WO2014108511A2 - Procédé de préparation d'un matériau allongé muni de nanostructures de carbone greffées, appareil et produit associés - Google Patents

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    • Y10T442/2926—Coated or impregnated inorganic fiber fabric
    • Y10T442/2984—Coated or impregnated carbon or carbonaceous fiber fabric

Definitions

  • the present invention relates to a process for preparing an elongated material provided with grafted carbon nanostructures.
  • Such a method is intended in particular to manufacture products comprising an elongated material in fibrous or solid form, on which are grafted carbon nanostructures, such as carbon nanotubes or carbon nanofibers.
  • the products obtained by a process according to the invention are functionalized by the presence of grafted carbon nanostructures to modify and improve the properties of the elongated starting material.
  • the products thus produced have properties different from those of the base elongated material, including mechanical, electrical or chemical properties which are improved.
  • the elongate base material is preferably a fiber, an assembly of fibers such as a yarn, or a network of fibers, woven, braided, knitted, or non-woven. It is preferably rollable and unrollable from a storage assembly, this assembly may be a drum or a coil.
  • a "fiber” is a filamentous substance that can be spun and / or woven.
  • the fiber may be of animal, vegetable, artificial, mineral or synthetic origin.
  • a "thread” is generally a long and thin strand of material, especially fibers, where a meeting of the strands of these materials twisted and spun.
  • the yarns can be uniformly joined by interlacing to form a braid, or knit fabric.
  • a nonwoven is generally a sheet or a veil of natural fibers and / or fibers or filaments manufactured, excluding paper, which have not been woven and which can be bonded together in different ways, for example by assembly mechanical (needling) or chemical.
  • the elongate material is a non-fibrous solid such as a film.
  • CVD chemical vapor deposition chamber
  • the elongated fibrous material is first desensitized and then a metal catalyst is deposited on its surface.
  • the material thus treated is then introduced into a chemical vapor deposition chamber.
  • This enclosure is for example a quartz tubular furnace swept by a hydrocarbon gas.
  • carbon nanotubes then grow on the surface of the fibrous material, after a time greater than several tens of minutes, for example between 15 minutes and 60 minutes.
  • EP 2,290,139 discloses a grafting process in which successive lengths of an elongate material are introduced sequentially into a plasma furnace, after treatment of the surface of the elongate material, to generate, in the plasma, a grafting of carbon nanotubes.
  • Such a method improves the grafting productivity, but remains complicated to implement. Indeed, on the one hand, the presence of the plasma furnace requires controlling the interface by which the elongated material is introduced into the furnace and complicates the maintenance of a controlled atmosphere in the furnace, and on the other hand, the fiber must be maintained at a temperature between 500 ° C and 1000 ° C before passing into the plasma, which complicates the control of the process.
  • An object of the invention is to obtain a method for preparing an elongated material provided with grafted carbon nanostructures, which is very simple and economical to implement, while producing a high quality product.
  • the object of the invention is a process of the aforementioned type, characterized in that it comprises the following steps:
  • a grafting device comprising a torch producing a flame in a volume of ambient air, and a cooling medium disposed opposite the flame;
  • the method according to the invention may comprise one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination:
  • the continuous movement of the elongated material comprises the destocking of the elongated raw material out of an upstream destocking assembly, the passage of the elongated material crude destocked through the flame, then storing the elongated material provided with carbon nanostructures on a downstream storage assembly;
  • the elongated material is pressed against the base portion in the flame as it is continuously traveling through the flame;
  • the cooling support comprises at least one inclined deflection surface of at least one main section of the flame produced by the torch, the flame produced by the torch comprising a deflected section situated downstream of the inclined deflection surface, the material elongated passing through the deflected section;
  • the temperature of the region of the flame through which the elongate material passes is less than 700 ° C., and is especially between 400 ° C. and 700 ° C .;
  • the torch produces a flame generated by the combustion of a hydrocarbon fuel gas, such as acetylene, with oxygen, the ratio of the fuel gas flow rate to the oxygen flow rate delivered in the torch being advantageously greater than 1; ;
  • a hydrocarbon fuel gas such as acetylene
  • a catalytic agent capable of initiating the growth of carbon nanostructures, the catalytic agent being advantageously deposited from a diluted metal solution;
  • the speed of travel of the elongate material in the flame is greater than 1 mm / min, especially greater than 5 mm / min, preferably greater than 300 mm / min and is in particular between 300 mm / min and 10000 mm / min;
  • the speed of travel is greater than 1 m / min, preferably greater than 3 m / min especially greater than 5m / min.
  • the invention also relates to an installation for preparing an elongated material provided with grafted carbon nanostructures, characterized in that it comprises:
  • a grafting device comprising a torch producing a flame in a volume of ambient air, the grafting device comprising a cooling support arranged opposite the flame;
  • the grafting device being suitable for continuously grafting carbon nanostructures onto the elongate material as it travels through the flame.
  • the installation according to the invention can comprise one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the continuous running assembly of the elongated material comprises an upstream assembly of destocking of the raw elongated material, a mechanism for passing the raw elongated material destocked through the flame, and a downstream storage assembly of the elongate material provided with carbon nanostructures;
  • the cooling support comprises a base part and an opposite part arranged between the base part and the torch, the base part and the opposite part being each cooled, the scroll assembly being adapted to guide the elongate material between the base part and the torch, the base part and the opposite part being each cooled, base part and the opposite part;
  • the cooling support comprises at least one inclined deflection surface of at least one main section of the flame produced by the torch, the flame produced by the torch comprising a deflected section situated downstream from the inclined deflection surface; scroll assembly being adapted to guide the elongate material to pass through the deflected section.
  • the subject of the invention is also a product comprising an elongate material provided with grafted carbon nanostructures, in particular carbon nanotubes and / or carbon nanofibers, characterized in that it is capable of being obtained by the process such as described above.
  • FIG. 1 is a schematic view of a first installation for preparing an elongated material provided with grafted carbon nanostructures according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of the grafting device of the installation of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a partial view from above of the cooling support of the elongate material in the grafting device of FIG. 2;
  • FIG. 4 is a partial sectional view taken along the plane IV-IV of FIG.
  • FIG. 5 is a diagrammatic view, taken in section, of a torch of the grafting device of FIG. 2;
  • FIG. 6 is a view similar to Figure 5 of another torch for the device of Figure 2;
  • FIG. 7 is a front view of a second grafting device according to the invention for the installation of FIG. 1;
  • FIG. 8 is a side view of the variant of the grafting device of FIG.
  • FIG. 9 is a view similar to FIG. 7 of a third grafting device according to the invention.
  • FIG. 10 is a photograph illustrating a product obtained in the preparation plant of Figure 1;
  • Figure 1 1 is an enlarged view of the product of Figure 10.
  • FIG. 12 is a view from above of an apparatus for mechanical characterization of products containing an elongate material according to the invention.
  • FIG. 13 is a graph comparing the mechanical behavior of a product containing an elongated material according to the invention with a product devoid of elongated material according to the invention.
  • FIGS. 1 to 6 show a first installation 10 for the preparation of a product 12 provided with carbon nanostructures according to the invention, the product 12 being visible in FIGS. 10 and 11.
  • the product 12 comprises an elongated material 14 on which carbon nanostructures 16 are grafted.
  • the elongated material 14 is for example formed based on individual macroscopic fibers 18, the carbon nanostructures 16 being grafted onto the fibers.
  • macroscopic fibers are ceramic fibers, such as silica fibers, in particular glass fibers, carbon fibers, basalt fibers, organic fibers, in particular high temperature organic fibers such as aramid fibers, especially meta-aramid fibers such as poly (m-phenyleneisophthalamide) (NOMEX®), or poly (p-phenyleneterephthalamide) (KEVLAR®) fibers, fluoropolymer fibers, especially polytetrafluoroethylene fibers (TEFLON®), polyazole fibers, such as poly (p-phenylene-2,6-benzobisoxazole), polysulfide fibers, such as poly (phenylene sulfide) (PPS), imidazole fibers such as as poly (benzimidazole) (ZYLON®), oxidized acrylic fibers (LASTAN®).
  • ceramic fibers such as silica fibers, in particular glass fibers, carbon fibers, basalt fibers, organic fibers, in particular high temperature organic fibers such
  • organic fibers with moderate temperature resistance can form the elongate material 14.
  • a fiber is an elongated material having a length much greater than its maximum transverse dimension.
  • the minimum transverse dimension of a macroscopic fiber is for example greater than 5 ⁇ .
  • the elongate material 14 is for example in the form of an individual fiber, a fiber assembly forming a wire, a ribbon, a strand, or a wick.
  • the elongated material 14 may also be obtained from an assembly of woven, braided, knitted fibers, or a nonwoven. It can then form a web, or a veil of fibers.
