WO2004074558A1 - Dispositif pour la fabrication de fibres et/ou de rubans, a partir de particules placees en suspension dans une premiere solution - Google Patents

Dispositif pour la fabrication de fibres et/ou de rubans, a partir de particules placees en suspension dans une premiere solution Download PDF

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WO2004074558A1
WO2004074558A1 PCT/FR2004/050067 FR2004050067W WO2004074558A1 WO 2004074558 A1 WO2004074558 A1 WO 2004074558A1 FR 2004050067 W FR2004050067 W FR 2004050067W WO 2004074558 A1 WO2004074558 A1 WO 2004074558A1
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solution
ribbons
fibers
solutions
convergence zone
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PCT/FR2004/050067
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Marie Dieudonne
Julien Sainte Catherine
Christian Scheidt
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NANOLEDGE (Société Anonyme)
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    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00—Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/40—Formation of filaments, threads, or the like by applying a shearing force to a dispersion or solution of filament formable polymers, e.g. by stirring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01D—MECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D4/00—Spinnerette packs; Cleaning thereof
    • D01D4/02—Spinnerettes
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof

Definitions

  • the present invention relates to a device for the manufacture of fibers and / or ribbons, from particles placed in suspension in a first solution and brought into contact with at least one agent, capable of causing their aggregation, placed in a second solution, said device comprising means for creating shear forces between said first and second solutions so as to allow preferential orientation of the particles during their aggregation.
  • Such a device can in particular be used to shape particles such as carbon nanotubes in order to facilitate their handling and promote their industrialization.
  • Carbon nanotubes have, in known manner, an abundance of very efficient physical properties promising possibilities of application in many fields, in particular in mechanics for the reinforcement of composite materials, in electronics to improve speed, longevity and the effectiveness of the components, and in other fields in which different properties are used simultaneously.
  • the methods proposed for synthesizing such fibers or composite materials envisage dispersing the nanotubes beforehand in the polymer matrices and then extruding the mixture through small orifices.
  • This document describes a process which mainly consists in injecting a suspension of said nanotubes into a viscous flowing solution which contains a polymer capable of destabilizing the suspension to cause aggregation of said nanotubes in the form of thin ribbons, made up of a tangle of nanotubes which have a preferential orientation resulting from the flow of the solution.
  • the fibers obtained in this way have a high loading rate, and are made up of aligned nanotubes, this process does not make it possible to envisage manufacturing on an industrial scale, because the devices currently available for its implementation are not capable of operate continuously.
  • the conventional devices also do not make it possible to control the elongation forces when the two solutions come into contact, but only the shear forces. These two forces having a preponderant role on the structure and on the final properties of the fibers, this failure to control one of the key parameters is an obstacle to obtaining good quality fibers which can be used industrially.
  • the object of the present invention is therefore to propose a device making it possible to industrially manufacture fibers or ribbons from particles such as carbon nanotubes, in particular in order to obtain structures of large size and length, which can reach several kilometers .
  • the invention relates to a device for the manufacture of fibers and / or ribbons, from particles placed in suspension in a first solution and brought into contact with at least one agent, capable of causing their aggregation, placed in a second solution, comprising means for creating shear forces between said first and second solutions so as to allow preferential orientation of the particles during their aggregation, characterized in that it comprises a head of substantially cylindrical shape within which are defined two channels, one of them being intended to circulate said first solution while the other is intended to circulate said second solution, each of them having at least one inlet orifice and at at least one outlet, respectively placed upstream and downstream of the direction of flow of said first or second solution, and the outlet of each Said channels opening into a convergence zone where said first and second solutions are brought to meet to allow the
  • the channel capable of circulating the first solution, consists of a nozzle capable of being displaced axially in the cylindrical head and extending in the axis of the latter by defining a trajectory of preferably straight or conical for said first solution, while said channel capable of circulating said second solution extends annularly around said nozzle by defining a substantially conical trajectory for said second solution, the apex of said conical trajectory defining and / or extending through said convergence zone of said first and second solutions.
  • the elongation points are adjustable by displacement of the nozzle (the speed profile is modified): this makes it possible to control the density of the material as well as the alignment of the particles. They are also adjustable thanks to the geometry of the easily interchangeable nozzle.
  • said nozzle is mounted in the cylindrical head through means making it possible to adjust its position, such as in particular a trapezoidal screw so that the outlet orifice of said first solution opens out to a determined location in said convergence zone.
  • said nozzle may also comprise several outlet orifices for said first solution, said outlet orifices may have sections of variable shape.
  • said cylindrical head consists of at least two cylindrical elements whose internal volumes have complementary parts capable of defining, after assembly of the two elements, the convergence zone of said first and second solutions, one of the two elements being interchangeable and capable of varying the shape of said convergence zone.
