Brevet FR2831163A1 — publié le 20030425

sant le vissage d'éléments de finition. 28311 63 La présente invention concerne un matériau carboné poreux ainsi qu'un procédé pour le fabriquer. Le carbone a une excellente résistance thermique, d'excellentes caractéristiques anticorrosion et une excellente résistance aux produits chimiques et est largement utilisé pour des applications comme les matériaux pour éléments chauffants, les matériaux d'électrodes ou les gabarits qui exigent une grande résistance thermique ou une grande résistance aux produits chimiques. En particulier, un matériau carboné poreux est utilisé comme matériau d'électrode pour piles à combustibles, matériau thermiquement isolant ou matériau filtrant. Cependant, du fait de sa porosité, un matériau carboné poreux a une résistance mécanique sensiblement inférieure à celie d'un matériau carboné ordinaire. Par ailleurs, un tel matériau carboné poreux présente l'inconvénient que des particules de carbone qui se détachent de sa surface produisent de la poussière. La présente invention a pour but de fournir un matériau carboné poreux ayant une excellente résistance mécanique et qui produit très peu de poussière de carbone, ainsi qu'un procédé pour sa production. Selon la présente invention, on utilise comme matériau structural du carbone amorphe qui donne un matériau carboné poreux présentant des propriétés aussi satisfaisantes que le carbone amorphe comme l'imperméabilité aux gaz, la résistance aux produits chimiques et la résistance mécanique, et qui permet aussi de supprimer efficacement la production de poussière due aux particules de carbone qui se détachent de ses surfaces. Le matériau carboné poreux selon la présente invention comprend du carbone amorphe comme matériau structural et contient en outre une poudre de carbone en une quantité de O à 50 %, et présente une masse volumique apparente de 0,3 à 1,3 g/cm3. Le procédé de préparation de ce matériau carboné poreux consiste à mélanger uniformément 100 parties de matière première pour le carbone amorphe avec O à 100 parties de poudre de carbone et 10 à parties d'une substance organique ayant un taux de carbone résiduel de O à 5 %, à mouler le mélange en une forme arbitraire et à carboniser le corps moulé à une température de 500 C ou plus. 28311 63 | Comme matière première pour le carbone amorphe, on utilise de prétérence une matière polymère capable de produire un produit composite avec la poudre de carbone par carbonisation dans une atmosphère inerte, une atmosphère non-oxydante ou sous vide, et qui présente de préférence un rendement de carbonisation de 5 % ou plus. Plus particulièrement, il est possible d'utiliser comme matière polymère une résine thermoplastique comme le poly(chlorure de vinyle), le polyacrylonitrile, le poly(alcool vinylique), un copolymère poly(chlorure de vinyle)-poly(acétate de vinyle) ou un polyamide, une résine thermodurcissable comme une résine phénolique, une résine de furane, une résine d'imide, une résine époxyde ou une résine de poiyester insaturé, des matières polymères naturelles dont la structure de base comprend un groupe aromatique polycyclique condensé comme la lignine, la cellulose, la gomme adragante, la gomme arabique ou les saccharides, par exemple, un produit de condensation de formol et de naphtalène- sulfonate qui n'est pas inclus dans le groupe ci-dessus, et des polymères synthétiques dont la structure de base inclut un groupe aromatique polycyclique condensé comme la résine H Copna (cond en sad polynuclear aromatic resin = résine aromatique polynucléaire condensée), par exemple. Il est judicieux de choisir le type et la quantité de matière polymère à utiliser en fonction des caractéristiques, de la résistance mécanique et de la forme du matériau carboné poreux envisagé, et il est possible d'utiliser une seule matière polymère ou un mélange de deux ou plusieurs matières polymères. La poudre de carbone qui est incorporée en plus du carbone amorphe est efficace pour améliorer la moulabilité et pour ajuster la valeur de la résistance et du coefficient de dilatation thermique. Il n'y a pas de limitation particulière concernant la substance organique ayant un taux de carbone résiduel de 0 à 5 %, à condition qu'elle soit gazéifiée pendant le processus de carbonisation et qu'elle joue de manière satisfaisante le rôle d'agent porogène pour former des cavités dans le corps moulé en carbone. Cette substance organique peut être par exemple une résine acrylique, une