'atteindre les caractéristiques de densité requises pour une électrode de qualité. On the other hand, and contrary to what is taught in the aforementioned document, the document US Pat. No. 4,775,455 advises against the use of a thermosetting liquid resin, on the pretext that the latter does not make it possible to reach the density characteristics. required for a quality electrode.
Enfin, un autre inconvénient majeur rencontré dans chacun des deux documents cités, concerne la structure des électrodes, dans lesquelles on constate que le carbone qui les compose est défini par du carbone vitreux, peu ordonné, et peu propice à une synthèse optimale de nanotubes de carbone. Finally, another major disadvantage encountered in each of the two documents cited, relates to the structure of the electrodes, in which it is found that the carbon that composes them is defined by vitreous carbon, unordered, and not conducive to optimal synthesis of nanotubes. carbon.
Les documents de l'art antérieur ne proposent par conséquent pas de procédé apte à permettre la fabrication industrielle d'électrodes présentant une structure et une composition répondant aux exigences strictes requises dans le cadre de la synthèse de nanotubes de carbone par la technique de l'arc électrique. The documents of the prior art therefore do not propose a process capable of allowing the industrial manufacture of electrodes having a structure and a composition meeting the strict requirements required in the context of the synthesis of carbon nanotubes by the technique of the electric arc.
L'objet de la présente invention est de proposer un tel procédé. The object of the present invention is to provide such a method.
Ainsi, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'électrodes composites à base de carbone, du type utilisées pour la synthèse de nanotubes de carbone par arc électrique, dans lequel on mélange des composés riches en atomes de carbone avec un liant défini par au moins une résine thermodurcissable pour préparer une pâte, on donne une forme spécifique à ladite pâte en lui appliquant une pression, on soumet la forme obtenue à des traitements thermiques, caractérisé en ce que l'on utilise pour préparer ladite pâte, de la poudre de graphite, de la poudre d'éléments catalyseurs de la synthèse de nanotubes, au moins une résine phénolique thermodurcissable liquide à température ambiante, et que l'on homogénéise ces derniers à température ambiante. Thus, the present invention relates to a process for manufacturing carbon-based composite electrodes, of the type used for the synthesis of carbon nanotubes by electric arc, in which compounds rich in carbon atoms are mixed with a binder defined by FIG. less than a thermosetting resin for preparing a paste, a specific shape is given to said paste by applying a pressure to it, the form obtained is subjected to heat treatments, characterized in that the powder used to prepare said paste is graphite, the powder of catalyst elements of the synthesis of nanotubes, at least one thermosetting phenolic resin liquid at room temperature, and which is homogenized at room temperature.
Ainsi, la première étape du présent procédé consiste, tout d'abord, à mélanger intimement, à température ambiante, de la 30 poudre de graphite, de préférence synthétique et de granulométrie contrôlée, avec des éléments catalyseurs. Thus, the first step of the present process is, firstly, to intimately mix, at room temperature, graphite powder, preferably synthetic and controlled particle size, with catalyst elements.
Selon une première caractéristique du procédé selon l'invention, l'on utilise des poudres de graphite et d'éléments catalyseurs dont les particules présentent une taille comprise entre lpm et 80pm, de préférence de l'ordre de 40 pm. According to a first characteristic of the process according to the invention, use is made of graphite powders and catalyst elements whose particles have a size of between lpm and 80 μm, preferably of the order of 40 μm.
Cette caractéristique peut, le cas échéant, être ajustée par un broyage simple des poudres avant leur homogénéisation avec la résine, effectuée, selon le cas, manuellement ou mécaniquement. This characteristic may, if necessary, be adjusted by simple grinding of the powders before homogenization with the resin, carried out, as the case may be, manually or mechanically.
Ce mélange de poudre est malaxé à l'aide d'une mélangeuse à poudre jusqu'à ce l'on obtienne un mélange homogène. This powder mixture is kneaded using a powder mixer until a homogeneous mixture is obtained.