  • the elongated material 14 has a length much greater than its other dimensions, for example greater than 1 cm, especially greater than 10 cm.
  • the elongated material 14 is adapted to be wound on a rotary storage member such as a drum or a reel, or to be unrolled from such a member.
  • the elongated material 14 is formed from a non-fibrous solid, such as a solid matrix. It forms for example a film.
  • the carbon nanostructures 16 grafted onto the elongate material are, for example, carbon nanofibers or carbon nanotubes.
  • carbon nanofibers is generally meant a solid cylindrical nanostructure formed of layers of graphene stacked, the layers having for example a cone-shaped or plate.
  • Nanofibers have at least one dimension at the nanoscale, that is to say less than one micrometer.
  • the nanofibers thus have a transverse dimension of less than 100 nanometers, in particular less than 50 nanometers, and for example between 15 and 20 nanometers. They have a length of less than 1 mm, especially less than 100 micrometers, for example between 20 and 30 micrometers.
  • nanotube is meant a particular crystalline structure of hollow tubular form, composed of atoms advantageously regularly arranged pentagon, hexagon or heptagon defining a central hollow passage.
  • Nanotubes are produced from carbon atoms to form carbon nanotubes.
  • the nanotubes have at least one dimension at the nanoscale, that is to say less than one micrometer.
  • the nanotubes thus have a transverse dimension of less than 100 nanometers, especially less than 50 nanometers and for example between 15 and 20 nanometers. They have a length of less than 1 mm, in particular less than 100 micrometers, for example between 20 and 30 micrometers.
  • Carbon nanotubes are in particular an allotropic form of carbon.
  • the nanotubes are nanotubes of single-walled carbon nanotubes (or “single walled nanotubes” in English).
  • the nanotubes are carbon nanotubes multifilettes (or
  • Multi walled nanotubes having several sheets of graphene wound around each other, for example concentric cylinders.
  • the nanostructures 16 are grafted onto the surface of the elongate material 14.
  • This grafting is for example carried out by a covalent chemical bond between the elongated material 14 and the atoms constituting the nanostructure 16.
  • the nanostructures 16 are fixed on the elongate material 14 and are movable together with it.
  • This grafting can result in an anchoring of several nanometers of the nanostructure 16 to the surface of the elongate material 14.
  • the nanostructures 16 constitute a sheet around the elongate material 14, each nanostructure 16 being fixed at a first point on the elongated material 14 or on another nanostructure 16.
  • Each nanostructure 16 has in addition a free end or linked to another nanostructure 16.
  • the surface density of grafted nanostructures 16 on the elongate material 14 is advantageously greater than 0.01 mg of nanostructures per square centimeter and is for example between 0.01 mg / cm 2 and 5 mg / cm 2 of nanostructure 16.
  • the nanostructures 16 modify the properties of the elongated material 14, for example to increase the conductivity of the elongated material 14 or its mechanical strength.
  • the preparation installation 10 comprises a grafting device 20 of nanostructures 16 on the elongate material 14, and a set 22 for continuously moving the elongate material 14 in the device of FIG. grafting 20.
  • the installation 10 further comprises a set 24 of pretreatment of the elongate material 14 before it passes through the grafting device 20.
  • the grafting device 20 is illustrated in FIG. 2. It comprises, according to the invention, a torch 26 for generating a flame 28 in a volume of ambient air 30, a gas conveying assembly 32 to the torch 26. to supply the flame 28, and a cooling support 33 disposed under the torch 26.
  • the grafting device 20 further comprises a control and regulation unit 34.
  • the torch 26 advantageously extends along a vertical axis A-A '. It comprises a body 40 defining at least one channel 42 for conveying a mixture of gases.
  • the torch 22 defines a central channel 42 single gas injection.
  • the channel 42 is connected upstream to the gas conveying assembly 32. It opens downstream through a downstream opening 46 extending opposite the reception assembly 32.
  • the channel 42 extends here along the axis A-A ', in the center of the torch 22.
  • the torch 22 defines a plurality of peripheral auxiliary channels 44 for the injection of a cooling gas.
  • the channels 44 are arranged around the central channel 42.
  • Each auxiliary channel 44 has a section smaller than that of the central channel 42.
  • the auxiliary channel 44 is connected upstream to the gas conveying assembly
  • the flame 28 is generated at the outlet and below the torch 26, facing the opening 46. It has a substantially frustoconical divergent profile away from the torch 22 by distributing on the cooling support 33.
  • the gas conveying assembly 32 comprises at least one source 50 of combustible gas, at least one source 52 of oxidizing gas, a pipe 54 for conveying the combustible gas from the source 50 to the torch 22 and a conveying line 56 of oxidizing gas from the source 52 to the torch 22.
  • the conveyor assembly 32 further comprises a first regulator 58 of combustible gas and a second regulator 60 of combustion gas.
  • the fuel gas present in the source 50 contains atoms for forming the carbon nanostructures.
  • the combustible gas contains, for example, a hydrocarbon. It comprises or is advantageously constituted of acetylene.
  • the fuel gas source 50 thus contains pure acetylene or in mixture.
  • the oxidizing gas contained in the source 52 is for example oxygen, pure or mixed.
  • the lines 54, 56 respectively connect each source 50, 52 respectively to the channel 42.
  • a mixer can be interposed between the sources 50, 52 and the torch 22 to mix the gases from the lines 54, 56 before its introduction into the channel 42.
  • Each regulator 58, 60 is adapted to regulate the flow of gas flowing in the pipe 54, 56 on which it is mounted.
  • the regulators 58, 60 are connected to the control unit 34.
  • the regulators 58, 60 are able to advantageously maintain a ratio of the volume flow rate of the fuel gas to the volume flow rate of the oxidizing gas of between 1.2 and 1.5, advantageously between 1, 25 and 1, 30.
  • the regulators 58, 60 are furthermore capable of maintaining a total gas volume flow rate of less than 1 liter / minute, for example between 0.2 liters / minute and 0.8 liters / minute, in particular between 0 , 4 liters / minute and 0.5 liters / minute.
  • the conveyor assembly 32 further comprises a source 62 of cooling gas, and a pipe 64 for supplying the cooling gas into each of the auxiliary channels 44.
  • the pipe 64 is provided with a regulator 68 for cooling gas.
  • the cooling gas is, for example, argon, or helium.
  • the cooling support 33 comprises a lower base portion 70 and an opposite upper portion 72, the elongated material 14 being intended to circulate in the flame 28 between the lower portion 70 and the upper portion. 72.
  • the cooling support 33 further comprises a heat regulation assembly 74 able to cool, in a controlled manner, the lower part 70 and / or the upper part 72.
  • the lower part 70 comprises a substrate 76 intended to come into contact with the elongated material 14 and a thermal regulation block 78 placed under the substrate 76.
  • the substrate 76 is advantageously made of a flat metal plate. It defines an upper surface 80 for supporting the elongated material 14 extending transversely with respect to the axis A-A ', opposite the torch 26.
  • the upper part 72 is disposed axially between the torch 26 and the lower part 70.
  • the upper body 82 which, in this example, has a jumper shape.
  • the upper body 82 delimits a lower surface 84 placed facing the upper bearing surface 80 of the elongate material 14, and an inclined upper surface 86 to deflect the flame 28 towards the elongate material 14.
  • the upper body 82 defines, in the upper surface 86, a notch 88 central passage of the elongate material 14.
  • the lower surface 84 is substantially parallel to the upper bearing surface 80.
  • the inclined surface 86 has a non-zero inclination, and less than 90 ° with respect to the upper surface 80, in projection in a plane passing through the axis A-A '.
  • the notch 88 has a curved shape corresponding to a part of the contour of the flame 28.
  • the upper part 72 is able to ensure the plating of the elongated material
  • the heat regulation assembly 74 comprises a coolant source 90, a first refrigerant circulation pipe 92 through the lower part 70, and a second refrigerant circulation pipe 94 through the upper part 72.
  • the assembly 74 further comprises a temperature sensor 96, for example a pyrometer, capable of measuring the temperature of the region of the flame 28 facing a point of contact of the elongated material 14 with the upper surface 80, in the vicinity from the bottom 70.
  • a temperature sensor 96 for example a pyrometer
  • the coolant is able to evacuate by heat exchange without contact the heat generated by the flame 28. It is for example formed of water, a mixture of water with another refrigerant such as glycol, or carbon dioxide .
  • the control unit 34 is able to control the gas conveying assembly 32 to provide an adequate mixture of fuel gas and oxidizing gas, possibly with refrigerant gas.
  • the unit 34 is also suitable for controlling the thermal regulation assembly
  • the torch 26, the flame 28, and the cooling support 33 are placed in a volume of ambient air, for example in a building, without being placed in a confinement enclosure in which a particular atmosphere is defined.