  • the present device is also characterized in that said convergence zone is extended by a tube of variable length.
  • said device further comprises at least one enclosure for rinsing said fibers or said ribbons, said enclosure comprising means for recycling said second solution, allowing its reuse in the process of manufacturing said fibers or said ribbons.
  • said rinsing chamber or chambers are equipped with means capable of regulating the temperature of the rinsing bath, and, as necessary, of varying it between 0 ° and 250 ° C.
  • the present device comprises drying means able to allow optimal adjustment of the drying temperature.
  • said drying means are defined by an infrared lamp with a power of 1000 Watts and a length of 350 mm.
  • the present device also comprises means for drawing said fibers or said ribbons during their manufacture.
  • Said stretching means are preferably defined by rollers placed along the path traversed by said fibers or said ribbons after their synthesis, said rollers being driven by rotational speeds different from each other.
  • said device also comprises pumping means able to drive said first and second solutions in said channels.
  • the present device also comprises means for filtering said first and second solutions.
  • the present device can also be equipped with means capable of allowing a complementary physical or chemical treatment of said fibers or of said ribbons once manufactured.
  • FIG. 1 and 2 show schematic sectional views of a cylindrical head entering the structure of a device according to the invention, and the constituent means of which occupy different positions, - Figure 3 corresponds to a schematic view d of this device.
  • the invention relates to a device for the manufacture of structures of the type in particular fibers, multifilaments, anisotropic thin films, or the like, from particles such as carbon nanotubes.
  • such a device mainly consists of a head 1 of substantially cylindrical shape, for example made of stainless steel, inside which a first solution of a suspension of carbon nanotubes is contacting a second solution containing at least one agent, such as a polymer, capable of causing aggregation of said carbon nanotubes, with an alignment of the latter under the effect of both shear forces and elongation created between said two solutions.
  • such a cylindrical head 1 is designed so as to delimit internally two channels 2, 3, intended respectively to allow the circulation of the first and of the second solutions.
  • the injection of said first and second solutions into the respective channels 2, 3 is carried out by means of pumping means 16, if necessary, after filtration of said first and / or said second solution using filtration means 17 classics.
  • Each of said channels 2, 3 has an inlet orifice 20, 30 and at least one outlet orifice 21, 31 of the first or second solution, placed respectively upstream and downstream by considering the direction of circulation of said solutions in the channels 2, 3.
  • each outlet orifice 21, 31 of said first or second solution opens into a convergence zone 4.
  • a jet of said first solution circulating in channel 2 is caused to meet, within said convergence zone 4, a jet of said second solution, which causes immediate aggregation of the particles of carbon nanotubes in suspension in said first solution in contact with an appropriate agent, in particular a polymer, contained in said second solution, and their alignment within the aggregate, of the makes shear and elongation forces created by the meeting between said two jets of solutions.
  • the channel 2 provided capable of circulating said first solution consists, according to the present invention, of a nozzle 22 mounted in the axis of said cylindrical head 1 and defining a trajectory preferably straight or conical for said first solution, then that the channel 3 extends annularly around the nozzle 22 and defines a conical trajectory for said second solution.
  • said convergence zone 4 is coincident with the vertex of said conical trajectory or extends the latter.
  • the shape and the particular orientation of the nozzle 22 and of the channel 3 advantageously make it possible to inject the first and second solutions concentrically into the convergence zone 4.
  • said nozzle 22 is mounted in the head 1 through a trapezoidal screw 5, the maneuver of which allows the position of said nozzle 22 and, consequently, of said orifice, to be adjusted. exit 21, in relation to the convergence zone 4.
  • the change in position of said nozzle 22 has a direct impact on the speeds and on the elongational forces exerted on the first and second solutions when they enter the convergence zone 4, which contributes also to modify the shear created by their meeting in said convergence zone 4.
  • the shear, as well as the elongational forces between the two solutions is very pronounced and the aggregation takes place in a convergence zone 4 of dimension shorter, which leads to a fiber in which the nanotubes are aligned along the axis, and around which the polymer, serving as an aggregating agent, forms a kind of sheath.
  • the nozzle 22 when the nozzle 22 is set in the position shown diagrammatically in FIG. 2, the shear and the elongational forces between the two solutions is lower, the zone of aggregation is longer, and the polymer will be more able to penetrate at the heart of the fiber in which the alignment of the nanotubes will be less.
  • Adjustment of the nozzle 22, through the trapezoidal screw 5, in other intermediate positions therefore advantageously makes it possible to play both on the level of the polymer, varying between 0% and 70%, and on the manner in which the nanotubes are aligned in the fiber.