Selon une autre caractéristique du présent procédé, l'on introduit un mélange d'au moins deux éléments catalyseurs de la réaction de synthèse de nanotubes, de préférence un mélange d'au moins deux métaux dans une concentration totale inférieure à 6% de la masse totale de poudre de graphite, de préférence inférieure à 2%, de préférence encore, inférieure à 1% Du fait de la faible quantité d'éléments catalyseurs introduits, il est très difficile d'obtenir un mélange intime des poudres parfait, il est par conséquent primordial d'attacher une importance et un soin particuliers à leur homogénéisation. According to another characteristic of the present process, a mixture of at least two catalyst elements of the nanotube synthesis reaction, preferably a mixture of at least two metals in a total concentration of less than 6% of the mass, is introduced. total of graphite powder, preferably less than 2%, more preferably less than 1%. Due to the small amount of catalyst elements introduced, it is very difficult to obtain an ideal mixture of the perfect powders, it is It is therefore essential to attach particular importance and care to their homogenisation.
Selon une autre caractéristique avantageuse dudit procédé, il est encore prévu de mélanger les poudres à sec pour éviter toute oxydation des éléments chimiques au contact du liant utilisé. According to another advantageous characteristic of said process, it is also planned to mix the powders dry to prevent any oxidation of the chemical elements in contact with the binder used.
Tel que déjà mentionné précédemment, le type et la quantité de métaux utilisés pour la fabrication desdites électrodes constituent des paramètres déterminants pour le déroulement optimal de la synthèse de nanotubes de carbone, dans laquelle ces éléments jouent le rôle de catalyseurs aptes à induire la formation de l'arc électrique nécessaire à la réaction. As already mentioned above, the type and the quantity of metals used for the manufacture of said electrodes are determining parameters for the optimal course of carbon nanotube synthesis, in which these elements act as catalysts capable of inducing the formation of carbon nanotubes. the electric arc necessary for the reaction.
Ainsi, selon une caractéristique additionnelle du présent procédé, l'on utilise un mélange d'au moins deux métaux dont l'un 30 est choisi parmi les métaux de transition, et l'autre parmi les terres rares, les chalcogénures ou les métaux lourds. Thus, according to an additional feature of the present process, a mixture of at least two metals, one of which is selected from transition metals, and the other of rare earths, chalcogenides or heavy metals, is used. .
De tels métaux seront ainsi par exemple définis par du Nickel, de l'Yttrium, du Cobalt, du Fer ou du carbure de calcium. Such metals will thus be defined for example by nickel, yttrium, cobalt, iron or calcium carbide.
Selon une autre caractéristique du présent procédé, l'on introduit un % atomique de chaque métal constituant le mélange, le ratio entre l'élément majoritaire et l'élément minoritaire devant être compris entre 0,15 et 0, 25. According to another characteristic of the present process, an atomic% of each metal constituting the mixture is introduced, the ratio between the majority element and the minority element to be between 0.15 and 0.25.
Au mélange de poudre de graphite et de poudre de métaux, on ajoute ensuite un liant à base d'une ou plusieurs résines phénoliques dont les proportions respectives sont ajustées en fonction des propriétés que l'on recherche pour les barreaux, telles que la densité, ou la conductivité, notamment. To the mixture of graphite powder and metal powder is then added a binder based on one or more phenolic resins, the respective proportions of which are adjusted according to the properties that are sought for the bars, such as density, or conductivity, in particular.
La viscosité du liant, donc sa capacité à mouiller le graphite, est ajustée suivant trois paramètres, d'une part la nature du ou des résines utilisées, et d'autre part le taux de dilution de chaque résine et finalement la nature du solvant utilisé. The viscosity of the binder, and therefore its ability to wet the graphite, is adjusted according to three parameters, on the one hand the nature of the resin (s) used, and on the other hand the dilution ratio of each resin and finally the nature of the solvent used. .
Le liant est de préférence introduit sous forme de gouttelettes, au moyen d'un spray, dans le mélange de poudres. The binder is preferably introduced in the form of droplets, by means of a spray, into the mixture of powders.
La viscosité du liant est ajustée en adéquation avec le moyen de spray et avec la mouillabilité du graphite, entre 120 et 290 centipoise et de préférence entre 200 et 250 centipoise, au moyen d'un solvant organique, tel que par exemple l'acétone. The viscosity of the binder is adjusted in adequacy with the spray means and with the wettability of the graphite, between 120 and 290 centipoise and preferably between 200 and 250 centipoise, by means of an organic solvent, such as, for example, acetone.
Ce solvant est très volatile et permet d'adapter la viscosité du mélange sans y demeurer. Il est par contre nécessaire d'utiliser une acétone très pure afin d'éviter de polluer le mélange. This solvent is very volatile and allows to adjust the viscosity of the mixture without remaining there. It is necessary to use a very pure acetone to avoid polluting the mixture.