  • the volume content of oxygen in the ambient air volume is greater than 19%, and is especially between 20% and 22%.
  • the volume content of nitrogen in the ambient air volume is greater than 70%, and is especially between 75% and 80%.
  • the preparation method according to the invention can therefore be implemented in a very simple manner, without providing a containment enclosure in which a particular atmosphere must be controlled.
  • the atmosphere prevailing around the torch 26, and in particular between the torch 26 and the cooling support 33 around the flame 28 is not controlled.
  • the scroll assembly 22 comprises an upstream element 100 for retrieval of the elongate material 14, before it passes through the grafting device 20, a mechanism (not shown) for guiding the elongate material 14 through the grafting device 20, and a downstream element 102 for storing the elongate material 14 provided with grafted carbon nanostructures 16, originating from the grafting device 20.
  • the upstream element 100 comprises for example an upstream winding member of the elongated raw material 14.
  • the elongated raw material 14 is adapted to be destocked out of the upstream element 100 in a continuous manner.
  • the guide mechanism of the elongate material 14 is adapted to guide the material 14 in the grafting device 20 to apply it to the surface 80 and position it in the flame 28 facing the inclined surface 86 of the upper part 72.
  • It comprises means for adjusting the position of the elongate material 14 with respect to the upper surface 80 and with respect to the inclined surface 86 which can be controlled by the control unit 34.
  • the downstream element 102 comprises, for example, a downstream member for winding the elongated material 14 grafted.
  • the grafted elongate material 14 is adapted to be stored in the downstream element 102 in a continuous manner.
  • downstream element 102 and / or the guiding mechanism comprise means for driving the elongated material 14 at a given speed in the grafting device 20.
  • the given speed is, for example, greater than 1 mm / min, and is in particular greater than 5 mm / min. This speed is advantageously greater than 300 mm / min and for example between 300 mm / min and 10000 mm / min.
  • the pretreatment assembly 24 is disposed between the upstream destocking element 100 and the grafting device 20. It comprises a device 10 for applying a catalytic agent capable of initiating the growth of carbon nanostructures on the outer surface of the elongate 14 raw material.
  • the catalytic agent is for example formed a metal such as iron, nickel, cobalt. It is deposited in the form of a plurality of sites suitable for generating the growth of carbon nanostructures 16 on the surface of the elongated material 14.
  • the device 1 10 comprises means 1 12 for dipping the elongate material 14 in a dilute solution containing a metal, and means 1 14 for drying.
  • the grafting device 20 is provided and is disposed in a volume of ambient air.
  • Raw elongated material 14 is disposed in the upstream destocking assembly 100 and is deployed through the pre-treatment assembly 24, when present, through the grafting device 20, to the downstream element. 102 storage.
  • the grafting device 20 is activated.
  • the thermal regulation assembly 74 is started to cause cooling of the lower part 70 and the upper part 72 of the cooling support 33.
  • a mixture of oxidizing gas and combustible gas is supplied in the torch 26 to ignite and feed the flame 28.
  • the temperature sensor 96 is further activated to adjust the temperature of the flame 28.
  • the control unit 34 controls the volume ratio of the fuel gas to the oxidizing gas to advantageously maintain it between 1, 1 and 1, 4, especially between 1, 25 and 1, 3.
  • the total volume of fuel gas and oxidizing gas is greater than 0.3 l / min and is in particular between 0.4 l / min and 0.5 l / min.
  • the flame 28 is created in a volume of ambient air, without the need to create a particular atmosphere around the torch 26, which is particularly easy to use.
  • the position of the upper surface 80, and the lower portion 70 is adjusted to ensure that a temperature of between 400 ° C and 700 ° C, preferably between 500 ° C and 700 ° C is present in the area of the flame 28 in which the elongate material 14 will circulate.
  • the axial distance separating the free end of the torch 26 from the surface 80 is for example between 3 mm and 5 mm, in particular between 4 mm and 4.5 mm.
  • the elongated material 14, for example a carbon wire is driven to continuously scroll between the upstream destocking element 100 and the downstream storage element 102, through the pre-treatment assembly 24 and the grafting device 20.
  • the elongated raw material 14 When passing through the pre-treatment assembly 24, the elongated raw material 14 is provided with metal graft sites on its outer surface. Advantageously, it quenched in a metal solution provided in the means 1 12 of soaking, then it dries in the drying means 1 14.
  • the elongate material 14 then passes into the grafting device 20. It is applied against the upper surface 80 and penetrates into the flame 28. As illustrated in FIG. 4, it passes opposite the inclined surface 86 of the upper part 70.
  • the flame 28 being projected against the surface 86, it has a main section 120, upstream of its contact with the inclined surface 86 and a section 122 deflected on the surface 86, in which the elongate material 14 circulates.
  • a cooling gas such as argon, is added to the flame 28.
  • the elongated material 14 is subjected to a part of the flame 28 which has a controlled temperature, and whose cooling is controlled.
  • the elongated material 14 flows continuously in the flame 28 at a speed of between 300 mm / min and 6000 mm / min.
  • This passage causes the continuous grafting of carbon nanostructures 16 on the elongated material 14, on the surface of the elongated material 14 placed opposite the flame 28.
  • the length of the nanostructures 16 is for example greater than 10 ⁇ , and in particular between 20 ⁇ and 30 ⁇ .
  • the maximum diameter of the nanostructures 16 is for example less than 1 ⁇ and is in particular less than 50 nm.
  • the elongate material 14, provided with carbon nanostructures 16 is then stored in the downstream assembly 102, continuously.
  • the method according to the invention is therefore particularly simple to put, while allowing optimum productivity. It allows efficient grafting of carbon nanostructures on various elongated materials, such as fibers, yarns, structured matrices, sails, etc.
  • This method is moreover very safe for the operators since it involves a grafting of the nanostructures 16 onto the elongate material 14.
  • the grafting is carried out continuously, as the elongate material 14 passes through the flame 28.
  • the upper surface 80 of the lower part 70 of the support has a curved shape, convex towards the torch 26, with the exception of a section 132 plane situated opposite the upper part 72 and the flame 28.
  • the upstream assembly 100 and the downstream assembly 102 each comprise a coil.
  • the coil of the upstream assembly 100 is able to unwind the elongated raw material 14, the coil of the downstream assembly 102 being suitable for winding the elongated material 14 provided with the nanostructures 16.
  • the installation 10 comprises a first upstream grafting device 20A of an upper part of the elongate material 14 and a second downstream grafting device 20B of a lower part of the elongate material 14. .
  • the first grafting device 20A is oriented opposite the second grafting device 20B.
  • the torch 26 of the first grafting device 20A opens in a first direction (downwards in FIG. 9) towards the cooling support 33 of this device 20A.
  • the torch 26 of the second grafting device 20B opens opposite the first direction in a second direction (upwards in FIG. 9) facing the cooling support 33 of this device 20B.
  • elongated materials 14 provided with grafted carbon nanostructures 14 which can be used in numerous technical fields, such as, for example, the reinforcement of matrices made of polymer material, the production of composite materials to obtain high-performance composite parts (eg for aeronautics, sports and recreation, rail, automotive), or the development of intelligent materials (filtration, smart textiles, fuel cells).
  • an elongate material 14 formed of carbon son has been provided with carbon nanostructures 16 consisting of nanotubes, using a method according to the invention.
  • the modified carbon yarns were molded by manual lamination using a 2025 epoxy resin from AXON.
  • test pieces containing raw carbon son, not treated by the method according to the invention were molded.
  • the electrical resistance of the test pieces comprising wires treated by the process according to the invention is less than 30 ohms, whereas the test pieces comprising untreated wires have an electrical resistance close to 235 ohms.
  • thermomechanical dynamic analysis DTMA
  • the distance between supports was 60 mm, the frequency 5 Hz, the rate of rise in temperature of 2 ° C / min and the travel of ⁇ 10 ⁇ .
  • the tests were conducted between 25 ° C and 110 ° C, before the glass transition of the resin.
  • a top view of the assembly is shown in FIG.
  • FIG. 12 shows the evolution of the storage module E 'as a function of temperature, the composite bars on which nanostructures 16 are grafted onto carbon fibers have a storage module 310 10% higher than the storage module 312 of the reference bar.
  • the method according to the invention is therefore particularly simple to implement, since it does not require introducing the particles into a furnace, nor to regulate a particular atmosphere in the oven.
  • the method can be implemented simply and conveniently, directly in a volume of ambient air.
  • the growth of nanotubes obtained is then rapid, unlike that of the processes of the state of the art, in particular that described in Shaffer et al., Carbon, 48, 277-286, 2010, which makes it possible to obtain high yields. .