  • the nozzle 22 can moreover be very easily disassembled, for cleaning or maintenance operations in particular.
  • the nozzle 22 may have a plurality of outlet orifices 21 from said first solution, preferably having a converging conical shape, so as to allow a pre-alignment of the nanotubes just before their aggregation, each of these orifices outlet 21 may further have a section of various shape, and a variable dimension, depending on the viscosity of the solutions used.
  • the convergence zone 4 is also extended by a tube 6 of variable length, inside which the aggregation of the nanotubes continues more or less long depending on the length of said tube 6.
  • the latter therefore makes it possible to adjust the contact distance between said first and second solutions, and to optimize the properties of the fiber.
  • the adjustment of the length of the tube 6 also allows the use of several kinds of agents for the aggregation of nanotubes, each of them requiring, in known manner, and according to their nature, contact durations between the two different solutions.
  • the cylindrical head 1 can consist of two interchangeable cylindrical parts 10, 11, and defining internally, after assembly, by means of complementary parts, the convergence zone 4.
  • the device according to the present invention also comprises two rinsing chambers 7, one of them being located immediately in the extension of the tube 6, which can end in a bent area immersed in the rinsing bath and promoting the introduction of fiber 8 into said bath.
  • the purpose of these rinsing chambers 7 is to allow the elimination of the surplus of said second solution on the surface of the fiber 8.
  • They also include means capable of regulating the temperature of the rinsing bath, so as to vary the latter between 0 ° C and ° 250C, depending on the fiber.
  • said rinsing chambers 7 are also equipped with means capable of recovering and recycling said second solution, in order to reinject it continuously into the device after filtration for a new synthesis cycle.
  • the present device also comprises means for drying said synthesized materials, capable of allowing the adjustment of the drying temperature, such as an infrared lamp 9, having, for example, a power of 1000 Watts and a length of 350 mm.
  • means for drying said synthesized materials capable of allowing the adjustment of the drying temperature, such as an infrared lamp 9, having, for example, a power of 1000 Watts and a length of 350 mm.
  • This infrared lamp 9 will preferably be arranged so as to allow the fiber to dry vertically, which contributes to a better homogeneity and circularity of the latter, and to avoid any tension problem.
  • means for drawing the fiber defined, for example, by a plurality of rollers 12 placed upstream and downstream of the infrared lamp 9, and driven by different rotational speeds through a stepper motor, it is notably possible to improve the mechanical properties of the fiber.
  • Such a stretch can, on the other hand, also be obtained by the action of rollers 12, driven at different speeds, on a fiber from birth, or when passing through the rinsing bath (s).
  • the present device can, moreover, also be equipped with various means capable of allowing the implementation of complementary treatments of the fiber after it has dried.
  • the present device therefore has many advantages.
  • the fibers obtained have improved properties and varied characteristics compared to those obtained conventionally.
  • the device is simple and easy to handle, to clean and allows industrial and controlled manufacturing of a wide range of fibers.

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Abstract

Dispositif pour la fabrication de fibres et/ou de rubans, à partir de particules placées en suspension dans une première solution et mises au contact d'au moins un agent, apte à provoquer leur agrégation, placé dans une seconde solution, comprenant des moyens aptes à permettre une orientation préférentielle des particules lors de leur agrégation. Il comprend une tête (1) au sein de laquelle sont définis canaux (2, 3), l'un destiné à faire circuler la première solution et l'autre à faire circuler la seconde solution, chacun présentant au moins un orifice de sortie (21, 31), débouchant dans une zone de convergence (4) où lesdites première et seconde solutions sont amenées à se rencontrer pour permettre l'agrégation des particules en suspension, les canaux (2, 3) étant prévus mobiles l'un par rapport à l'autre pour permettre le déplacement d'un orifice de sortie (21, 31) par rapport l'autre.

Description

DISPOSITIF POUR LA FABRICATION DE FIBRES ET/OU DE RUBANS , A PARTIR DE PARTICULES PLACEES EN SUSPENSION DANS UNE PREMIERE SOLUTION.
La présente invention a pour objet un dispositif pour la fabrication de fibres et/ou de rubans, à partir de particules placées en suspension dans une première solution et mises au contact d'au moins un agent, apte à provoquer leur agrégation, placé dans une seconde solution, ledit dispositif comprenant des moyens de création de forces de cisaillement entre lesdites première et seconde solutions de sorte à permettre une orientation préférentielle des particules lors de leur agrégation.
Un tel dispositif pourra en particulier être utilisé pour mettre en forme des particules telles que des nanotubes de carbone afin de faciliter leur manipulation et favoriser leur industrialisation.