Le présent procédé prévoit en outre d'ajouter le liant de préférence au dernier moment au mélange de poudre de graphite et d'éléments catalyseurs, pour le mouiller de façon optimale. The present process further provides for adding the binder preferably at the last moment to the mixture of graphite powder and catalyst elements, to wet it optimally.
En fait, l'ajout du liant est possible lorsque le mélange des poudres est considéré comme homogène. In fact, the addition of the binder is possible when the mixture of powders is considered homogeneous.
Par ailleurs, la proportion de résine introduite dans le mélange de poudres est préalablement calculée par rapport à la masse totale du milieu et varie suivant le grade de barreau désiré. Moreover, the proportion of resin introduced into the powder mixture is previously calculated relative to the total mass of the medium and varies according to the desired bar grade.
Selon le présent procédé, la totalité de l'étape du mélange des éléments constitutifs de l'électrode, qui vient d'être décrite, peut être automatisée et présente donc à elle seule un gain de temps majeur par rapport aux méthodes utilisées antérieurement. According to the present method, the entire step of mixing the constituent elements of the electrode, which has just been described, can be automated and therefore alone represents a major time saving compared to the methods used previously.
Lorsque la poudre composée de métaux et de graphite est convenablement homogénéisée avec la résine, on obtient une poudre collante qui présente une forte tendance à l'agglomération, et qui conserve ses propriétés pendant au moins une heure, si elle n'est pas soumise à une évaporation excessive. When the powder composed of metals and graphite is suitably homogenized with the resin, a tacky powder is obtained which exhibits a strong tendency to agglomeration, and which retains its properties for at least one hour, if it is not subjected to excessive evaporation.
On peut alors procéder à l'étape suivante du présent procédé qui consiste à réaliser la mise en forme de la pâte en lui appliquant une pression, au moyen d'un appareil de mise en forme tel qu'une machine à extruder ou à injecter, dans une gamme de pression relativement large de 50 à 300 bars en continu, par exemple entre 150 et 300 bars, de préférence entre 250 et 300 bars Cette extrusion s'effectue ainsi sous une température comprise entre 50 C et 120 C, obtenue par l'échauffement de la poudre en rotation au moyen de la vis d'extrusion à l'intérieur de la buse d'extrusion, ce qui permet de donner une première réticulation de la croûte supérieure du barreau, et d'en faciliter l'entraînement ultérieur sur un tapis convoyeur. We can then proceed to the next step of the present process which consists of shaping the dough by applying pressure to it, by means of a shaping apparatus such as an extruder or an injection machine. in a relatively wide pressure range of 50 to 300 bar continuously, for example between 150 and 300 bar, preferably between 250 and 300 bar This extrusion is thus carried out under a temperature of between 50 C and 120 C, obtained by heating of the powder in rotation by means of the extrusion screw inside the extrusion nozzle, which makes it possible to give a first cross-linking of the upper crust of the bar, and to facilitate subsequent training thereof on a conveyor belt.
La mise en forme permet d'obtenir des barreaux de bonne qualité, présentant un état de surface parfait à l'oeil nu, et dont la longueur et le diamètre peuvent avantageusement varier et être adaptés en fonction des besoins ultérieurs. The shaping makes it possible to obtain bars of good quality, having a state of surface perfect with the naked eye, and whose length and diameter can advantageously vary and be adapted according to the subsequent needs.
Bien entendu, le présent procédé prévoit également la possibilité de mettre la matière en forme dans un moule en lui appliquant le même type de pression. Of course, the present method also provides the possibility of putting the material into shape in a mold by applying the same type of pressure.
Ceci conduit généralement à des barreaux plus petits que ceux obtenus par extrusion, mais qui présentent néanmoins les mêmes propriétés et caractéristiques du point de vue de leur composition et de leur structure. This generally leads to bars smaller than those obtained by extrusion, but which nevertheless have the same properties and characteristics from the point of view of their composition and structure.
Selon une autre particularité du présent procédé l'on réalise en outre une évacuation des solvants vaporisés pendant l'étape de mise en forme de la matière collante, ce qui permet avantageusement d'améliorer la densité des barreaux, et d'évacuer la majeure partie des composés oxygénés, grâce à un appauvrissement en solvant. According to another particularity of the present process, an evacuation of the vaporized solvents is also carried out during the step of forming the tacky material, which advantageously makes it possible to improve the density of the bars, and to evacuate most of the oxygenated compounds, thanks to a depletion in solvent.