  • the inventors have discovered in a particularly surprising manner that the flame methods used in the state of the art to produce free carbon nanostructures (see for example US201 1/0059006 and US 2010/01 19724) could, in the presence of an elongated material passing through the flame, lead to the grafting of nanostructures on the elongated material.
  • the method according to the invention makes it possible to fix the nanostructures on the elongate material to produce a modified elongate material having improved properties.
  • the elongated products thus obtained can be used in particular to be embedded in a wide variety of polymer matrices to improve the properties of the matrix.
  • the method according to the invention comprises continuously moving the elongate material through the flame in a free air volume, which ensures fast and efficient grafting of a long length of the elongate material.
  • the method therefore does not need to immobilize for a significant time the samples to be treated in a confined atmosphere (as in EP 2,224,830, in Yoon et al., Science of the Total Environment, 409, 4132-4138, 201 1, or in Shaffer et al., Carbon, 48, 277-286, 2010) or to immobilize the samples to be treated in a flame (see Amini et al., Carbon 48, 3131 -3138, 2010 or Mai et al., Carbon 50, 2347-2374, 2012).
  • the method according to the invention also avoids providing complex interfaces with a CVD furnace, when the material is introduced continuously in such a furnace as in EP 2,290,139.

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Abstract

Ce procédé comprend les étapes suivantes: fourniture d'un dispositif de greffage (20) comprenant une torche (26) produisant une flamme (28) dans un volume d'air ambiant, et un support (33) de refroidissement disposé en regard de la flamme (28); défilement continu du matériau allongé (14) à travers la flamme (28) entre la torche (26) et le support de refroidissement (33); greffage continu de nanostructures de carbone (16) sur le matériau allongé (14) lors de son défilement à travers la flamme (28).

Description

Procédé de préparation d'un matériau allongé muni de nanostructures de carbone greffées, appareil et produit associés
La présente invention concerne un procédé de préparation d'un matériau allongé muni de nanostructures de carbone greffées.
Un tel procédé est destiné notamment à fabriquer des produits comprenant un matériau allongé sous forme fibreuse ou solide, sur lequel sont greffées des nanostructures de carbone, telles que des nanotubes de carbone ou des nanofibres de carbone.
Les produits obtenus par un procédé selon l'invention sont fonctionnalisés par la présence de nanostructures de carbone greffées pour modifier et améliorer les propriétés du matériau allongé de départ.
Les produits ainsi fabriqués présentent des propriétés différentes de celles du matériau allongé de base, notamment des propriétés mécaniques, électriques ou chimiques qui sont améliorées.
Le matériau allongé de base est avantageusement une fibre, un assemblage de fibres tel qu'un fil, ou un réseau de fibres, tissées, tressées, tricotées, ou non tissées. Il est de préférence enroulable et déroulable à partir d'un ensemble de stockage, cet ensemble pouvant être un tambour ou une bobine.
Une « fibre » est une substance filamenteuse susceptible d'être filée et/ou tissée. La fibre peut être d'origine animale, végétale, artificielle, minérale ou synthétique.
Un « fil » est généralement un brin long et fin de matière, notamment de fibres, où une réunion des brins de ces matières tordues et filées.
Les fils peuvent être assemblés de manière régulière par entrelacement pour former un tissu une tresse, ou un tricot.
Un non-tissé est généralement une feuille ou un voile de fibres naturelles et/ou de fibres ou filaments manufacturés, exclusion faite du papier, qui n'ont pas été tissés et qui peuvent être liés entre eux de différentes façons, par exemple par assemblage mécanique (aiguilletage) ou chimique.
En variante, le matériau allongé est un solide non fibreux tel qu'un film.
D'une manière générale, le greffage de nanostructures de carbone sur des matériaux allongés fibreux s'effectue sous atmosphère contrôlée dans une enceinte de dépôt chimique en phase vapeur, désignée par l'acronyme anglais « CVD ».
Le matériau allongé fibreux est tout d'abord désensimé, puis un catalyseur métallique est déposé sur sa surface. Le matériau ainsi traité est ensuite introduit dans une enceinte de dépôt chimique en phase vapeur. Cette enceinte est par exemple un four tubulaire en quartz balayé par un gaz hydrocarboné.
Sous certaines conditions, des nanotubes de carbone croissent alors à la surface du matériau fibreux, après un temps supérieur à plusieurs dizaines de minutes, par exemple compris entre 15 minutes et 60 minutes.
Un tel procédé, décrit par exemple dans Shaffer et al., Carbon, 48, 277-286, 2010 ou dans EP 2 254 830, est donc peu pratique à mettre en œuvre industriellement. Il présente une productivité limitée et nécessite un grand nombre de manipulations.
Pour pallier ce problème, EP 2 290 139 décrit un procédé de greffage dans lequel des longueurs successives d'un matériau allongé sont introduites séquentiellement dans un four à plasma, après traitement de la surface du matériau allongé, pour engendrer, dans le plasma, un greffage de nanotubes de carbone.
Un tel procédé améliore la productivité du greffage, mais reste compliqué à mettre en œuvre. En effet, d'une part, la présence du four à plasma nécessite de contrôler l'interface par laquelle le matériau allongé est introduit dans le four et complique le maintien d'une atmosphère contrôlée dans le four, et d'autre part, la fibre doit être maintenue à une température comprise entre 500 °C et 1000 °C avant de passer dans le plasma, ce qui complique la maîtrise du processus.
Un but de l'invention est d'obtenir un procédé permettant de préparer un matériau allongé muni de nanostructures de carbone greffées, qui soit très simple et économique à mettre en œuvre, tout en produisant un produit de grande qualité.
À cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- fourniture d'un dispositif de greffage comprenant une torche produisant une flamme dans un volume d'air ambiant, et un support de refroidissement disposé en regard de la flamme ;
- défilement continu du matériau allongé à travers la flamme entre la torche et le support de refroidissement ;
- greffage continu de nanostructures de carbone sur le matériau allongé lors de son défilement à travers la flamme.
Le procédé selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- le défilement continu du matériau allongé comporte le déstockage du matériau allongé brut hors d'un ensemble amont de déstockage, le passage du matériau allongé brut déstocké à travers la flamme, puis le stockage du matériau allongé muni de nanostructures de carbone sur un ensemble aval de stockage ;
- il comporte le passage du matériau allongé entre une partie de base du support de refroidissement et une partie opposée du support de refroidissement disposée entre la partie de base et la torche, la partie de base et la partie opposée étant chacune refroidies ;
- le matériau allongé est plaqué contre la partie de base dans la flamme lors de son défilement continu à travers la flamme ;
- le support de refroidissement comporte au moins une surface inclinée de déflection d'au moins un tronçon principal de la flamme produite par la torche, la flamme produite par la torche comprenant un tronçon défléchi situé en aval de la surface inclinée de déflection, le matériau allongé passant à travers le tronçon défléchi ;
- la température de la région de la flamme dans laquelle passe le matériau allongé est inférieure à 700 °C, et est notamment compriseentre 400° C et 700 °C ;
- la torche produit une flamme engendrée par la combustion d'un gaz carburant hydrocarboné, tel que l'acétylène, avec de l'oxygène, le rapport du débit de gaz carburant au débit d'oxygène fourni dans la torche étant avantageusement supérieur à 1 ;
- il comporte une étape de dépôt sur la surface du matériau allongé d'un agent catalytique propre à initier la croissance de nanostructures de carbone, l'agent catalytique étant avantageusement déposé à partir d'une solution métallique diluée ;
- la vitesse de défilement du matériau allongé dans la flamme est supérieure à 1 mm/min, notamment supérieure à 5 mm/min, avantageusement supérieure à 300 mm/min et est notamment comprise entre 300 mm/min et 10000 mm/min ;
- la vitesse de défilement est supérieure à 1 m/min, avantageusement supérieure à 3 m/min notamment supérieure à 5m/min.
L'invention a également pour objet une installation de préparation d'un matériau allongé muni de nanostructures de carbone greffées, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- un dispositif de greffage comprenant une torche produisant une flamme dans un volume d'air ambiant, le dispositif de greffage comportant un support de refroidissement disposé en regard de la flamme ;
- un ensemble de défilement continu du matériau allongé à travers la flamme entre la torche et le support de refroidissement ;
le dispositif de greffage étant propre à greffer en continu des nanostructures de carbone sur le matériau allongé lors de son défilement à travers la flamme. L'installation selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- l'ensemble de défilement continu du matériau allongé comporte un ensemble amont de déstockage du matériau allongé brut, un mécanisme de passage du matériau allongé brut déstocké à travers la flamme, et un ensemble aval de stockage du matériau allongé muni de nanostructures de carbone ;
- le support de refroidissement comporte une partie de base et une partie opposée disposée entre la partie de base et la torche, la partie de base et la partie opposée étant chacune refroidie, l'ensemble de défilement étant propre à guider le matériau allongé entre la partie de base et la partie opposée ;
- le support de refroidissement comporte au moins une surface inclinée de déflection d'au moins un tronçon principal de la flamme produite par la torche, la flamme produite par la torche comprenant un tronçon défléchi situé en aval de la surface inclinée de déflection, l'ensemble de défilement étant propre à guider le matériau allongé pour qu'il passe à travers le tronçon défléchi.
