Brevet FR2682370A1 — publié le 19930416

La présente invention concerne des particules microniques de graphite, un procédé pour leur préparation, et leurs applications. Différents matériaux carbonés pulvérulents, graphités ou non, sont connus. Ils sont préparés industriellement par des procédés mettant en oeuvre différentes technologies. Les noirs de carbone sont obtenus par craquage d'hydrocarbures en phase vapeur. Ils se présentent sous la forme de poudre nanométrique dont les particules sont agglomérées ou non. Certains de ces matériaux peuvent être graphités par un traitement thermique ultérieur. Les graphites naturels sont obtenus après lavage du minerai et purification du graphite. Les graphites artificiels sont obtenus par un traitement contrôlé de précurseurs (pyrolyse de brai de houille ou de pétrole), suivi d'une graphitation. Les produits résultants sont ensuite soit broyés à sec dans des broyeurs à boulets, soit broyés en voie humide dans des broyeurs à billes. Chaque produit est repéré par sa granulométrie. On peut ainsi distinguer les grandes paillettes (diamètre compris entre 0,2 et 2 mm), les petites paillettes (diamètre inférieur à 0,35 mm), les particules fines (diamètre inférieur à 112 ym), les particules très fines (diamètre inférieur à 20 ssm). Pour de nombreuses applications du type lubrification, on cherche à respecter la structure en feuillet, c'est-à-dire une structure cristalline ultra-mince. Or les techniques de broyage classiques cassent les grains dans tous les sens Un objet de la présente invention est de fournir un matériau graphité sous forme de particules de graphite microniques plates, caractérisées par un rapport diamètre/épaisseur élevé. L'invention a également pour objet un procédé permettant d'obtenir les particules microniques plates à partir de carbones graphitisables ou partiellement graphités. Enfin, l'invention a pour objet des applications du dit matériau. Le matériau graphité selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement de parti cules monocristallines ayant un facteur de forme compris entre 50 et 1000 et qui, après dépôt sur un support plan en couche de quelques millimètres d'épaisseur présentent une mosaïcité, déterminée par diffraction des rayons X, de l'ordre de + 15 d'angle. De préférence, le facteur de forme des particules est supérieur à 100. Le facteur de forme représente le rapport du diamètre b des particules à leur épaisseur d. Le matériau graphité de la présente invention est obtenu par un procédé en deux étapes. Au cours d'une première étape, on prépare un matériau expansé à partir d'un matériau précurseur graphité ou graphitisable. Au cours d'une deuxième étape, la matériau expansé est soumis à un broyage. Le broyage résulte de l'action alternée d'une sonde à ultra-sons et d'un broyeur rotatif à effet de cisaillement et de cavitation. L'alternance de ces deux types de broyage est particulièrement efficace pour fragmenter en cristallites unitaires les particules de graphite expansé prébroyées. En effet, l'association d'ultra sons et du broyeur rotatif permet d'obtenir des particules fines ayant un facteur de forme très élevé, de l'ordre de 100 à 200. La durée du broyage fixe la dimension maximale des particules. Comme exemple de broyeur rotatif à effet de cisaillement, on peut citer les broyeurs Ultra Turrax, de la Société Janke et Kunkel. De préférence, le matériau expansé est soumis à un prébroyage qui a pour but essentiel de mouiller le graphite expansé par un liquide approprié. Tout liquide mouillant le graphite peut être utilisé. A titre d'exemple, on peut citer le benzène, le toluène ou le cyclohexane, le benzène et le toluène étant particulièrement efficaces. De préférence, on utilise des mélanges contenant de 1 à 60 g/l de graphite expansé. Le mélange de graphite expansé et de liquide mouillant est prébroyé, par exemple par une turbine hélicoïdale. Cette phase de prébroyage permet une homogénéisation du mélange et entraîne une fragmentation importante