De plus cette aspiration permet d'éliminer l'air qui pourrait être emprisonné dans la pâte visqueuse obtenue après le mélange du liant avec les poudres. In addition, this suction makes it possible to eliminate the air that could be trapped in the viscous paste obtained after mixing the binder with the powders.
La présence de bulle d'air est rédhibitoire dans le cadre de la production d'électrodes pour la synthèse de nanotubes de carbone. En effet si une bulle d'air venait à être bloquée dans un barreau, l'expansion volumique de l'air provoquée par le traitement thermique, conduirait à la mise sous pression du barreau et à son explosion. The presence of air bubbles is unacceptable in the context of the production of electrodes for the synthesis of carbon nanotubes. Indeed if an air bubble was to be blocked in a bar, the volume expansion of the air caused by the heat treatment, would lead to the pressurization of the bar and its explosion.
Les barreaux obtenus après l'étape de mise en forme peuvent ensuite éventuellement être soumis à un premier traitement thermique, effectué entre 110 C et 200 C, de préférence entre 150 et 180 C de préférence entre 160 et 170 c pendant une durée proportionnelle à leur taille, et au moyen de chauffe utilisé. The bars obtained after the shaping step can then optionally be subjected to a first heat treatment, carried out between 110 ° C. and 200 ° C., preferably between 150 ° C. and 180 ° C., preferably between 160 ° C. and 170 ° C. for a duration proportional to their temperature. size, and by means of heater used.
Ceci correspond à une vulcanisation dont l'objet est d'obtenir le durcissement des barreaux par réticulation de la résine. This corresponds to a vulcanization whose object is to obtain the hardening of the bars by crosslinking the resin.
Cette vulcanisation est effectuée au moyen d'un système capable de délivrer une chaleur homogène sur l'intégralité de la distance parcourue par les barreaux sur un tapis, entraîné par un système d'avance classique. This vulcanization is performed by means of a system capable of delivering a homogeneous heat over the entire distance traveled by the bars on a carpet, driven by a conventional advance system.
Du fait de la densité des barreaux recherchée, et de l'obligation de les cuire dans leur intégralité, le présent procédé prévoit d'utiliser un système de vulcanisation qui repose sur un chauffage par infra rouge permettant de cuire à coeur les pièces et d'avoir un chauffage homogène. Because of the density of the rods sought, and the obligation to cook them in their entirety, the present method provides for the use of a vulcanization system which relies on an infra-red heating to cook the parts and to heat the parts. have a homogeneous heating.
Selon une autre possibilité dudit procédé, permettant d'améliorer le déroulement de la réaction, l'on vérifie la fin de l'étape de vulcanisation avec un piège à composés volatils, défini par exem:le par une solution basique apte à changer de couleur au fur et à mesure de l'avancement de la réaction et d'en indiquer la fin. According to another possibility of said process, which makes it possible to improve the progress of the reaction, the end of the vulcanization step is checked with a volatile compound trap, defined for example by a basic solution capable of changing color. as the reaction progresses and indicates the end.
Bien que cette étape de vulcanisation soit facultative, elle a pour avantage de faciliter les réactions ultérieures du procédé ; en outre, après ce premier traitement thermique, les barreaux peuvent être stockés pendant une longue période, présentent une grande cohésion interne et sont aisément manipulables, aussi bien par un opérateur que par un automate. Although this vulcanization step is optional, it has the advantage of facilitating subsequent reactions of the process; in addition, after this first heat treatment, the bars can be stored for a long time, have a high internal cohesion and are easily manipulated, both by an operator than by an automaton.
Selon une autre caractéristique, l'on soumet lesdits barreaux à une carbonisation effectuée par paliers entre la température de vulcanisation et une température comprise entre 900 et 1100 C de préférence aux alentours de 1000 C, en fonction du liant utilisé sous atmosphère contrôlée, de préférence inerte en majorité, mais pouvant être constituée d'un mélange de gaz inerte et d'un gaz réducteur tel que l'hydrogène. According to another characteristic, said bars are subjected to carbonization carried out in stages between the vulcanization temperature and a temperature of between 900 and 1100 ° C., preferably around 1000 ° C., depending on the binder used under a controlled atmosphere, preferably inert mainly, but may consist of a mixture of inert gas and a reducing gas such as hydrogen.