Les nanotubes de carbone présentent, en effet, de manière connue , une abondance de propriétés physiques très performantes promettant des possibilités d' pplication dans de nombreux domaines, notamment en mécanique pour le renfort de matériaux composites , en électronique pour améliorer la rapidité , la longévité et l'efficacité des composants, et dans d'autres domaines dans lesquels différentes propriétés sont utilisées simultanémen .
A l'heure actuelle, l'élargissement de la mise en oeuvre de ces particules dans les applications concernées est cependant nettement freiné par la difficulté que l'on rencontre pour transformer le matériau brut issu de leur synthèse, qui se présente sous la forme d'une suie délicate et fragile, en une structure stable, facile à manipuler, reproductible industriellement, et dans laquelle les propriétés intrinsèques sont conservées. Plusieurs méthodes ont néanmoins été développées à cet effet, et l'une d'entre elles consiste, par exemple, à mélanger d'abord de telles particules à des matrices de polymères , pour fabriquer ensuite des fibres ou des matériaux composites plus pratiques à manipuler.
En fait, de manière classique, les procédés proposés pour synthétiser de tels fibres ou matériaux composites prévoient de disperser au préalable les nanotubes dans les matrices de polymères puis d'extruder le mélange à travers de petits orifices.
Cependant, les propriétés des structures obtenues par le biais de ces méthodes sont fortement limitées, en particulier en raison de la difficulté que l'on rencontre pour réaliser, de manière suffisamment convenable, l'opération de dispersion des nanotubes de carbone dans des matrices organiques, et obtenir des produits homogènes , présentant un taux de charge satisfaisant.
Ainsi , une mauvaise dispersion des nanotubes dans la matrice donne souvent lieu à des agglomérats qui non seulement provoquent des sones de concentration de contraintes et la diminution de la résistance mécanique, mais qui nécessitent en outre l'ajout d'un fort taux de charge pour améliorer les propriétés électriques ou de conduction de la structure fabriquée.
D'autres procédés, tels que par exemple celui décrit dans le document WO 01/63028 ont alors été développés, afin de tenter de pallier ces inconvénients .
Ce document décrit un procédé qui consiste principalement à injecter une suspension desdits nanotubes dans une solution visqueuse qui s'écoule et qui contient un polymère apte à déstabiliser la suspension pour provoquer l'agrégation desdits nanotubes sous forme de rubans fins, constitués d'un enchevêtrement de nanotubes qui ont une orientation préférentielle résultant de l'écoulement de la solution.
Bien que les fibres obtenues ainsi présentent un taux de charge important, et sont constituées de nanotubes alignés, ce procédé ne permet pas d' envisager une fabrication à une échelle industrielle, car les dispositifs disponibles actuellement pour sa mise en œuvre ne sont pas capables de fonctionner en continu.
De ce fait, il n'est possible de fabriquer que des fibres ou rubans dont la longueur est limitée à quelques centimètres seulement, ce qui est largement insuffisant pour la plupart des applications visées .
Le document WO 02/055769, qui s'inspire du document précité, décrit un procédé de fabrication d' une structure contenant des nanotubes de carbone , et qui est plus particulièrement limité des nanotubes mono-paroi. Cependant ce procédé ne permet d'atteindre objectif visé par la présente invention.
Par ailleur , les dispositifs classiques ne permettent pas non plus de maîtriser les forces d'élongation lors de l'entrée en contact des deux solutions mais seulement les forces de cisaillements . Ces deux forces ayant un rôle prépondérant sur la structure et sur les propriétés finales des fibres, cette non maîtrise d'un des paramètres clé est un frein à l'obtention de fibres de bonne qualité utilisable industriellement.
La présente invention a pour conséquent pour objet de proposer un dispositif permettant de fabriquer industriellement des fibres ou rubans à partir de particules telles que des nanotubes de carbone, en particulier afin d'obtenir des structures de taille et de longueur importante, pouvant atteindre plusieurs kilomètres . A cet effet, l'invention concerne un dispositif pour la fabrication de fibres et/ou de rubans, à partir de particules placées en suspension dans une première solution et mises au contact d'au moins un agent, apte à provoquer leur agrégation, placé dans une seconde solution, comprenant des moyens de création de forces de cisaillement entre lesdites première et seconde solutions de sorte à permettre une orientation préférentielle des particules lors de leur agrégation, caractérisé en ce qu' il comprend une tête de forme sensiblement cylindrique au sein de laquelle sont définis deux canaux, l'un d' entre eux étant destiné à faire circuler ladite première solution tandis que l'autre est destiné à faire circuler ladite seconde solution, chacun d'entre eux présentant au moins un orifice d'entrée et au moins un orifice de sortie, respectivement placés en amont et en aval du sens de circulation de ladite première ou seconde solution, et l'orifice de sortie de chacun desdits canaux débouchant dans une zone de convergence où lesdites première et seconde solutions sont amenées à se rencontrer pour permettre l'agrégation des particules en suspension dans ladite première solution au contact de l'agent contenu dans ladite seconde solution, et une orientation préférentielle desdites particules lors de leur agrégation sous l'effet à la fois de forces de cisaillement et de forces d' élongation induites par la rencontre entre lesdites première et seconde solution, et ce que lesdits canaux sont prévus mobiles l' un par rapport à l' autre de manière à permettre le déplacement d'un orifice de sortie par rapport l'autre en sorte d'autoriser une modification de ladite zone de convergence.