des flocons de graphite expansé. Un séchage postérieur au broyage, qui a pour but d'éliminer le liquide mouillant, est utile pour empêcher les particules de s'agglomérer. Le liquide mouillant doit être éliminé afin d'éviter tout recompactage des particules de graphite micronique plat. Cette élimination peut être effectuée avantageusement par lyophilisation, de préférence lorsque le benzène ou le cyclohexane est utilisé comme liquide mouillant. Comme matériau précurseur, on peut utiliser tout matériau graphité ou graphitisable dans lequel un élément peut être intercalé. A titre d'exemple, on peut citer le graphite naturel de Madagascar ou le graphite naturel du Brésil. Le graphite de Madagascar se trouve sous forme de particules quasi monocristallines ayant un diamètre moyen de 0,5 mm et une épaisseur moyenne de quelques dixièmes de mm. Il contient moins de 0,5% de cendres. Le graphite du Brésil se trouve sous forme de particules quasi monocristallines ayant un diamètre moyen de 40ym et une épaisseur de quelques dizaines de ym à quelques centaines de Am. On peut également citer les cokes de brai graphités ou graphitisables. Le matériau précurseur peut être expansé par un procédé consistant à intercaler un réactif dans le matériau précurseur, puis à soumettre le composé d'insertion obtenu, éventuellement lavé à l'eau et séché, à une élévation brutale de la température (flash thermique). Le départ rapide de l'intercalat s'accompagne d'une expansion (ou exfoliation) unidimensionnelle irréversible de chaque particule de graphite. Comme réactif, on peut utiliser par exemple les mélanges chlorure ferrique-ammoniac ou l'acide sulfurique. Toutefois, les réactifs ayant une décomposition exothermique, tels que ceux décrits dans la demande de brevet FR 91.97516, sont particulièrement avantageux. Parmi ces réactifs ayant une décomposition exothermique, on peut citer l'acide perchlorique, utilisé seul ou en mélange avec l'acide nitrique, ou encore le nitrométhane. La densité apparente du graphite expansé ainsi obtenu est très faible (quelques grammes par dm3 contre 2 kg par dm3 pour le matériau précurseur). Son aire spécifique est de l'ordre de quelques dizaines de m2/g, alors qu'elle est de l'ordre de 1 m2/g pour le matériau précurseur. La présente invention est décrite plus en détails dans les exemples suivants, donnés à titre illustratif mais non limitatif, et qui concernent la préparation du matériau graphité de la présente invention, à partir de différents matériaux graphités ou graphitisables. L'histogramme de répartition granulométrique a été établi par comptage et détermination de la taille des particules à l'aide d'un appareil utilisant la diffusion de la lumière, par exemple du type Malvern fabriqué par Instrumat qui met en oeuvre la diffusion d'un rayon laser par les particules mises en suspension dans un liquide porteur. L'histogramme est étalé entre 0 et 100 clam. Il dépend du temps de broyage dans les quatre premières heures et du pouvoir mouillant du liquide utilisé. Il donne la dimension principale des particules. La morphologie du produit obtenu est déterminée par examen au microscope électronique à balayage. Les particules sont déposées sur un support en laiton préalablement poli. La tension accélératrice du faisceau d'électrons incident est de 21 KV. L'épaisseur des particules est telle que les rayures du support sont visibles par transparence, de même que les nodules du cuivre dans la matrice de laiton. Ce phénomène, lié à l'existence d'électrons rétrodiffusés, met en évidence des particules dont l'épaisseur est inférieure à 0,1 ym. Cet examen au microscope électronique donne des résultats point par point. L'aire spécifique du graphite micronique plat obtenu a été évaluée en exploitant les isothermes d'adsorption du krypton réalisée à 77 K. L'analyse qualitative des isothermes montre que le produit est caractérisé par une homogénéité de surface identique à celle rencontrée avec un graphite naturel. L'exploitation