résine de styrène, une résine époxyde, du nylon, du poly(chlorure de vinyle), du polyuréthane ou du polyacétal. On peut utiliser ces substances sous une forme appropriée quelconque, par exemple on peut les mélanger sous forme de granulés avec les autres 28311 63 composants puis carboniser après le moulage. Ou bien encore, on peut les dissoudre dans un solvant approprié et les incorporer ensuite. On peut utiliser ces substances organiques isolément ou sous forme d'un mélange de deux ou plusieurs d'entre elles. La présente invention sera mieux comprise à la lecture des exemples non limitatifs suivants. Exemple On a mélangé 40 parties de copolymère poly(chlorure de vinyle)poly(acétate de vinyle) (produit par Shin-Daliti-Enbi Co., ZEST-C150S) et 10 parties de résine de furane (produite par Hitachi Chemical Co., Hitafuran VF-303) à titre de matières premières pour le carbone amorphe, afin d'obtenir une résine mélangée à laquelle on a ajouté 50 parties de poly(méthacrylate de méthyle) (produit par Sekisui Chemical Co., Techpolymer BM-50) et 10 parties de graphite en écailles naturel (produit par Nippon Graphite Industries Co.). Après avoir ajouté du phtalate de diallyle monomère en une quantité de 20 %, on a dispersé le mélange au moyen d'un mélangeur Henschel et on l'a malaxé totalement au moyen d'un malaxeur à cylindres pour produire une composition que l'on a pastillée au moyen d'une pastilleuse pour obtenir une composition de moulage sous forme de pastilles. Au moyen d'une extrudeuse à vis, on a moulé par extrusion la composition ainsi obtenue pour former un corps moulé linéaire tout en éliminant les gaz. Puis, on a traité ce corps moulé dans un four à air chauffé à 180 C pendant 10 h et on a obtenu ainsi un précurseur de carbone que l'on a carbonisé dans une atmosphère d'azote à 1500 C pendant 3 h pour former un corps carboné poreux. Le corps carboné poreux ainsi obtenu présentait une masse volumique de 0,6 g/cm3 et une résistance en flexion de l! MPa. Exemple 2 Au moyen d'un mélangeur Pony, on a mélangé totalement et agité une composition consistant en 90 parties de résine de furane (produite par Hitachi Chemical Co., Hitafuran VF-303) à titre de matière première pour le carbone amorphe, 10 parties de graphite en écailles naturel (produit par Nippon Graphite Industries Co.) et 50 parties de 28311 63 poly(méthacrylate de méthyle) (produit par Nippon Graphite Industries Co., Techpolymer BM-50), puis on a ajouté 1,5 partie d'acide p-toluène- sulfonique et on a mélangé et agité encore. Ensuite, on a versé cette composition dans un moule métallique, on a chauffé et solidifié à 90 C et on a inséré le corps moulé entre des plaques céramiques résistantes à la chaleur pour réaliser un traitement thermique à 1000 C pendant 3 h dans un four de carbonisation sous vide afin d'obtenir un corps carboné poreux. Le corps carboné poreux ainsi obtenu présentait une masse volumique de 1,0 g/cm3 et une résistance en flexion de 30 MPa. Le matériau carboné poreux selon la présente invention contient du carbone amorphe comme élément structural, si bien qu'il présente les mêmes caractéristiques que le carbone amorphe, de sorte qu 'i l a d 'excel lentes caractéristiq ues mécan iq ues comme la résista nce en flexion et l'élasticité en flexion. De plus, il produit peu de poussière de carbone contrairement aux matériaux carbonés et aux matériaux carbonés poreux existants. En outre, le matériau carboné poreux selon la présente invention peut être obtenu au moyen d'un procédé de moulage de matières plastiques conventionnel, de sorte qu'il peut revêtir une forme quelconque et n'exige pas de traitement supplémentaire après le processus de carbonisation. De ce fait, le matériau carboné poreux selon la présente invention peut être obtenu par un procédé plus simple et à plus faible coût que les matériaux carbonés conventionnels. 28311 63 REVEN DICATIONS 1. Matériau carboné poreux caractérisé en ce qu'il comprend un composant de carbone amorphe à titre d'élément structural et une poudre de carbone en une quantité de 0 à 50 %, et en ce quil a une masse volumique apparente de 0,3 à 1,3 g/cm3. 2. Procédé de fabrication du matériau carboné poreux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à mélanger uniformément 100 parties de matière première pour le carbone amorphe avec 0 à 100 parties de poudre de carbone et 10 à parties de substance organique ayant un taux de carbone résiduel de 0 à 5 %; mouler le mélange en une forme arbitraire; et