Les paliers sont fonction des caractéristiques du liant utilisé. En effet majoritairement, les groupements volatils partent entre 90 et 450 C puis entre 600 et 800 C sous forme de recombinaison. The bearings are a function of the characteristics of the binder used. In fact, most of the volatile groups go from 90 to 450 C and then from 600 to 800 C in the form of recombination.
Il est par conséquent nécessaire d'adapter les rampes de chauffe en fonction des quantités de volatils à relarguer. Sur des phases où 50% des volatils doivent partir, la rampe de température est très faible et inversement. Cette étape se fait sous atmosphère contrôlée et réductrice car la moindre présence d'oxygène détruirait la structure des barreaux et les rendrait inutilisables. It is therefore necessary to adapt the heating ramps according to the quantities of volatiles to be released. On phases where 50% of the volatiles must leave, the temperature ramp is very low and vice versa. This step is done under a controlled and reducing atmosphere because the lesser presence of oxygen destroys the structure of the bars and renders them unusable.
Ce traitement permet de conférer aux barreaux leur structure finale, non seulement grâce à l'évacuation de tous les atomes d'azote et d'oxygène présents sous différentes formes au sein de la matière, mais aussi grâce à une amélioration de la structure du carbone, qui évolue d'un état déstructuré à un état plus structuré et présente donc des propriétés plus proches de celles du graphite que de celles du carbone amorphe. This treatment makes it possible to give the bars their final structure, not only thanks to the evacuation of all the nitrogen and oxygen atoms present in different forms within the material, but also thanks to an improvement of the carbon structure. , which evolves from a destructured state to a more structured state and therefore has properties closer to those of graphite than those of amorphous carbon.
Les températures élevées utilisées confèrent par conséquent au carbone la structure cristallographique spécifique dans laquelle la synthèse de nanotubes de carbone peut avoir lieu de manière optimale. The high temperatures used therefore confer on the carbon the specific crystallographic structure in which the synthesis of carbon nanotubes can take place optimally.
Ainsi, la présente invention concerne également une électrode obtenue par le biais du procédé de fabrication tel que précédemment détaillé, une telle électrode se caractérisant en ce qu'elle comprend du graphite et des éléments catalyseurs de la synthèse de nanotubes de carbone, ledit graphite étant organisé, du point de vue de sa structure cristallographique, d'une manière apte à conférer à ladite électrode une densité d'au moins 1,3, et une résistivité inférieure à 0, 026 ohm.cm. Thus, the present invention also relates to an electrode obtained by means of the manufacturing method as previously detailed, such an electrode being characterized in that it comprises graphite and catalyst elements of the synthesis of carbon nanotubes, said graphite being arranged, from the standpoint of its crystallographic structure, in a manner to impart to said electrode a density of at least 1.3, and a resistivity of less than 0.026 ohm.cm.
Pa.r ailleurs, selon une forme de réalisation préférentielle, une telle électrode se caractérise encore en ce que lesdits éléments catalyseurs de la synthèse de nanotubes de carbone qu'elle contient sont répartis de manière homogène sur l'ensemble de son volume. Moreover, according to a preferred embodiment, such an electrode is further characterized in that said catalyst elements for the synthesis of carbon nanotubes it contains are distributed homogeneously over its entire volume.
Les différents exemples décrits ci-après permettent, entre autres, d'illustrer que le procédé selon l'invention est parfaitement adapté à une mise en oeuvre industrielle qui peut en outre être effectuée à l'aide de machines classiques et peu onéreuses. The various examples described below make it possible, inter alia, to illustrate that the method according to the invention is perfectly suited to an industrial implementation which can also be carried out using conventional and inexpensive machines.
Exemple 1:Example 1
On introduit dans une mélangeuse à pales 4kg de graphite, de granulométrie centrée à 40pm, des catalyseurs métalliques en poudre Nickel et Yttrium de granulométrie contrôlée dans des proportions respectives entre 1 et 0,3 % atomique, et 1500ml d'une résine résole de viscosité égale à 125 centipoise. 4 kg of graphite, with a particle size distribution centered at 40 μm, are charged with nickel and yttrium powder metal catalysts of controlled particle size in proportions of between 1 and 0.3 at%, and 1500 ml of a resole resin of viscosity. equal to 125 centipoise.
