Oxydation en lit fluidisé et dépôt de métaux par CVD en lit fluidisé sur nanotubes de carbone multi-parois - Application à l'industrie aéronautique

Oxidation in fluidized bed and metal deposition by fluidized-bed CVD on multi-walled carbon nanotubes – Application to the aeronautic industry

• Auteur / Autrice : Pierre Lassègue
• Direction : Brigitte Caussat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 06/12/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Constantin Vahlas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brigitte Caussat, Gilles Flamant, Khashayar Saleh, Marc Monthioux, Régis Philippe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Flamant, Khashayar Saleh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cuivre

Oxydation

Fer

Fluidisation

Dépôt chimique en phase vapeur

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotubes de carbone multi-parois

Dépôt chimique à partir d’une phase vapeur (CVD)

Fluidisation

Oxydation

Fer

Cuivre

Multi-walled carbon nanotubes

Chemical vapor deposition (CVD)

Fluidization

Oxidation

Iron

Copper

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement de nouveaux matériaux composites multifonctionnels, permettant de remplacer l’aluminium en tant qu’élément constituant le packaging de l’électronique embarquée dans les avions, afin de rendre ces derniers plus légers. L’association d’un polymère mécaniquement résistant avec des nano-charges conductrices est une alternative prometteuse. Cette thèse concerne l’étude du procédé de Dépôt Chimique à partir d’une phase Vapeur (CVD) en lit fluidisé pour déposer des métaux conducteurs, tels que le fer et le cuivre, à la surface de nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs) produits industriellement (Arkema Graphistrength®C100), enchevêtrés en pelotes poreuses de 388 μm de diamètre. Tout d’abord, afin d’augmenter la réactivité de surface des nanotubes, un procédé d’oxydation en lit fluidisé a été étudié à température ambiante, à partir de plusieurs mélanges gazeux à base d’ozone. Les diverses analyses réalisées (MET, spectroscopie IR, XPS,..) montrent que des groupements chimiques de type hydroxyl, acide carboxylique, éther, … sont greffés de façon uniforme sur toute la surface externe des MWCNTs et que leurs parois externes sont aussi gravées de façon modérée et localisée. Au final, il apparait que les défauts créés et les fonctions oxygénées greffées ont permis d’accroitre le nombre de sites de nucléation sur la surface des nanotubes et donc la masse de métal déposé. Le dépôt de fer à partir de ferrocène Fe(C5H5)2 a été étudié à haute température (entre 400 et 650°C), sous différentes ambiances gazeuses (azote, hydrogène, air, vapeur d’eau). Les analyses réalisées (MEB-FEG, DRX, MET, ICP-MS, ...) montrent un dépôt uniforme du bord jusqu’au coeur des pelotes, de nanoparticules à base de carbure de fer Fe3C prisonnières de l’enchevêtrement des nanotubes. La présence d’hydrogène a permis de minimiser la formation parasite de nano-objets (tubes et fibres). Le dépôt de cuivre à partir d’acétylacétonate de cuivre (II) Cu(C5H7O2)2 a été étudié entre 250 et 280°C sous hydrogène. Les caractérisations réalisées indiquent que des nanoparticules de Cu pur ont été déposées sur l’ensemble des parois externes des MWCNTs, du bord au coeur des pelotes. L’ensemble des résultats obtenus démontre que le procédé de CVD en lit fluidisé est capable de déposer de façon uniforme des métaux à la surface de nanotubes de carbone enchevêtrés en pelotes poreuses, pour des conditions opératoires spécifiquement choisies.

This Ph.D project is part of the development of new composite multi-functional materials allowing replacing aluminum in the on-board electronic packaging of airplanes, to make them lighter. The combination of a polymer mechanically resistant with conductive nano-fillers is a promising alternative. The thesis concerns the study of the Fluidized Bed Chemical Vapor Deposition (CVD) process of conductive metals, such as iron and copper, on the surface of industrial multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs, Arkema Graphistrength®C100) tangled in porous balls of 388 μm in diameter. First, in order to increase the surface reactivity of nanotubes, an oxidation process in fluidized bed has been studied at room temperature, from several gaseous mixtures containing ozone. The various analyses (TEM, IR spectroscopy, XPS, …) show that hydroxyl, carboxylic acid, ether, … chemical bonds are grafted uniformly on all the outer surface of MWCNTs and that their outer walls are locally and moderately etched. At the end, it appears that the created defects and the oxygen containing bonds have allowed to increase the number of nucleation sites on the nanotubes surface and then the weight of the deposited metal. The iron deposit from ferrocene Fe(C5H5)2 has been studied at high temperature (between 400 and 650°C) under different gaseous atmospheres (nitrogen, hydrogen, air, water vapor). The analyses (FEG SEM, XRD, TEM, ICP-MS, ...) show a uniform deposit from the outer part to the center of the balls, of nanoparticles containing iron carbide Fe3C. The presence of hydrogen has allowed minimizing the parasitic formation of nano-objects (tubes and fibers). The copper deposition from copper (II) acetylacetonate Cu(C5H7O2)2 has been studied at 250-280°C under hydrogen. The characterizations indicate that nanoparticles of pure copper have been deposited on all the MWCNT outer walls, from the outer part to the center of the balls. The whole results obtained prove that the Fluidized Bed CVD process is able to deposit uniformly metals on the outer surface of MWCNTs tangled in porous balls, for specifically chosen operating conditions.