Brevet FR2637906A1 — publié le 19900420

Procédé pOui la fabrication de mines de crayon L'invention concerne un procedé pour la fabrication de mines ae crayon calcinees à partir d'argile, de graphite et éventuellement d'autres produits, l'argile ou le mélange argile - graphite étant attaqué par de l'eau, boudiné, seche et calcine. Les mines de crayon connues se composent pour l'essentiel de graphite et d'argile, le rapport du graphite a l'argile deéterminant le degré de dureté des mines. Habituellement, lors de la fabrication, l'argile extraite de la mine est transformée en sehla-m, c'est-a-dire mise en suspension dans un excès d'eau et broyée ie cas echeant, mélangée avec du graphire et transformee en gâteaux de tiltrage sur des filtres-presses. Les g&teaux de filtrage sont seches et traites avec de l'eau dans des petrisseuses 1s en Z pour les amener a une consistance permettant de les bouainer. On ajoute ici, en fonction des besoins, ce que l'on appelle des adJuvants de pressage, ccmme des éthers de cellulose ou =es polygiycols. Ces aaditifs 'produisent une ressstance correspondante a l'éetat humice et a l'état sec, 2'la car le melange pur d'argile et de gratite serait trop instalDie et d'une manuDulation trop déelicate lors ae son bouainage en mines ae 2 a 2,5 mm d'épaisseur. Ces adaiti s presentent toutezois l'inconvenient qu'ils n'exercent une lntluence que sur la resistance & l'état humide et a l'etat sec, et qu'ils sont sans eX et sur la resîstance finale de la mine calcinee. La liaison ceramicue est meme partièelle- ment aétruite par formation d'une porosite excessive. Un inconvenient est aussi que les additi s organiques bruient lors de l'operation de calcination en condulsant a une pollution considéurable. Par ailleurs, de tels additlfs sont sans effet quant a une attaque rapide de l'argile. Dans le DE-AS 12 43 305, il est propose un meiange de bentonite alcalinoterreuse, de kaolin et ae grapzite pour la fabrication d'une mine Re crayon. Il est vrai que = l'on peut renoncer ici a à es aaditlis organiques pour améliorer la résistance à l'état humide et à l'état sec, mais la fabrication du mélange prend beaucoup de temps car, pour obtenir le résultat souhaite, la bentonite en particu- lier doit être longuement gonflée. En outre, des températu- res de calcination relativement élevées sont nécessaires. Le mélange est très cher par rapport aux formules d'argile habituelles. Le problème qui est à la base de l'invention est d'attaquer de l'argile extraite de la mine, c'est-à-dire de la faire gonfler, en quelques minutes et sans excès d'eau, et d'obtenir par le mélange avec du graphite une masse bien déformable dont la résistance à l'état humide et à l'état sec est optimale, et qui produit à des températures de calcination relativement basses des mines de crayon dont la résistance est élevée. Ce problème est résolu grâce au fait que, préalable- ment a l'attaque de l'argile ou du mélange argile - graphite, ou en vue de cette attaque, on ajoute du ou des phosphates alcalins, du ou des borates alcalins et/ou du ou des carbonates alcalins. L'argile extraite de la mine, sechée, broyee et tamisee dont la granulométrie est inférieure à 10 p est mélangée dans un mélangeur rapide avec de la poudre de graphite, des phosphates alcalins, des borates alcalins et/ou des carbonates alcalins, puis mélangée avec de l'eau. En variante, il est également possible d'ajouter, à un mélange intime de graphite et d'argile fabriqué dans un mélangeur rapide, de l'eau dans laquelle sont dissous des phosphates alcalins, des borates alcalins et/ou des carbona- t0 es alcalins. L'argile est ici attaquée sans excès d'eau, c'est-a-.ire directement avec la quantité d'eau qui est necessaire pour l'opération de boudinage. Le melange selon l'invention se compose de: a) 15 a 70 % en poids de poudre de graphite, b) 3 à 30 %' en poids de farine d'argile, c) 0,1 a 20 % en poids de phosphate(s) alcalin(s), de borate(s) alcalin(s) et/ou