La modification de la zone de convergence par le déplacement d'un orifice de sortie par rapport l'autre, permet de modifier le profil des vitesses et ainsi de l'alignement des particules dans la solution et la densité du matériau, ainsi que de faire varier la composition de la structure, ce qui ne peut être réalisé avec les dispositifs et procédés existants et précédemment cités . Selon une première caractéristique du présent dispositif, le canal, apte à faire circuler la première solution, est constitué d'une buse apte à être déplacée axialement dans la tête cylindrique et s'étendant dans l'axe de cette dernière en définissant une trajectoire de préférence rectiligne ou conique pour ladite première solution, tandis que ledit canal apte à faire circuler ladite seconde solution s'étend de manière annulaire autour de ladite buse en définissant une trajectoire sensiblement conique pour ladite seconde solution, le sommet de ladite trajectoire conique définissant et/ou se prolongeant par ladite zone de convergence desdites première et seconde solutions .
Les orces d' élongation sont réglables par déplacement de la buse (on modifie le profil des vitesses) : ceci permet de maîtriser la densité du matériau ainsi que l'alignement des particules. Elles sont également réglables grâce à la géométrie de la buse facilement interchangeable.
Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, ladite buse est montée dans la tête cylindrique au travers de moyens permettant d'assurer un réglage de sa position, tels que notamment une vis trapézoïdale de sorte que l'orifice de sortie de ladite première solution débouche à un emplacement déterminé dans ladite zone de convergence.
Selon un mode de réalisation envisageable, ladite buse peut par ailleurs comporter plusieurs orifices de sortie de ladite première solution, lesdits orifices de sortie pouvant présenter des sections de forme variable.
Selon une autre caractéristique, ladite tête cylindrique est constituée d' au moins deux éléments cylindriques dont les volumes internes présentent des parties complémentaires aptes à définir, après assemblage des deux éléments, la zone de convergence desdites première et seconde solutions, l'un des deux éléments étant interchangeable et apte à faire varier la forme de ladite zone de convergence.
Dans un mode de réalisation préférentiel, le présent dispositif se caractérise également en ce que ladite zone de convergence est prolongée par un tube de longueur variable.
Selon une caractéristique additionnelle, ledit dispositif comprend en outre au moins une enceinte de rinçage desdites fibres ou desdits rubans, ladite enceinte comprenant des moyens de recyclage de ladite seconde solution, permettant sa réutilisation dans le processus de fabrication desdites fibres ou desdits rubans .
De préférence, la ou lesdites enceintes de rinçage sont équipées de moyens aptes à régler la température du bain de rinçage, et, selon les besoins, de la faire varier entre 0° et 250°C
Par ailleurs , selon une autre caractéristique , le présent dispositif comprend des moyens de séchage aptes à permettre un réglage optimal de la température de séchage.
Selon un mode de réalisation préférentiel, lesdits moyens de séchage sont définis par une lampe à infra-rouge d'une puissance de 1000 Watts et d'une longueur de 350 mm.
Selon une caractéristique supplémentaire, le présent dispositif comprend encore des moyens d' étirage desdites fibres ou desdits rubans au cours de leur fabrication.
Lesdits moyens d' étirage sont de pré érence définis par des rouleaux placés le long de la trajectoire parcourue par lesdites fibres ou lesdits rubans après leur synthèse, lesdits rouleaux étant animés de vitesses de rotation différentes les unes des autres . Selon une caractéristique additionnelle, ledit dispositif comprend également des moyens de pompage aptes à entraîner lesdites premières et seconde solution dans lesdits canaux.
Selon une autre caractéristique, le présent dispositif comprend par ailleurs des moyens de filtration desdites première et seconde solution.
Avantageusement, le présent dispositif peut également être équipé de moyens aptes à permettre un traitement physique ou chimique complémentaire desdites fibres ou desdits rubans une fois fabriqués .
L'invention et ses avantages seront à présent mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, se rapportant à des exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif.