La machine est mise en rotation, jusqu'à ce que la poudre soit collante, s'agglomère sur simple pression d'une spatule, et présente un aspect homogène. The machine is rotated until the powder is tacky, agglomerates with a simple pressure of a spatula, and has a homogeneous appearance.
On l'introduit alors dans la trémie d'une extrudeuse, présentant au moins une vis sans fin pour assurer sa mise sous pression, ou présentant deux vis sans fin placées en série, la première permettant d'assurer le convoyage et un brassage complémentaire de la matière, tandis que la seconde effectue l'extrusion proprement dite. It is then introduced into the hopper of an extruder, having at least one worm to ensure its pressurization, or having two worms placed in series, the first to ensure the conveying and a complementary stirring of matter, while the second performs the actual extrusion.
Durant toute la manipulation, on effectue une aspiration des solvants évacués, par exemple au moyen d'une pompe à palette, couplée à un piége à azote afin d'éviter la formation d'émulsions, placée à l'arrière de la vis d'extrusion, de sorte à limiter au maximum la porosité de la matière. During all the manipulation, an evacuation of the evacuated solvents is carried out, for example by means of a paddle pump, coupled to a nitrogen trap in order to avoid the formation of emulsions, placed at the rear of the screw of extrusion, so as to minimize the porosity of the material.
La matière qui sort de l'extrudeuse après quelques minutes présente alors un état de surface lisse, un aspect homogène et solide. The material that leaves the extruder after a few minutes then has a smooth surface, a homogeneous and solid appearance.
Elle est ensuite soumise à une vulcanisation, par chauffage à une température supérieure à 160 C, de préférence à 165 C sur un tapis de séchage, dont la vitesse peut être programmée en fonction du volume des barreaux. It is then subjected to vulcanization, by heating at a temperature above 160 ° C., preferably at 165 ° C. on a drying belt, the speed of which can be programmed as a function of the volume of the bars.
A la sortie de ce tapis, les barreaux sont assez solides pour être manipulés sans risques de détérioration. At the exit of this carpet, the bars are strong enough to be handled without risk of deterioration.
Une carbonisation est ensuite effectuée sous azote, dans un 25 four à balayage. Charring is then carried out under nitrogen in a scanning oven.
Le flux de gaz, fixé à 0,51/min passe dans une pelle présentant un volume utile de 3 1. The flow of gas, set at 0.51 / min, passes into a shovel with a working volume of 3 l.
La première rampe, fixée à 1,5 C/min, commence à 150 C pour s'achever à 835 C. The first ramp, set at 1.5 C / min, starts at 150 C and ends at 835 C.
Le refroidissement des barreaux est effectué avec le même débit et coupé à 150 C. The cooling of the bars is performed with the same flow rate and cut at 150 C.
Après analyse des barreaux, on constate qu'ils présentent une conductivité de 0,020 Ohm.cm, une densité de 1,4, qu'elles résistent à l'arc électrique et permettent la synthèse de nanotubes de carbone de type mono parois. After analysis of the bars, it is found that they have a conductivity of 0.020 Ohm.cm, a density of 1.4, they are resistant to the electric arc and allow the synthesis of carbon nanotubes mono-wall type.
Exemple 2Example 2
On effectue les mêmes opérations que dans l'exemple 1, mais 5 en réalisant la vulcanisation 30h seulement après la fin de l'extrusion, en plaçant les barreaux dans un four tubulaire préchauffé à une température supérieure à 160 C, de préférence à 165 C. The same operations as in Example 1 are carried out, but only after the end of the extrusion has been cured 30h, by placing the bars in a preheated tubular furnace at a temperature greater than 160.degree. C., preferably 165.degree. .
Les propriétés des barreaux obtenus après le second 10 traitement thermique, sont identiques à celles des barreaux obtenus lors de l'exemple 1. The properties of the bars obtained after the second heat treatment are identical to those of the bars obtained in Example 1.
Exemple 3Example 3
On effectue les mêmes opérations que dans l'exemple 1, mais en supprimant les deux traitements thermiques. The same operations as in Example 1 are carried out, but the two heat treatments are eliminated.