quantitative des isothermes permet de déterminer l'aire spécifique du graphite micronique plat. Compte-tenu de la morphologie en feuille des particules de graphite micronique plat, on en déduit le pouvoir couvrant. La cristallinité du matériau est déterminée par diffraction des électrons. Les particules sont déposées par filtration sur une membrane nucléopore avant d'être récupérées sur une grille d'observation. La faible épaisseur des particules permet de réaliser les conditions de diffraction donnant le maximum de résolution ' et aboutissant à un cliché de diffraction monoponctué comportant les rélexions [hko du graphite. L'aptitude au dépôt des particules de graphite micronique plat a été appréciée sur une couche de particules déposées par décantation sur une plaque de béryllium de faible épaisseur. L'enregistrement diffractométrique aux rayons X, réalisé en transmission, montre les reflexions hko, mais également la réflexion 002, dont la présence et l'intensité permettent une bonne appréciation de l'état de désorientation des particules. EXEMPLE 1 Un graphite naturel, UF4, fourni par Le Carbone Lorraine et présentant un histogramme de répartition granulométrique compatible avec un diamètre moyen de 6,4 mA a été utilisé. On a mis en contact 1 g de ce matériau avec 4 ml d'un mélange composé d'acide perchlorique commercial à 70% et d'acide nitrique fumant (50/50 volumique) pendant 2 heures. Après réaction, ce milieu hétérogène a été filtré sous vide. Le gâteau récupéré après filtration a été placé dans le fond d'un réacteur préalablement chauffé au rouge. Cette première étape a conduit à l'expansion des particules du matériau de départ. Les particules expansées ont ensuite été soumises à un prébroyage pendant environ 1/4 h à l'aide d'une turbine hélicoïdale à 2000 t/min. Puis elles ont subi un broyage pendant 3 heures, ledit broyage consistant à alterner des séquences de 10 min de broyage à l'aide d'un broyeur rotatif Ultra-Turrax et des séquences de 5 min d'ultra-sons. Pour cette étape de broyage, les particules étaient mouillées par du cyclohexane. Le produit obtenu présente un histogramme de répartition compatible avec un diamètre moyen de 6,2 mp. L'observation des particules au microscope électronique à balayage montre un état morphologique très différent de celui du matériau avant broyage. Après traitement, les particules sont transparentes sous l'impact du faisceau d'électrons. Le rapport diamètre/épaisseur a donc largement augmenté après broyage. EXEMPLE 2 Le mode opératoire de l'exemple 1 a été reproduit avec un coke de brai non graphité, obtenu par carbonisation à 11000C d'un brai de houille. Ce coke de brai non graphité présentait un histogramme compatible avec un diamètre moyen de 50 m. Le produit obtenu présente un histogramme de répartition compatible avec un diamètre moyen de 28 m. EXENPLE 3 Le mode opératoire de l'exemple 1 a été reproduit avec un coke de brai graphité, obtenu par un traitement thermique à 2500"C du coke de brai non graphité utilisé dans l'exemple 2. Ce coke de brai graphité présentait un histogramme compatible avec un diamètre moyen de 50 my. Le produit obtenu présente un histogramme de répartition compatible avec un diamètre moyen de 12 my. Ces résultats montrent que le procédé de la présente invention est efficace pour les cokes, et plus particulièrement pour les cokes graphités donc plus faciles à insérer. EXEMPLE 4 Un composé d'insertion a été préparé à partir de graphite de Madagascar et d'acide sulfurique. Le composé d'insertion obtenu a été lavé à l'eau et séché à 110"C. Une élévation brutale de la température jusqu'à 1000 "C a provoqué l'expansion du graphite. Différents mélanges contenant de 1 à 60 g de graphite expansé dans 1 1 de benzène ont été soumis à un prébroyage pendant environ 1/4 h à l'aide d'une turbine hélicoïdale à 2 000 t/min. Ensuite, chaque mélange a été soumis alternativement à une sonde à ultra sons (20KHz) et à un broyeur du type Ultra Turrax (20 000 t/min). Chaque séquence