La compréhension de cette description sera facilitée au vu des figures jointes en annexe dans lesquelles :
- les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques en coupe d'une tête cylindrique entrant dans la structure d'un dispositif selon l'invention, et dont les moyens constitutifs occupent des positions différentes, - la figure 3 correspond à une vue schématique d'ensemble du présent dispositif.
L'invention concerne un dispositif pour la fabrication de structures du type notamment fibres, multifilaments , films minces anisotropes , ou autres , à partir de particules telles que des nanotubes de carbone.
Selon l'invention, un tel dispositif est principalement constitué d'une tête 1 de forme sensiblement cylindrique, par exemple en acier inoxydable, à l'intérieur de laquelle une première solution d'une suspension de nanotubes de carbone est mise au contact d'une seconde solution contenant au moins un agent, tel qu'un polymère, apte à provoquer une agrégation desdits nanotubes de carbone, avec un alignement de ces derniers sous l'effet à la fois de forces de cisaillement et d'élongation créées entre lesdites deux solutions .
En fait, telle que schématisée aux figures 1 et 2, une telle tête cylindrique 1 est conçue de manière à délimiter intérieurement deux canaux 2 , 3 , destinés respectivement à permettre la circulation de la première et de la seconde solutions .
L'injection desdites première et seconde solutions dans les canaux 2 , 3 respectifs est effectuée grâce à des moyens de pompage 16, le cas échéant, après filtration de ladite première et/ou de ladite seconde solution à l'aide de moyens de filtration 17 classiques.
Chacun desdits canaux 2, 3 présente un orifice d'entrée 20, 30 et au moins un orifice de sortie 21, 31 de la première ou seconde solution, placés respectivement en amont et en aval en considérant le sens de circulation desdites solutions dans les canaux 2 , 3.
Selon la présente invention, chaque orifice de sortie 21, 31 desdites première ou seconde solution débouche dans une zone de convergence 4.
Ainsi, un jet de ladite première solution circulant dans le canal 2 est amené à rencontrer, au sein de ladite zone de convergence 4, un jet de ladite seconde solution, ce qui provoque l'agrégation immédiate des particules de nanotubes de carbone en suspension dans ladite première solution au contact d'un agent approprié, notamment un polymère, contenu dans ladite seconde solution, et leur alignement au sein de l'agrégat, du fait des forces de cisaillement et d' élongation créées par la rencontre entre lesdits deux jets de solutions.
De préférence, le canal 2 prévu apte à faire circuler ladite première solution consiste, selon la présente invention, en une buse 22 montée dans l'axe de ladite tête cylindrique 1 et définissant une trajectoire de préférence rectiligne ou conique pour ladite première solution, alors que le canal 3 s'étend de manière annulaire autour de la buse 22 et définit une trajectoire conique pour ladite seconde solution.
Selon le cas , ladite zone de convergence 4 est confondue avec le sommet de ladite trajectoire conique ou prolonge cette dernière.
La forme et l'orientation particulière de la buse 22 et du canal 3 permettent avantageusement d' injecter les première et seconde solutions de manière concentriques dans la zone de convergence 4.
Par ailleurs, selon une caractéristique particulièrement avantageuse, ladite buse 22 est montée dans la tête 1 au travers d' un vis trapézoïdale 5 dont la manosuvre permet d' ssurer le réglage de la position de ladite buse 22 et, par conséquent, dudit orifice de sortie 21, par rapport à la zone de convergence 4.
Ainsi cette position, plus ou moins en avant dans ladite zone de convergence 4 , permet de modifier les dimensions de cette dernière, et peut être finement réglée en fonction des caractéristiques et propriétés que l'on souhaite conférer au matériau fabriqué.
En fait, le changement de position de ladite buse 22 a un impact direct sur les vitesses et sur les forces élongationnelles s'exerçant sur les première et seconde solutions lorsqu'elles pénètrent dans la zone de convergence 4 , ce qui contribue également à modifier le cisaillement créé par leur rencontre dans ladite zone de convergence 4.
Ainsi, par exemple, lorsque la buse 22 est réglée dans la position représentée à la figure 1, le cisaillement, ainsi que les forces élongationnelles entre les deux solutions est très prononcé et l'agrégation s'effectue dans une zone de convergence 4 de dimension plus courte, ce qui conduit à une fibre dans laquelle les nanotubes sont alignés le long de l'axe, et autour de laquelle le polymère, servant d'agent d'agrégation, forme une sorte de gaine.
Par contre, lorsque la buse 22 se trouve réglée dans la position schématisée à la figure 2 , le cisaillement et les forces élongationnelles entre les deux solutions est moins élevé, la zone d'agrégation est plus longue, et le polymère sera plus apte à pénétrer au cœur de la fibre dans laquelle l'alignement des nanotubes sera moindre.