Bien que l'évacuation des solvants s'effectue peu à peu, au fil du temps, et que l'on constate une légère solidification des barreaux, la résine ne durcit pas totalement, et les électrodes ne présentent pas les propriétés mécaniques, électriques et chimiques des barreaux traités thermiquement. Although the evacuation of the solvents takes place little by little, over time, and that there is a slight solidification of the bars, the resin does not harden completely, and the electrodes do not have the mechanical, electrical and chemically treated bars.
De tels barreaux ne sont pas utilisables dans un four à arc électrique. Such bars are not usable in an electric arc furnace.
Exemple 4Example 4
On introduit 2kg de graphite dans une mélangeuse que l'on met en route avant de rajouter par un entonnoir du Nickel, de 25 l'Yttrium, et une résine résole de viscosité adaptée. 2 kg of graphite are introduced into a mixer which is started before adding, with a funnel, nickel, yttrium, and a resole resin of suitable viscosity.
Ce mode opératoire permet avantageusement de garantir un débit constant de la résine dans le mélange. This procedure advantageously makes it possible to guarantee a constant flow rate of the resin in the mixture.
La mélangeuse est poussée à sa vitesse maximale, pendant 10 minutes, puis l'extrusion de la poudre est effectuée avec une 30 extrudeuse dont la vitesse est réglée au minimum. The mixer is pushed to its maximum speed for 10 minutes and then the extrusion of the powder is carried out with an extruder whose speed is set to a minimum.
La matière sort au bout de 10 minutes en présentant un état de surface satisfaisant. The material leaves after 10 minutes with a satisfactory surface finish.
L'on constate en outre que le frottement avec les chemises d'usures de l'extrudeuse chauffe avantageusement la matière, ce qui facilite l'évaporation du solvant, et provoque une vulcanisation partielle de la résine en surface des barreaux. It is furthermore noted that the friction with the wear liners of the extruder advantageously heats the material, which facilitates the evaporation of the solvent, and causes a partial vulcanization of the resin on the surface of the bars.
Après l'extrusion, la matière est placée sur un tapis de séchage, préchauffé à 200 C, sur lequel elle est convoyée pendant plus de 20 minutes. After the extrusion, the material is placed on a drying mat, preheated to 200 C, on which it is conveyed for more than 20 minutes.
Une convection des effluents gazeux est effectuée conjointement par un ventilateur qui balaye le tapis. Convection of the gaseous effluents is carried out jointly by a fan which sweeps the carpet.
Les barreaux sont ensuite usinés de manière à pouvoir être insérés dans les supports d'un réacteur à arc électrique. Cet usinage est effectué avant le second traitement thermique. The bars are then machined so that they can be inserted into the supports of an electric arc reactor. This machining is performed before the second heat treatment.
Ce dernier est effectué en une fois, de 300 C à 985 C, avec une rampe de 2 C/min jusqu'à 700 C, puis de 1,5 C/min jusqu'à 985 C. The latter is carried out at once, from 300 C to 985 C, with a ramp of 2 C / min up to 700 C, then 1.5 C / min up to 985 C.
Un palier de 2h est observé à cette température. A plateau of 2h is observed at this temperature.
Le four utilisé présente un caisson étanche pour assurer la circulation de gaz neutre dans l'enceinte. The oven used has a sealed box to ensure the circulation of neutral gas in the enclosure.
Les débits de gaz et type de gaz sont les mêmes que pour 20 l'exemple 1. The gas flow rates and gas type are the same as for Example 1.
La densité des barreaux obtenus est de 1,3, ce qui correspond, là encore, à une valeur tout à fait satisfaisante pour l'application visée. The density of the bars obtained is 1.3, which corresponds, here again, to a value quite satisfactory for the intended application.
Exemple 5: On effectue le mélange entre les matières pulvérulentes et la résine à laEXAMPLE 5 The mixture is made between the pulverulent materials and the resin at
main sur quelques grammes, pendant 5 minutes, avec une spatule inox jusqu'à obtention d'une poudre humide sous forme de petits flocons. hand on a few grams, for 5 minutes, with a stainless steel spatula until obtaining a wet powder in the form of small flakes.
La poudre est ensuite soumise à une pression appliquée avec 30 un pilon, de sorte à former des pastilles présentant une densité de matière d'environ 2 g/cm3. The powder is then pressurized with a pestle to form pellets having a material density of about 2 g / cm 3.