L'invention a également pour objet un produit comprenant un matériau allongé muni de nanostructures de carbone greffées, notamment de nanotubes de carbone et/ou de nanofibres de carbone, caractérisé en ce qu'il est susceptible d'être obtenu par le procédé tel que décrit plus haut.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'une première installation de préparation d'un matériau allongé muni de nanostructures de carbone greffé selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique du dispositif de greffage de l'installation de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue partielle de dessus du support de refroidissement du matériau allongé dans le dispositif de greffage de la figure 2 ;
- la figure 4 est une vue partielle en coupe, prise suivant le plan IV-IV de la figure
3, illustrant le passage du matériau allongé à travers la flamme du dispositif de greffage ;
- la figure 5 est une vue schématique, prise en coupe, d'une torche du dispositif de greffage de la figure 2 ;
- la figure 6 est une vue analogue à la figure 5 d'une autre torche pour le dispositif de la figure 2 ; - la figure 7 est une vue de face d'un deuxième dispositif de greffage selon l'invention pour l'installation de la figure 1 ;
- la figure 8 est une vue de côté de la variante de dispositif de greffage de la figure
7 ;
- la figure 9 est une vue analogue à la figure 7 d'un troisième dispositif de greffage selon l'invention ;
- la figure 10 est une photographie illustrant un produit obtenu dans l'installation de préparation de la figure 1 ;
- la figure 1 1 est une vue agrandie du produit de la figure 10.
- la figure 12 est une vue de dessus d'un appareil de caractérisation mécanique de produits contenant un matériau allongé selon l'invention ; et
- la figure 13 est un graphe comparant le comportement mécanique d'un produit contenant un matériau allongé selon l'invention avec un produit dépourvu de matériau allongé selon l'invention.
Sur les figures 1 à 6 est illustrée une première installation 10 de préparation d'un produit 12 muni de nanostructures de carbone selon l'invention, le produit 12 étant visible sur les figures 10 et 1 1 .
Comme illustré par les figures 10 et 1 1 , le produit 12 comporte un matériau allongé 14, sur lequel sont greffées des nanostructures de carbone 16.
Le matériau allongé 14 est par exemple formé à base de fibres macroscopiques individuelles 18, les nanostructures de carbone 16 étant greffées sur les fibres.
Des exemples de fibres macroscopiques sont les fibres de céramique, tels que les fibres de silice, notamment les fibres de verre, les fibres de carbone, les fibres de basalte, les fibres organiques, notamment les fibres organiques à haute tenue en température telles que les fibres d'aramide, notamment les fibres de méta-aramide telles que les fibres de poly(m-phénylèneisophtalamide) (NOMEX®), ou de poly(p-phénylènetéréphtalamide) (KEVLAR®) , les fibres de polymère fluoré, notamment de polytétrafluoroéthylène (TEFLON®), les fibres de polyazole, tel que le poly(p-phénylène-2,6-benzobisoxazole), des fibres de polysulfures, telles que le poly(sulfure de phénylène) (PPS), des fibres d'imidazole tel que le poly(benzimidazole) (ZYLON®), des fibres acryliques oxydées (LASTAN®).
Avantageusement, d'autres fibres organiques à tenue en température modérée, peuvent former le matériau allongé 14.
Au sens de la présente invention, une fibre est un matériau allongé présentant une longueur très supérieure à sa dimension transversale maximale. La dimension transversale minimale d'une fibre macroscopique est par exemple supérieure à 5 μηι. Le matériau allongé 14 est par exemple sous forme d'une fibre individuelle, d'un assemblage de fibres formant un fil, un ruban, un toron, ou une mèche.
Le matériau allongé 14 peut être également obtenu à partir d'un assemblage de fibres tissées, tressés, tricotées, ou encore d'un non tissé. Il peut alors former une nappe, ou un voile de fibres.
Le matériau allongé 14 présente une longueur très supérieure à ses autres dimensions, par exemple supérieure à 1 cm, notamment supérieure à 10 cm.
Avantageusement, le matériau allongé 14 est propre à être enroulé sur un organe de stockage rotatif de tel qu'un tambour ou une bobine, ou à être déroulé à partir d'un tel organe.
Dans une autre variante, le matériau allongé 14 est formé à partir d'un solide non fibreux, tel qu'une matrice solide. Il forme par exemple un film.
Les nanostructures de carbone 16 greffées sur le matériau allongé sont par exemple des nanofibres de carbone ou des nanotubes de carbone.
Par « nanofibres de carbone », on entend généralement une nanostructure cylindrique pleine formée de couches de graphène empilées, les couches présentant par exemple une forme de cônes, ou de plaque.
Les nanofibres présentent au moins une dimension à l'échelle nanométrique, c'est- à-dire inférieure au micromètre.
Dans l'exemple représenté sur les figures, les nanofibres présentent ainsi une dimension transversale inférieure à 100 nanomètres, notamment inférieure à 50 nanomètres, et par exemple comprise entre 15 et 20 nanomètres. Elles présentent une longueur inférieure à 1 mm, notamment inférieure à 100 micromètres, par exemple comprise entre 20 et 30 micromètres.
Par « nanotube », on entend une structure cristalline particulière de forme tubulaire creuse, composée d'atomes avantageusement disposés régulièrement en pentagone, hexagone ou heptagone définissant un passage central creux.
Les nanotubes sont produits à partir d'atomes de carbone pour former des nanotubes de carbone.
Les nanotubes présentent au moins une dimension à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire inférieure au micromètre.
Dans l'exemple représenté sur les figures, les nanotubes présentent ainsi une dimension transversale inférieure à 100 nanomètres, notamment inférieure à 50 nanomètres et par exemple comprise entre 15 et 20 nanomètres. Ils présentent une longueur inférieure à 1 mm, notamment inférieure à 100 micromètres, par exemple comprise entre 20 et 30 micromètres. Les nanotubes de carbone sont en particulier une forme allotropique du carbone.
Dans un mode de réalisation, les nanotubes sont des nanotubes de carbone monofeuillets (ou « single walled nanotubes » en anglais).
Avantageusement, les nanotubes sont des nanotubes de carbone multifeuillets (ou
« multi walled nanotubes ») présentant plusieurs feuillets de graphène enroulés les uns autour des autres, par exemple en cylindres concentriques.
Grâce à la mise en œuvre du procédé selon l'invention, les nanostructures 16 sont greffées sur la surface du matériau allongé 14.
Ce greffage est par exemple réalisé par une liaison chimique covalente entre le matériau allongé 14 et les atomes constituant la nanostructure 16. Ainsi, les nanostructures 16 sont fixées sur le matériau allongé 14 et sont déplaçables conjointement avec elle. Ce greffage peut se traduire par un ancrage de plusieurs nanomètres de la nanostructure 16 à la surface du matériau allongé 14.
Dans l'exemple représenté sur les figures 10 et 1 1 , les nanostructures 16 constituent une nappe autour du matériau allongé 14, chaque nanostructure 16 étant fixée en un premier point sur le matériau allongé 14 ou sur une autre nanostructure 16. Chaque nanostructure 16 présente en outre une extrémité libre ou liée à une autre nanostructure 16.
La densité surfacique de nanostructures 16 greffées sur le matériau allongé 14 est avantageusement supérieure à 0,01 mg de nanostructures par centimètre carré et est par exemple comprise entre 0,01 mg / cm2 et 5 mg / cm2 de nanostructure 16.
Ainsi, les nanostructures 16 modifient les propriétés du matériau allongé 14, pour augmenter par exemple la conductivité du matériau allongé 14 ou sa résistance mécanique.
Comme illustré par les figures 1 à 6, l'installation 10 de préparation selon l'invention comporte un dispositif de greffage 20 de nanostructures 16 sur le matériau allongé 14, et un ensemble 22 de défilement en continu du matériau allongé 14 dans le dispositif de greffage 20.
Avantageusement, l'installation 10 comporte en outre un ensemble 24 de prétraitement du matériau allongé 14 avant son passage dans le dispositif de greffage 20.
Le dispositif de greffage 20 est illustré par la figure 2. Il comporte, selon l'invention, une torche 26 de génération d'une flamme 28 dans un volume d'air ambiant 30, un ensemble 32 de convoyage de gaz vers la torche 26 pour alimenter la flamme 28, et un support de refroidissement 33 disposé sous la torche 26. Le dispositif de greffage 20 comporte en outre une unité 34 de commande et de régulation.