de carbonate(s) alca- lin(s), d) 3 à 50 % en poids d'eau, ainsi que de e) O à 35 % en poids d'autres produits, par exemple de la suie. Les phosphates alcalins, les borates alcalins ou les carbonates alcalins ajoutés selon l'invention sont par exemple du polyphosphate de sodium, du polyphosphate de potassium, du tétraborate de sodium, du carbonate de sodium et du carbonate de potassium, du carbonate de lithium, du metaborate de sodium, du tétraborate de potassium et du métaborate de potassium. Grâce au mélange intense de l'argile avec du graphite, les gros agglomérats sont divisés par les forces mécaniques, de sorte que les particules d'argile présentent une grande surface active librement accessible. On obtient en outre une répartition statistique optimale des particules de graphite et des particules d'argile. Grâce à l'addition de phosphates alcalins, de borates alcalins et/ou de carbo- nates alcalins et à leur dissolution dans l'eau, les cations polyvalents de l'argile sont rendus inactifs par séquestra- tion et remplaces par des cations monovalents. Dans le cas de l'utilisation de polyphosphates alcalins, par exemple, la solution fournit des ions alcalins, ce qui donne naissance à l'anion fortement chargé O 0 O O 0 Il Ii I!;; il HO-P-O-P-OP-O-P-..- O-P-OH 1' I l I l ONa O- ONa O- ONa En correspondance avec le nombre des ions sodium missoces, cet anion devient toujours plus fortement charge negativement; à la fin, sa charge negative devient si forte que tous les autres ions sodium sont retenus et qu'ils u peraent leur mooilite. Si alors un cation comportant des charges positives polyvalentes vient en contact avec un tel antion à charge négative élevée, il est plus fortement attiré que les ions sodium à charge unique, en liaison avec sa charge plus élevée, ce qui veut dire que les cations comportant des charges positives polyvalents viennent à la place des ions sodium déplacés, qu'ils deviennent fortement liés, en liaison avec leur charge très élevée, et que les particules d'argile sont mouillées. Dans le cas de l'utilisation de carbonates alcalins ou, respectivement, de borates alcalins, les cations poly- valents de l'argile passent dans les carbonates ou, respec- tivement, dans les borates insolubles dans l'eau. Les ions hydroxyles engendrés par hydrolyse de l'ion carbonate ou, respectivement, de l'ion borate, sont absorbés sur les limites chargées positivement des particules d'argile, ce qui conduit à un mouillage partilel. Dans les deux cas, l'argile est attaquée et gonflée dans un délai de quelques minutes. La quantité d'eau peut être ici limitee à la fraction qui est nécessaire pour la -20 suite du traitement. L'invention est expliquée de manière plus détaillée à l'aide des exemples suivants. Exemple 1 On mélange dans un mélangeur rapide intensif 66,0 kg de poudre de graphite à 96 % C de granulometrie 34 kg de farine d'argile de granulometrie nuant de melanger, on ajoute ensuite 22 litres d'une solution aqueuse de 0,8 kg de polyphosphate de sodium à longueur de chaine moyenne et de 1,6 kg de tétraborate de sodium 10 fois hydraté. Après quelques minutes, l'attaque de l'argile commence et des granules se forment. Le melange argile - graphite présente une teneur en humidité de 18%. et il est ensuite pressé au moyen d'une boudineuse classique du commerce Jusqu'a former des mines de 2.3 m= d'épaisseur. Les mines présentent ici une très bonne résistance à la rupture à l'état humide. Les mines coupées à des longueurs corres- pondantes sont séchées entre 100 et 150' et calcinées ensuite à 800 en atmosphère inerte ou réductrice. Exemple 2 On mélange au préalable à sec comme dans l'exemple 1 kg de poudre de graphite à 96 % C de granulométrie comme dans l'exemple 1. Exemple 3 On melange au prealable à sec comme dans l'exemple 1 kg de poudre de graphite à 96 % C de granulométrie traitement a lieu comme dans l'exemple 1. Exemple 4 On mélange à sec dans un mélangeur rapide 50 kg de poudre