Lors d'une première expérience, on effectue le premier traitement thermique de ces pastilles au four tubulaire, sans 2861089 16 convection particulière, tandis que le second traitement thermique est réalisé d'une traite en utilisant des creusets en quartz. In a first experiment, the first heat treatment of these pellets is carried out in the tubular furnace, without particular convection, while the second heat treatment is carried out in one go using quartz crucibles.
Le débit d'azote utilisé est fixé à 0,5L/min après purge du milieu pendant 5 minutes. Le flux d'azote est coupé après un palier de 2h à 950 C. Le refroidissement des barreaux prend 10h. The nitrogen flow rate used is set at 0.5L / min after purging the medium for 5 minutes. The flow of nitrogen is cut after a plateau of 2 hours at 950 C. The cooling of the bars takes 10 hours.
On n'obtient ici aucun résultat tangible. Tout le graphite est retrouvé sous forme de poudre, ainsi que les creusets. La masse carbonée est inférieure à celle introduite. There is no tangible result here. All the graphite is found in powder form, as well as the crucibles. The carbonaceous mass is lower than that introduced.
Les pastilles sont alors soumises aux conditions de l'exemple 2, incluant le traitement thermique jusqu'à 635 C. The pellets are then subjected to the conditions of Example 2, including the heat treatment up to 635 C.
On obtient alors une pastille solide, mais cependant bien que plus fragile que les barreaux des exemples précédents. A solid pellet is then obtained, but however more fragile than the bars of the preceding examples.
Ainsi, dans cet exemple, les conditions et la quantité de résines carbonisées ne permettent pas de conduire à des électrodes présentant, après le second traitement thermique, une cohésion mécanique suffisante, même si la densité observée est supérieure à 1,6. Thus, in this example, the conditions and the quantity of carbonized resins do not make it possible to lead to electrodes having, after the second heat treatment, a sufficient mechanical cohesion, even if the density observed is greater than 1.6.
Cet exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet par conséquent de montrer qu'une mise en oeuvre manuelle conduit à des résultats hasardeux, peu reproductibles, et que les électrodes fabriquées de la sorte ne présentent pas les propriétés requises dans le cadre d'une utilisation en tant que combustible pour la synthèse de nanotubes de carbone. This example of implementation of the method according to the invention therefore makes it possible to show that a manual implementation leads to hazardous, poorly reproducible results, and that the electrodes manufactured in this way do not have the properties required in the context of the invention. of use as a fuel for the synthesis of carbon nanotubes.
Ainsi qu'il ressort clairement de ce qui précède, le présent procédé est à même de permettre une fabrication industrielle et reproductible d'électrodes présentant les caractéristiques structurales, physiques, électriques et thermiques qu'exige cette application spécifique, tout en garantissant des conditions de mise en oeuvre présentant le coût le plus bas pour le minimum de risques, aussi bien du point de vue de la sécurité des manipulateurs que de celui de la dégradation de l'environnement. As is clear from the foregoing, the present process is capable of allowing an industrial and reproducible fabrication of electrodes having the structural, physical, electrical and thermal characteristics required by this specific application, while guaranteeing conditions of implementation with the lowest cost for the minimum of risk, both from the point of view of the safety of the manipulators as of that of the degradation of the environment.
Bien que l'invention ait été décrite à propos de quelques formes de réalisation particulières, il est bien entendu qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut y apporter diverses modifications de forme, de matériaux et de combinaisons de ces divers éléments, sans pour cela s'éloigner du cadre et de l'esprit de l'invention. Although the invention has been described with respect to some particular embodiments, it is understood that it is in no way limited and that various modifications of shape, materials and combinations thereof can be made. without departing from the framework and spirit of the invention.
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---|---|---|---|---|
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FR2140489A1 (en) * | 1971-06-10 | 1973-01-19 | Fischer Ag Georg | Shaped separate bodies - prodn from granular carbon-contg material and phenoplast binders which can be carbonised |
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
TAKIKAWA HIROFUMI ET AL: "Carbon nanotubes in cathodic vacuum arc discharge", JOURNAL OF PHYSICS D ,APPLIED PHYSICS, IOP PUBLISHING ,UK, vol. 33, no. 7, 7 April 2000 (2000-04-07), pages 826 - 830, XP002282326, ISSN: 0022-3727 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2861089B1 (en) | 2007-01-12 |
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