Comme illustré par les figures 2, 4 et 5, la torche 26 s'étend avantageusement suivant un axe A-A' vertical. Elle comprend un corps 40 définissant au moins un canal 42 de convoyage d'un mélange de gaz.
Dans l'exemple représenté sur les figures 2 et 5, la torche 22 définit un canal central 42 unique d'injection de gaz. Le canal 42 est raccordé en amont à l'ensemble de convoyage de gaz 32. Il débouche en aval par une ouverture aval 46 s'étendant en regard de l'ensemble de réception 32.
Le canal 42 s'étend ici suivant l'axe A-A', au centre de la torche 22.
Dans la variante représentée sur la figure 6, la torche 22 définit une pluralité de canaux auxiliaires 44 périphériques pour l'injection d'un gaz de refroidissement.
Les canaux 44 sont disposés autour du canal central 42. Chaque canal auxiliaire 44 présente une section inférieure à celle du canal central 42.
Le canal auxiliaire 44 est raccordé en amont à l'ensemble de convoyage de gaz
32.
La flamme 28 est engendrée à la sortie et en dessous de la torche 26, en regard de l'ouverture 46. Elle présente un profil sensiblement tronconique divergent à l'écart de la torche 22 en se répartissant sur le support de refroidissement 33.
L'ensemble de convoyage de gaz 32 comporte au moins une source 50 de gaz combustible, au moins une source 52 de gaz comburant, une conduite 54 de convoyage du gaz combustible depuis la source 50 vers la torche 22 et une conduite de convoyage 56 de gaz comburant depuis la source 52 vers la torche 22.
Avantageusement, l'ensemble de convoyage 32 comporte en outre un premier régulateur 58 de gaz combustible et un deuxième régulateur 60 de gaz comburant.
Le gaz combustible présent dans la source 50 contient des atomes destinés à former les nanostructures de carbone. Le gaz combustible contient par exemple un hydrocarbure. Il comprend ou est constitué avantageusement d'acétylène. La source de gaz combustible 50 contient donc de l'acétylène pur ou en mélange.
Le gaz comburant contenu dans la source 52 est par exemple de l'oxygène, pur ou en mélange.
Les conduites 54, 56 raccordent respectivement chaque source 50, 52 respective au canal 42. Un mélangeur peut être interposé entre les sources 50, 52 et la torche 22 pour mélanger les gaz provenant des conduites 54, 56 avant son introduction dans le canal 42. Chaque régulateur 58, 60 est propre à régler le débit de gaz circulant dans la conduite 54, 56 sur laquelle il est monté. Les régulateurs 58, 60 sont raccordés à l'unité de commande 34.
Pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, les régulateurs 58, 60 sont propres à maintenir avantageusement un rapport du débit volumique de gaz combustible au débit volumique de gaz comburant compris entre 1 ,2 et 1 ,5, avantageusement entre 1 ,25 et 1 ,30.
Dans cet exemple, les régulateurs 58, 60 sont en outre aptes à maintenir un débit volumique total de gaz inférieur à 1 litre/minute, et par exemple compris entre 0,2 litres/minute et 0,8 litres/minute, notamment entre 0,4 litres/minute et 0,5 litres/minute.
Dans la variante représentée sur la figure 6, l'ensemble de convoyage 32 comporte en outre une source 62 de gaz de refroidissement, et une conduite 64 d'amenée du gaz de refroidissement dans chacun des canaux auxiliaires 44. La conduite 64 est munie d'un régulateur 68 de gaz de refroidissement.
Le gaz de refroidissement est par exemple de l'argon, ou de l'hélium.
Dans l'exemple illustré par la figure 2, le support 33 de refroidissement comporte une partie inférieure 70 de base et une partie supérieure 72 opposée, le matériau allongé 14 étant destiné à circuler dans la flamme 28 entre la partie inférieure 70 et la partie supérieure 72.
Le support de refroidissement 33 comporte en outre un ensemble 74 de régulation thermique apte à refroidir, de manière contrôlée, la partie inférieure 70 et/ou la partie supérieure 72.
La partie inférieure 70 comporte un substrat 76 destiné à entrer en contact avec le matériau allongé 14 et un bloc 78 de régulation thermique disposé sous le substrat 76.
Le substrat 76 est avantageusement réalisé d'une plaque métallique plane. Il définit une surface supérieure 80 d'appui du matériau allongé 14 s'étendant transversalement par rapport à l'axe A-A', en regard de la torche 26.
La partie supérieure 72 est disposée axialement entre la torche 26 et la partie inférieure 70.
Elle comporte un corps supérieur 82 qui, dans cet exemple, présente une forme de cavalier. Le corps supérieur 82 délimite une surface inférieure 84 placée en regard de la surface supérieure d'appui 80 du matériau allongé 14, et une surface supérieure inclinée 86 pour défléchir la flamme 28 vers le matériau allongé 14.
Le corps supérieur 82 définit, dans la surface supérieure 86, une encoche 88 centrale de passage du matériau allongé 14. Dans cet exemple, la surface inférieure 84 est sensiblement parallèle à la surface supérieure d'appui 80.
La surface inclinée 86 présente une inclinaison non nulle, et inférieure à 90° par rapport à la surface supérieure 80, en projection dans un plan passant par l'axe A-A'.
L'angle d'inclinaison a de la surface inclinée 86 par rapport à la surface supérieure
80 est ainsi compris entre 20 ° et 60° pour assurerune déflection efficace d'une partie latérale de la flamme 28.
L'encoche 88 présente une forme incurvée correspondant à une partie du contour de la flamme 28.
Ainsi, la partie supérieure 72 est apte à assurer le plaquage du matériau allongé
14 contre la surface supérieure 80, le refroidissement de la zone active de la flamme 28, et son orientation optimale, afin d'opérer un traitement le plus efficace possible du matériau allongé 14 depuis la zone riche en précurseurs carbonés dans la flamme 28.
L'ensemble 74 de régulation thermique comporte une source 90 de fluide réfrigérant, une première conduite 92 de circulation de fluide réfrigérant à travers la partie inférieure 70, et une deuxième conduite 94 de circulation de fluide réfrigérant à travers la partie supérieure 72.
L'ensemble 74 comprend en outre un capteur de température 96, par exemple un pyromètre, propre à mesurer la température de la région de la flamme 28 en regard d'un point de contact du matériau allongé 14 avec la surface supérieure 80, au voisinage de la partie inférieure 70.
Le fluide réfrigérant est propre à évacuer par échange thermique sans contact la chaleur générée par la flamme 28. Il est par exemple formé d'eau, d'un mélange d'eau avec un autre réfrigérant tel que du glycol, ou de dioxyde de carbone.
L'unité de commande 34 est propre à commander l'ensemble de convoyage de gaz 32 pour fournir un mélange adéquat de gaz combustible et de gaz comburant, avec éventuellement du gaz réfrigérant.
L'unité 34 est propre également à commander l'ensemble de régulation thermique
74 pour maintenir la température de la flamme, au niveau du d'un point de contact entre le matériau allongé 14 et la surface supérieure 80, telle que mesurée par le capteur 96, conforme à une température de consigne comprise par exemple entre 400 °C et 700 °C, notamment entre 500 °C et 700 °C.
Selon l'invention, la torche 26, la flamme 28, et le support de refroidissement 33 sont placées dans un volume d'air ambiant, par exemple dans un bâtiment, sans être placés dans une enceinte de confinement dans laquelle une atmosphère particulière est définie. En particulier, la teneur volumique en oxygène dans le volume d'air ambiant est supérieure à 19 %, et est notamment comprise entre 20 % et 22 %.
La teneur volumique en azote dans le volume d'air ambiant est supérieure à 70 %, et est notamment comprise entre 75 % et 80 %.
Le procédé de préparation selon l'invention peut donc être mis en œuvre de manière très simple, sans prévoir une enceinte de confinement dans laquelle une atmosphère particulière doit être contrôlée. L'atmosphère régnant autour de la torche 26, et en particulier entre la torche 26 et le support de refroidissement 33 autour de la flamme 28 n'est pas contrôlée.
En référence à la figure 1 , l'ensemble de défilement 22 comporte un élément amont 100 de déstockage du matériau allongé 14 brut, avant son passage dans le dispositif de greffage 20, un mécanisme (non représenté) de guidage du matériau allongé 14 à travers le dispositif de greffage 20, et un élément aval 102 de stockage du matériau allongé 14 muni de nanostructures de carbone 16 greffées, issu du dispositif de greffage 20.