a duré 15 min, dont 5 min d'ultra sons et 10 min d'Ultra Turrax. Le réacteur a été thermostaté afin d'éviter l'évaporation du liquide porteur. Le benzène a été éliminé par solidification du mélange à 0 C et pompage dynamique des vapeurs avec piégeage de celles-ci à 180"C. Après ce dernier traitement, le graphite micronique plat est obtenu à l'état sec. La distribution de la taille des particules soumises à agitation dans un liquide porteur a été déterminée à l'aide d'un appareil type Malvern. La figure 1 donne l'évolution de la taille des particules en fonction du temps de broyage pour un mélange à 1 g/l de graphite. On note que toutes les particules possèdent un diamètre inférieur à 30 iim. Les particules obtenues ont une épaisseur inférieure à 0,1 une aire spécifique de l'ordre de 20 m2/g, et par conséquent un pouvoir couvrant de 10m2/g. Le diagramme de diffraction des électrons du graphite micronique plat obtenu indique une monocristallinité quasi parfaite du matériau. Une couche de quelques dixièmes de mm d'épaisseur, qui résulte de la superposition de plusieurs milliers de particules élémentaires, est caractérisée par une désorientation des plans carbonés de + 15 d'angle. Ce résultat rend compte de l'excellente aptitude du matériau à se déposer à plat. EXEMPLE 5 Un composé d'insertion a été préparé à partir de graphite du Brésil et d'un mélange acide nitrique - acide perchlorique eau, selon le mode opératoire décrit dans la demande de brevet FR 91.97516. Le composé d'insertion obtenu a été lavé à l'eau et séché à 110"C. Une élévation brutale de la température jusqu'à 600"C a provoqué l'expansion du graphite. Différents mélanges contenant de 1 à 60 g de graphite expansé dans 1 1 de benzène ont été soumis à un prébroyage pendant environ 1/4 h à l'aide d'une turbine hélicoïdale à 2 000 t/min. Ensuite, chaque mélange a été soumis alternativement à une sonde à ultra sons (20KHz) et à un broyeur du type Ultra Turrax (2 000 t/min). Chaque séquence a duré 15 min, dont 5 min d'ultra sons et 10 min d'Ultra Turrax. Le benzène a été éliminé par solidification du mélange à O"C et pompage dynamique des vapeurs avec piégeage de celles-ci à 1800C. Après ce dernier traitement, le graphite micronique plat est obtenu à l'état sec. La distribution de la taille des particules soumises à agitation dans un liquide porteur a été déterminée à l'aide d'un appareil type Malvern. Les figures 2 et 3 donnent respectivement l'évolution de la taille des particules en fonction du temps de broyage pour un mélange à 1 g/l et à 10 g/l de graphite. On note que toutes les particules possèdent un diamètre inférieur à 30 tm et que 33% des particules ont un diamètre compris entre 4 et 14 ym La figure 4a et la figure 4b représentent respectivement l'histogramme de répartition granulométrique du produit obtenu à partir d'un mélange à 10 g/l broyé pendant 5 h et pendant 11 h. Les particules obtenues ont une épaisseur inférieure à 0,05 m et une aire spécifique de l'ordre de 40 m2/g, et par conséquent un pouvoir couvrant de 20m2/g. Le diagramme de diffraction des électrons du graphite micronique plat obtenu indique une monocristallinité quasi parfaite du matériau. Le graphite micronique plat GMP de la présente invention peut être utilisé avantageusement comme matériau d'électrode dans des piles, rechargeables ou non. Pour cette application, le graphite micronique plat est utilisé sous forme d'un mélange avec MONO2 ou avec tout autre matériau dont les propriétés électrochimiques et/ou morphologiques sont analogues à celles de MnO2, par exemple V2O5. En effet, un phénomène de percolation se produit dans les mélanges GMP-Mn02, même pour des teneurs en GMP de l'ordre de 1%. L'exemple 6 suivant illustre cette propriété. EXENPLE 6 r Un mélange de GMP et de MnO2 est homogénéisé après avoir été mouillé par du cyclohexane. L'homogénéisation est effectuée à l'aide d'une sonde à ultra-sons avec une puissance de 500 watts dans un volume de 100 cm3 avec une fréquence de 20 KHz, pendant 