Un réglage de la buse 22, au travers de la vis trapézoïdale 5, dans d' utres positions intermédiaires permet donc avantageusement de jouer à la fois sur le tauss de polymère, variant entre 0 %et 70%, et sur la manière dont les nanotubes sont alignés dans la fibre.
D'autre part, grâce à ladite vis trapézoïdale 5, la buse 22 peut de plus être très facilement démontée , pour des opérations de nettoyage ou de maintenance notamment.
Selon une autre caractéristique, la buse 22 peut présenter une pluralité d'orifices de sortie 21 de ladite première solution, présentant de préférence une forme conique convergente, de sorte à permettre un pré-alignement des nanotubes juste avant leur agrégation, chacun de ces orifices de sortie 21 pouvant en outre avoir une section de forme diverse, et une dimension variable, en fonction de la viscosité des solutions utilisées . La zone de convergence 4 est également prolongée d'un tube 6 de longueur variable, à l' intérieur duquel l' agrégation des nanotubes se poursuit plus ou moins longtemps en fonction de la longueur dudit tube 6.
Ce dernier permet, par conséquent, d'ajuster la distance de contact entre lesdites première et seconde solutions, et d' optimiser les propriétés de la fibre .
Par ailleurs, le réglage de la longueur du tube 6 autorise également l'utilisation de plusieurs sortes d'agents pour l'agrégation des nanotubes, chacun d'entre eux nécessitant, de manière connue, et selon leur nature, des durées de contact entre les deux solutions différentes .
Selon un mode de réalisation préférentiel, la tête cylindrique 1 peut être constituée de deux pièces cylindriques 10, 11 interchangeables, et définissant intérieurement, après assemblage, grâce à des parties complémentaires, la zone de convergence 4.
Ceci permet, par l'association d'éléments 10, 11 dont les parties internes complémentaires ont des formes variées , de modifier la forme et la taille de la zone de convergence 4 , de manière à l'adapter en fonction des propriétés que l'on souhaite conférer au matériau synthétisé.
Tel que représenté à la figure 3, le dispositif selon la présente invention comprend également deux enceintes de rinçage 7, l'une d'entre elles étant située immédiatement dans le prolongement du tube 6, lequel peut se terminer par une zone coudée immergée dans le bain de rinçage et favorisant l'introduction de la fibre 8 dans ledit bain. Ces enceintes de rinçage 7 ont pour objet de permettre l'élimination du surplus de ladite seconde solution à la surface de la fibre 8.
Elles comprennent en outre des moyens aptes à réguler la température du bain de rinçage, de sorte à faire varier ce dernier entre 0°C et °250C , en fonction de la fibre.
De préférence, lesdites enceintes de rinçage 7 sont encore équipées de moyens aptes à récupérer et recycler ladite seconde solution, afin de la réinjecter continuellement dans le dispositif après filtration pour un nouveau cycle de synthèse.
Ainsi, il est à la fois possible d'augmenter la cadence et de diminuer les coûts de production.
Le présent dispositif comprend également des moyens de séchage desdits matériaux synthétisés , aptes à permettre le réglage de la température de séchage, tels qu'une lampe à infra-rouge 9, présentant, par exemple, une puissance de 1000 Watts et une longueur de 350 mm.
Cette lampe à infra-rouge 9 sera de préférence disposée de manière à autoriser un séchage de la fibre à la verticale, ce qui contribue à une meilleure homogénéité et circularité de cette dernière, et d'éviter tout problème de tension.
Grâce à la présence de moyens d'étirage de la fibre, définis, par exemple, par une pluralité de rouleaux 12 placés en amont et en aval de la lampe infra-rouge 9, et animés de vitesse de rotation différentes au travers d'un moteur pas à pas, il est notamment possible d' améliorer les propriétés mécaniques de la fibre .
Un tel etirement peut, d'autre part, également être obtenu par l'action de rouleaux 12, animés de vitesse différentes, sur une fibre dès sa naissance, ou lors de son passage dans le/les bains de rinçage.
Le présent dispositif peut, par ailleurs, encore être équipé de moyens divers aptes à permettre la mise en œuvre de traitements complémentaires de la fibre après son séchage.
Il peut ainsi comprendre des moyens 13 aptes à permettre un étirage en phase humide de ladite fibre, ou des moyens 14 aptes à permettre un étirage à chaud.
Il est également possible de compléter le présent dispositif notamment avec des moyens permettant de réaliser un traitement thermique de la fibre et éliminer certains agents chimiques , ou encore avec des moyens permettant la mise en œuvre de traitements chimiques destinés à améliorer les propriétés de la fibr .
Le présent dispositif présente par conséquent de nombreux avantages .