L'élément amont 100 comporte par exemple un organe amont d'enroulement du matériau allongé brut 14. Le matériau allongé brut 14 est propre à être déstocké hors de l'élément amont 100 d'une manière continue.
Le mécanisme de guidage du matériau allongé 14 est propre à guider le matériau 14 dans le dispositif de greffage 20 pour l'appliquer sur la surface 80 et le positionner dans la flamme 28 en regard de la surface inclinée 86 de la partie supérieure 72.
Il comporte des moyens de réglage de la position du matériau allongé 14 par rapport à la surface supérieure 80 et par rapport à la surface inclinée 86 qui peuvent être pilotés par l'unité 34 de commande.
L'élément aval 102 comporte par exemple un organe aval d'enroulement du matériau allongé 14 greffé. Le matériau allongé greffé 14 est propre à être stocké dans l'élément aval 102 d'une manière continue.
En outre, l'élément aval 102 et/ou le mécanisme de guidage comportent un moyen d'entraînement du matériau allongé 14 à une vitesse donnée dans le dispositif de greffage 20. La vitesse donnée est par exemple supérieure à 1 mm/min, et est notamment supérieure à 5 mm/min. Cette vitesse est avantageusement supérieure à 300 mm/min et par exemple comprise entre 300 mm/min et 10000 mm/min.
L'ensemble 24 de pré-traitement est disposé entre l'élément amont 100 de déstockage et le dispositif de greffage 20. Il comporte un dispositif 1 10 d'application d'un agent catalytique propre à initier la croissance de nanostructures de carbone sur la surface extérieure du matériau allongé 14 brut. L'agent catalytique est par exemple formé d'un métal tel que du fer, du nickel, du cobalt. Il se dépose sous forme d'une pluralité de sites propres à engendrer la croissance de nanostructures de carbone 16 sur la surface du matériau allongé 14.
Avantageusement, le dispositif 1 10 comporte des moyens 1 12 de trempage du matériau allongé 14 dans une solution diluée contenant un métal, et des moyens 1 14 de séchage.
Un procédé de préparation du produit 12 selon l'invention à l'aide de l'installation 10 va maintenant être décrit.
Initialement, le dispositif de greffage 20 est fourni et est disposé dans un volume d'air ambiant.
Du matériau allongé brut 14 est disposé dans l'ensemble amont de déstockage 100 et est déployé à travers l'ensemble de pré-traitement 24, lorsqu'il est présent, à travers le dispositif de greffage 20, jusqu'à l'élément aval 102 de stockage.
Puis, le dispositif de greffage 20 est activé. À cet effet, l'ensemble de régulation thermique 74 est mis en route pour provoquer le refroidissement de la partie inférieure 70 et de la partie supérieure 72 du support de refroidissement 33.
Par ailleurs, un mélange de gaz comburant et de gaz combustible est fourni dans la torche 26 pour allumer et alimenter la flamme 28.
Le capteur de température 96 est en outre activé pour régler la température de la flamme 28.
L'unité de commande 34 pilote le rapport volumique du gaz combustible au gaz comburant pour le maintenir avantageusement entre 1 ,1 et 1 ,4, notamment entre 1 ,25 et 1 ,3.
Le volume total de gaz combustible et de gaz comburant est supérieur à 0,3 l/min et est notamment compris entre 0,4 l/min et 0,5 l/min.
La flamme 28 est créée dans un volume d'air ambiant, sans qu'il soit nécessaire de créer une atmosphère particulière autour de la torche 26, ce qui est particulièrement simple d'utilisation.
Une fois la flamme 28 stabilisée, la position de la surface supérieure 80, et de la partie inférieure 70 est réglé pour assurer qu'une température comprise entre 400 °C et 700 °C, avantageusement entre 500 °C et 700 °C esprésente dans la zone de la flamme 28 dans laquelle le matériau allongé 14 va circuler.
Ainsi, la distance axiale séparant l'extrémité libre de la torche 26 de la surface 80 est par exemple comprise entre 3 mm et 5 mm, notamment entre 4 mm et 4,5 mm. Ceci étant fait, le matériau allongé 14, par exemple un fil de carbone, est entraîné pour défiler en continu entre l'élément amont de déstockage 100 et l'élément aval de stockage 102, à travers l'ensemble de pré-traitement 24 et le dispositif de greffage 20.
Lors du passage dans l'ensemble de pré-traitement 24, le matériau allongé brut 14 est muni de sites métalliques de greffage sur sa surface extérieure. Avantageusement, il trempe dans une solution métallique fournie dans les moyens 1 12 de trempage, puis il sèche dans les moyens de séchage 1 14.
Le matériau allongé 14 passe ensuite dans le dispositif de greffage 20. Il est appliqué contre la surface supérieure 80 et pénètre dans la flamme 28. Comme illustré par la figure 4, il passe en regard de la surface inclinée 86 de la partie supérieure 70.
La flamme 28 étant projetée contre la surface 86, elle présente un tronçon principal 120, en amont de son contact avec la surface inclinée 86 et un tronçon 122 défléchi sur la surface 86, dans lequel circule le matériau allongé 14.
Si nécessaire, un gaz de refroidissement, tel que de l'argon est ajouté dans la flamme 28.
Ainsi, le matériau allongé 14 est soumis à une partie de la flamme 28 qui présente une température contrôlée, et dont le refroidissement est maîtrisé.
Dans cet exemple, le matériau allongé 14 circule en continu dans la flamme 28 à une vitesse comprise entre 300 mm/min et 6000 mm/min.
Ce passage provoque le greffage continu de nanostructures de carbone 16 sur le matériau allongé 14, sur la surface du matériau allongé 14 placé en regard de la flamme 28.
La longueur des nanostructures 16 est par exemple supérieure à 10 μηι, et notamment comprise entre 20 μηι et 30 μηι. Le diamètre maximal des nanostructures 16 est par exemple inférieure à 1 μηι et est notamment inférieure à 50 nm.
Le matériau allongé 14, muni de nanostructures de carbone 16 est ensuite stocké dans l'ensemble aval 102, en continu.
Le procédé selon l'invention est donc particulièrement simple à mettre, tout en permettant une productivité optimale. Il permet de greffage efficace de nanostructures de carbone sur des matériaux allongés divers, tels que des fibres, des fils, des matrices structurées, des voiles, ...
Ce procédé est en outre très sur pour les opérateurs, puisqu'il implique un greffage des nanostructures 16 sur le matériau allongé 14.
Le greffage est mis en œuvre de manière continue, au fur et à mesure du défilement du matériau allongé 14 à travers la flamme 28.
Les produits 12 obtenus sont visibles par exemple sur les figures 1 1 et 12. Dans une première variante d'installation 10 représentée sur les figures 7 et 8, un matériau allongé 14 sous forme d'une bande 130 est introduit dans le dispositif de greffage 20.
La surface supérieure 80 de la partie inférieure 70 du support présente une forme incurvée, convexe vers la torche 26, à l'exception d'un tronçon 132 plan situé en regard de la partie supérieure 72 et de la flamme 28.
L'ensemble amont 100 et l'ensemble aval 102 comprennent chacun une bobine. La bobine de l'ensemble amont 100 est propre à dérouler le matériau allongé brut 14, la bobine de l'ensemble aval 102 étant propre à enrouler le matériau allongé 14 muni des nanostructures 16.
Dans une deuxième variante installation 10 représentée sur la figure 9, l'installation 10 comporte un premier dispositif de greffage amont 20A d'une partie supérieure du matériau allongé 14 et un deuxième dispositif de greffage aval 20B d'une partie inférieure du matériau allongé 14.
Le premier dispositif de greffage 20A est orienté à l'opposé du deuxième dispositif de greffage 20B.
Ainsi, la torche 26 du premier dispositif de greffage 20A s'ouvre dans un premier sens (vers le bas sur la figure 9) vers le support de refroidissement 33 de ce dispositif 20A.
La torche 26 du deuxième dispositif de greffage 20B s'ouvre à l'opposé du premier sens dans un deuxième sens (vers le haut sur la figure 9) en regard du support de refroidissement 33 de ce dispositif 20B.
Ainsi, lorsque le matériau allongé 14 passe à travers le premier dispositif de greffage 20A, une première partie de la surface extérieure 14 de ce matériau est munie de nanostructures 16.
Puis, lorsque le matériau allongé 14 passe à travers le deuxième dispositif de chauffage 20B, une deuxième partie de la surface extérieure 14 de ce matériau 14 qui était en contact avec la surface supérieure 80 de l'ensemble de refroidissement 33 du premier dispositif de greffage 20A est à son tour munie de nanostructures 16.