10 min. Le cyclohexane est ensuite extrait du mélange par lyophillisation. La poudre récupérée est pastillée sous une pression de 1000 kg/cm2. La mesure de la conductivité électrique est réalisée sur la pastille obtenue par la méthode de Van Der Pauw. Suivant cette méthode, on réalise sur la pastille mentionnée ci-dessus, des contacts à la laque d'argent aussi fins que possible aux quatre sommets A, B, C et D d'un rectangle. Dans un premier temps, on fait circuler un courant faible, de l'ordre du pA, voire du nA, de A vers B, en notant la valeur de la tension apparaissant entre C et D pour différentes intensités du courant. La courbe représentant la tension en fonction de l'intensité du courant est une droite ayant une pente R1. Ensuite, on répète l'opération en faisant passer un courant de D vers A et on note la tension apparaissant entre les points B et C. La droite représentant la variation de la tension entre B et C en fonction de l'intensité du courant a une pente R2. La résistivité p de la couche formée par la pastille est donnée par la formule suivante P = 2ion2 (Ri + R2) f ( RR2l dans laquelle e représente l'épaisseur de la couche, R1 et R2 les résistances obtenues par les mesures de tension et de courant et f(R1/R2) représente la fonction de Van Der Pauw qui est tabulée. Les résultats des mesures sont rassemblés dans le tableau suivant. TABLEAU % volumique de GMP Epaisseur de la Résistivité (nom) pastille (en cm) 10 0,67 0,022 6 1,35 0,064 3 1,65 0,280 1 0,48 4,47 Ces résultats montrent que le phénomène de percolation est atteint dans ces milieux biphasiques avec une teneur en GMP aussi faible que 1%. Dans les piles classiques, des particules de noir thermique graphité sont sphéroïdes et le seuil de percolation n'est obtenu qu'avec des pourcentages de noir voisins de 30%. L'ensemble des propriétés des particules de graphite micronique plat de la présente invention permettent leur utilisation pour de nombreuses applications. Ainsi, les particules de la présente invention peuvent être utilisées en tribologie classique. Elles peuvent également être utilisées sous forme de composé d'insertion avec un élément inséré approprié pour des applications de tribologie sous vide ou à température élevée. Elles peuvent en outre être utilisées telles quelles, mélangées à du brai, pour favoriser la graphitisation du brai par un traitement thermique. REVENDICATIONS 1. Matériau graphité caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement de particules monocristallines ayant un facteur de forme compris entre 50 et 1000 et présentant, après dépôt en couche de quelques millimètres d'épaisseur sur un support plan, une mosaïcité déterminée par diffraction des rayons X, de l'ordre de + 15 d'angle. 2. Matériau graphité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le facteur de forme est supérieur à 100. 3. Procédé d'élaboration d'un matériau graphité selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer un graphite expansé à partir d'un matériau précurseur graphité ou graphitisable, puis à broyer le graphite expansé obtenu, ledit broyage étant réalisé par l'action alternée d'une sonde à ultra sons et d'un broyeur rotatif à effet de cisaillement. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau précurseur est expansé en insérant un intercalat dans ledit matériau, puis en soumettant le composé d'insertion obtenu à une brutale élévation de température. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le graphite expansé est prébroyé dans un liquide mouillant. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le liquide mouillant est éliminé après broyage. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le liquide mouillant est éliminé par lyophilisation. 8. Application du matériau graphité selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, à la préparation de matériaux d'électrode. 9. Application du matériau graphité selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, à la graphitisation du brai.