En particulier, grâce aux différents moyens qui le constituent, il permet une fabrication en continu de fibres ou autres matériaux à partir de particules du type nanotubes de carbone.
Les fibres obtenues présentent des propriétés améliorées et des caractéristiques variées par rapport à celles obtenues de manière classique.
Finalement, le dispositif est simple et facile à manipuler, à nettoyer et permet une fabrication industrielle et contrôlée d' une grande gamme de fibres .

Claims

REVENDICATIONS
1) Dispositif pour la fabrication de fibres et/ou de rubans, à partir de particules placées en suspension dans une première solution et mises au contact d' au moins un agent apte à provoquer leur agrégation placé dans une seconde solution, comprenant des moyens de création de forces de cisaillement entre lesdites première et seconde solutions de sorte à permettre une orientation préférentielle des particules lors de leur agrégation, caractérisé en ce qu'il comprend une tête (1) de forme sensiblement cylindrique au sein de laquelle sont définis deux canaux (2, 3), l'un d'entre eux étant destiné à faire circuler ladite première solution tandis que l'autre est destiné à faire circuler ladite seconde solution, chacun d'entre eux présentant au moins un orifice d'entrée (20, 30) et au moins un orifice de sortie (21, 31), respectivement placés en amont et en aval du sens de circulation de ladite première ou seconde solution, et l'orifice de sortie (21, 31) de chacun desdits canaux (2, 3) débouchant dans une zone de convergence (4) où lesdites première et seconde solutions sont amenées à se rencontrer pour permettre l'agrégation des particules en suspension dans ladite première solution au contact de l'agent contenu dans ladite seconde solution, et une orientation préférentielle desdites particules lors de leur agrégation sous l'effet à la fois de forces de cisaillement et de forces d' élongation induites par la rencontre entre lesdites première et seconde solution, et en ce que lesdits canaux (2, 3) sont prévus mobiles l'un par rapport à l'autre de manière à permettre le déplacement d'un orifice de sortie (21, 31) par rapport l'autre en sorte d'autoriser une modification de ladite zone de convergence (4) . 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal (2) apte à faire circuler la première solution est constitué d'une buse (22) apte à être déplacée axialement dans la tête cylindrique (1) et s' étendant dans l'axe de cette dernière en définissant une trajectoire de préférence rectiligne ou conique pour ladite première solution, tandis que le canal (3) apte à faire circuler la seconde solution s'étend de manière annulaire autour de ladite buse (22) en définissant une trajectoire sensiblement conique pour ladite seconde solution, le sommet de ladite trajectoire conique définissant et/ou se prolongeant par ladite zone de convergence (4) desdites première et seconde solutions .
3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la buse (22) est montée mobile dans la tête cylindrique (1) au travers de moyens permettant d' assurer un réglage de sa position, tels qu'une vis trapézoïdale (5) de sorte à ce que l'orifice de sortie (21) de la première solution débouche à un emplacement déterminé dans ladite zone de convergence (4) .
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la buse (22) comporte plusieurs orifices de sortie (21) de la première solution, lesdits orifices de sortie (21) pouvant présenter des sections de forme variable.
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête cylindrique (1) est constituée d'au moins deux éléments cylindriques (10, 11) dont les volumes internes présentent des parties complémentaires aptes à définir, après assemblage des deux éléments, la zone de convergence (4) des première et seconde solutions, l'un des deux éléments étant interchangeable et apte à faire varier la forme de ladite zone de convergence (4) . 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de convergence (4) est prolongée par un tube (6) de longueur variable.
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une enceinte de rinçage (7) des fibres ou des rubans, ladite enceinte (7) comprenant des moyens de recyclage de la seconde solution, permettant sa réutilisation dans le processus de fabrication desdites fibres ou desdits rubans.
8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la ou les enceintes de rinçage (7) sont équipées de moyens aptes à régler la température du bain de rinçage.
9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de séchage (9) des fibres ou rubans fabriqués, apte à permettre un réglage optimal de la température.
10) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de séchage (9) sont définis par une lampe à infrarouge d'une puissance de 1000 Watts et d'une longueur de 350 mm.
11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'étirage des fibres ou des rubans au cours de leur fabrication.
12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens d'étirage sont définis par des rouleaux (12) placés le long de la trajectoire parcourue par les fibres ou les rubans après leur synthèse, lesdits rouleaux (12) étant animés de vitesse de rotation différentes les unes des autres .
13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en qu'il comprend des moyens de pompage (16) aptes à injecter lesdites premières et seconde solution dans lesdits canaux (2, 3).
14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de filtration (17) des première et seconde solution.
15) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (13, 14, 15) aptes à permettre un traitement physique ou chimique complémentaire des fibres ou des rubans fabriqués .
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