L'invention qui vient d'être décrite permet d'obtenir des matériaux allongés 14 munis de nanostructures de carbone 14 greffées qui sont utilisables dans de nombreux domaines techniques, comme par exemple le renforcement de matrices en matériau polymère, l'obtention de matériaux composites structurels pour obtenir des pièces composites à haute performance (par exemple pour l'aéronautique, les sports et loisirs, le ferroviaire, l'automobile), ou le développement de matériaux intelligents (filtration, textiles intelligents, piles à combustible). Dans un exemple de réalisation, un matériau allongé 14 formé de fils de carbone a été muni de nanostructures de carbone 16 constituées de nanotubes, à l'aide d'un procédé selon l'invention.
Les fils de carbone modifiés ont été moulés par stratification manuelle à l'aide d'une résine époxy 2025 de la société AXON.
Des barreaux composites réalisés à partir de fils de carbone de type T300 de la société TORAY ayant une longueur de 80 mm, une largeur de 2 mm, et une épaisseur de 1 mm, avec une tolérance de plus ou moins 0,06 mm ont été obtenus en noyant quatre fils de carbone modifiés dans la résine.
À titre de comparaison, des éprouvettes contenant des fils de carbone bruts, non traités par le procédé selon l'invention, ont été moulées.
La résistance électrique des éprouvettes comprenant des fils traités par le procédé selon l'invention est inférieure à 30 ohms, alors que les éprouvettes comprenant des fils non traités présentent une résistance électrique voisine de 235 ohms.
Ces barreaux composites 300 ont été sollicités selon un déplacement dynamique sinusoïdal en flexion trois (encastré aux extrémités 302A, 302B et au centre 302C) pour réaliser une analyse dynamique thermomécanique (DTMA en anglais). La distance entre appuis était de 60 mm, la fréquence de 5 Hz, la vitesse de montée en température de 2 °C/min et le débattement de ± 10 μηι. Les essais ont été conduits entre 25 °C et 1 10 °C, avant la transition vitreuse de la résine. Une vue de dessus du montage est présenté sur la figure 1 1 .
La figure 12 montre l'évolution du module de stockage E' en fonction de la température, les barreaux composites sur lesquels sont greffés des nanostructures 16 sur des fibres de carbone présentent un module de stockage 310 supérieur de 10 % au module de stockage 312 du barreau de référence.
Par rapport aux procédés de l'état de la technique, le procédé selon l'invention est donc particulièrement simple à mettre en œuvre, puisqu'il ne nécessite pas d'introduire les particules dans un four, ni de régler une atmosphère particulière dans le four. Le procédé peut être mis en œuvre de manière simple et pratique, directement dans un volume d'air ambiant. La croissance de nanotubes obtenue est alors rapide, contrairement à celle des procédés de l'état de la technique, notamment celui décrit dans Shaffer et al., Carbon, 48, 277-286, 2010, ce qui permet d'obtenir des rendements élevés.
Par ailleurs, les inventeurs ont découvert d'une manière particulièrement surprenante que les procédés flammes utilisés dans l'état de la technique pour produire des nanostructures de carbone libres (voir par exemple US201 1 /0059006 et US 2010/01 19724) pouvaient, en présence d'un matériau allongé passant dans la flamme, conduire au greffage de nanostructures sur le matériau allongé. Le procédé selon l'invention permet de fixer les nanostructures sur le matériau allongé pour produire un matériau allongé modifié présentant des propriétés améliorées. Les produits allongés ainsi obtenus sont utilisables notamment pour être noyés dans une grande variété de matrices polymère pour améliorer les propriétés de la matrice.
Le procédé selon l'invention comprend le défilement en continu du matériau allongé à travers la flamme, dans un volume d'air libre, ce qui garantit un greffage rapide et efficace d'une grande longueur du matériau allongé. Le procédé ne nécessite donc pas d'immobiliser pendant une durée significative les échantillons à traiter dans une atmosphère confinée (comme dans EP 2 224 830, dans Yoon et al., Science of the Total Environment, 409, 4132-4138, 201 1 , ou dans Shaffer et al., Carbon, 48, 277-286, 2010) ou à immobiliser les échantillons à traiter dans une flamme (voir Amini et al., Carbon 48, 3131 -3138, 2010 ou Mai et al. Carbon 50, 2347-2374, 2012).
Le procédé selon l'invention évite également de prévoir des interfaces complexes avec un four de CVD, lorsque le matériau est introduit en continu dans un tel four comme dans EP 2 290 139.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Procédé de préparation d'un matériau allongé (14) muni de nanostructures (16) de carbone greffées, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- fourniture d'un dispositif de greffage (20) comprenant une torche (26) produisant une flamme (28) dans un volume d'air ambiant, et un support (33) de refroidissement disposé en regard de la flamme (28) ;
- défilement continu du matériau allongé (14) à travers la flamme (28) entre la torche (26) et le support de refroidissement (33) ;
- greffage continu de nanostructures de carbone (16) sur le matériau allongé (14) lors de son défilement à travers la flamme (28).
2. - Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le défilement continu du matériau allongé (14) comporte le déstockage du matériau allongé brut hors d'un ensemble amont (100) de déstockage, le passage du matériau allongé brut (14) déstocké à travers la flamme (28), puis le stockage du matériau allongé (14) muni de nanostructures de carbone (16) sur un ensemble aval (102) de stockage.
3. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte le passage du matériau allongé (14) entre une partie (70) de base du support de refroidissement (33) et une partie opposée (72) du support de refroidissement (33) disposée entre la partie de base (70) et la torche (26), la partie de base (70) et la partie opposée (72) étant chacune refroidies.
4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau allongé (14) est plaqué contre la partie de base (70) dans la flamme (28) lors de son défilement continu à travers la flamme (28).
5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support de refroidissement (33) comporte au moins une surface inclinée (86) de déflection d'au moins un tronçon principal (120) de la flamme (28) produite par la torche (26), la flamme (28) produite par la torche (26) comprenant un tronçon défléchi (122) situé en aval de la surface inclinée de déflection (36), le matériau allongé (14) passant à travers le tronçon défléchi (122).
6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de la région de la flamme (28) dans laquelle passe le matériau allongé (14) est inférieure à 700 °C, et est notamment comprise entre 400° C et 700 °C.
7. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la torche (26) produit une flamme (28) engendrée par la combustion d'un gaz carburant hydrocarboné, tel que l'acétylène, avec de l'oxygène, le rapport du débit de gaz carburant au débit d'oxygène fourni dans la torche (26) étant avantageusement supérieur à 1 .
8. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de dépôt sur la surface du matériau allongé (14) d'un agent catalytique propre à initier la croissance de nanostructures de carbone (16), l'agent catalytique étant avantageusement déposé à partir d'une solution métallique diluée.
9. - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vitesse de défilement du matériau allongé (14) dans la flamme (28) est supérieure à 1 m/min.
10.- Installation (10) de préparation d'un matériau allongé (14) muni de nanostructures de carbone (16) greffées, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- un dispositif de greffage (20) comprenant une torche (26) produisant une flamme
(28) dans un volume d'air ambiant, le dispositif de greffage (20) comportant un support
(33) de refroidissement disposé en regard de la flamme (28) ;
- un ensemble (22) de défilement continu du matériau allongé (14) à travers la flamme (28) entre la torche (26) et le support de refroidissement (33) ;
le dispositif de greffage (20) étant propre à greffer en continu des nanostructures de carbone (16) sur le matériau allongé (14) lors de son défilement à travers la flamme
(28).
1 1 .- Installation (10) selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'ensemble
(22) de défilement continu du matériau allongé (14) comporte un ensemble amont (100) de déstockage du matériau allongé (14) brut, un mécanisme de passage du matériau allongé brut (14) déstocké à travers la flamme (28), et un ensemble aval (102) de stockage du matériau allongé (14) muni de nanostructures de carbone (16).
12.- Installation (10) selon l'une des revendications 10 ou 1 1 , caractérisée en ce que le support de refroidissement (33) comporte une partie (70) de base et une partie opposée (72) disposée entre la partie de base (70) et la torche (26), la partie de base (70) et la partie opposée (72) étant chacune refroidie, l'ensemble de défilement (22) étant propre à guider le matériau allongé (14) entre la partie de base (70) et la partie opposée (72).
13.- Installation (10) selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que le support de refroidissement (33) comporte au moins une surface inclinée (86) de déflection d'au moins un tronçon principal (120) de la flamme (28) produite par la torche (26), la flamme (28) produite par la torche (26) comprenant un tronçon défléchi (122) situé en aval de la surface inclinée de déflection (36), l'ensemble de défilement (22) étant propre à guider le matériau allongé (14) pour qu'il passe à travers le tronçon défléchi (122).
14.- Produit (12) comprenant un matériau allongé (14) muni de nanostructures de carbone (16) greffées, notamment de nanotubes de carbone et/ou de nanofibres de carbone, caractérisé en ce qu'il est susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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