de graphite à 96 % C de granulométrie litres d'eau en continuant de melanger. La suite du traite- ment a lieu comme dans l'exemple 1. Exemple 5 On mélange à sec dans un mélangeur rapide 66 kg de poudre de graphite i 96 % C de granulométrie comme dans l'exemple 4. Il s'est avéré que c'est en particulier le polyphos- phate de sodium à structure en chaîne moyenne ou longue qui convient pour l'attaque de l'argile. Il s'est avéré égale- ment que le tétraborate de sodium améliore nettement la plasticité de l'argile, et donc la résistance à la rupture à l'état humide, et qu'il réduit aussi la température de 1b frittage de l'argile. Ceci peut s'expliquer par un effet de formation de fondant, et donc de phase fusible. Il est ainsi possible de fabriquer des. mines dont la température de calcination est nettement plus basse. En outre, leur résis- tance n'est pas diminuée. 2u Une comparaison avec des procedés traditionnels de fabrication de mines de crayon rend évident le caractère avantageux de l'invention. Exemple comparatif A On melange 35 parties en poids d'un mélange d'argiles compose de bentonite de calcium et de kaolin (dans un rapport de 6/4 en parties en poids) avec 65 parties en poids de poudre de graphite, on amène le melange à l'état de bouillie au moyen d'eau, on le concentre, on le sèche et on le calcine. Exemple comparatif B (avec additifs organiques) On transforme en sohlamm 80 % en poids d'eau et 20 % en poids d'argile dans un bassin à agitateur. Apres une -purification et un fractionnement éventuel (hydrocyclone), on détermine la teneur en argile. En ajoutant sous agitation de la poudre de graphite à la barbotine aqueuse d'argile, on règle le rapport graphite/argile à 1/0,5. On concentre le mélange sur des filtres-presses pour former des gâteaux de filtrage. On divise les gâteaux de filtrage séchés dans une pétrisseuse en Z, on règle à une consistance de boudinage au moyen de 16 % en poids d'eau, et on plastifie au moyen de 2% de polyglycol (CG 6000). On lamine éventuellement la masse, on la boudine ensuite de manière connue pour former des mines, et on la calcine. Tableau comparatif Exemle Exemple comparatif 1 2 3 4 5 A B Excès d'eau non non non non non oui oui Additifs org. non non non non non non oui Porosité ouverte - de la mine en % 9 8 8 10 15 Résistance à la rupture à l'état humide (essai de flexion à la main) forte forte forte forte forte moyenne faible Température de calcina- tion nécessaire 800 800 800 800 800 1.000 1.000 Résistance finale (N/mM=) 105 110 115 140 104 75 68 Temps de mélange avant mouillage (minutes) 10 10 10 10 10 120 ') Dureté HB F F 3H EB RB H B ) 2 à 3 Jours. - REVENDICATIONS - 1. Procédé pour la fabrication de mines de crayon à partir d'argile, de graphite et éventuellement d'autres produits, l'argile ou le, mélange argile - graphite étant attaqué par de l'eau, boudiné, séché et calciné, caractérisé par le fait que, préalablement à l'attaque de l'argile ou du mélange argile - graphite, ou en vue de cette attaque, on ajoute du ou des phosphates alcalins, du ou des borates alcalins et/ou du ou des carbonates alcalins. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait. que les phosphates alcalins, les borates alcalins et/ou les carbonates alcalins sont ajoutés à l'argile ou au mélange argile - graphite avant l'addition d'eau. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les phosphates alcalins, les borates alcalins et/ou les carbonates alcalins sont ajoutés à l'argile ou au mélange argile - graphite alors qu'ils sont dissous dans 1' eau. 4. Procédé selon l'une des revendications I à 3, carac- térisé par le fait que le mélange se compose avant le boudinage de: a) 15 a 70. en poids de poudre de graphite, b) 3 à 30 % en poids de farine d'argile, c) 0,1 à 20 % en poids de phosphates alcalins, de borates alcalins et/ou de carbonates alcalins, d) 3 à 50 % en poids d'eau, ainsi que de e) 0 à 35 % en poids d'autres produits, par exemple de la suie.