Dépôt de graphène par voies liquide et gazeuse sur tissus techniques : développement des procédés et étude des propriétés chimiques et physiques

Liquid and gas deposition of graphene on technical fabrics : process development and study of chemical and physical properties

• Auteur / Autrice : Marie Jadoul Forticaux
• Direction : Martine Mayne-L'Hermite, Pascal Viel, Emeline Charon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 06/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Edifices Nanométriques (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Europrotect (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Huc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Celzard, Sylvie Bonnamy, François Boussu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Celzard, Sylvie Bonnamy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conductivité thermique

Graphène

Textiles et tissus à usages techniques

Mots clés libres

Tissus techniques

Graphène

CVD

Conductivité électrique

Conductivité thermique

Technical fabrics

Graphene

CVD

Electrical conductivity

Thermal conductivity

Résumé

Les tissus techniques sont des matériaux textiles possédant des propriétés de haute performance développés pour répondre à des besoins techniques spécifiques. Ils sont particulièrement utilisés pour les équipements de protection individuelle (EPI). Les EPI sont des dispositifs utilisés en vue de garantir la sécurité ou la santé des personnes. Pour répondre aux enjeux et problématiques actuels des EPI, destinés en particulier aux pompiers, armées et industries, cette thèse CIFRE vise à développer des textiles techniques conducteurs en travaillant sur de nouveaux traitements de surface intégrant du graphène. Le graphène est un nanomatériau bidimensionnel constitué d’un plan d’atomes de carbone agencés en nid d’abeille. Il a été choisi en raison de sa légèreté et de ses propriétés physico-chimiques remarquables, en particulier ses propriétés de conductivités électrique et thermique. Les applications finales visées des tissus revêtus sont l’amélioration du confort thermique des porteurs, la furtivité infrarouge ou radar, et le blindage électromagnétique. Les enjeux sont de développer des procédés simples et industrialisables tout en respectant un coût de commercialisation du produit final qui soit compétitif pour les marchés visés. Pour cela, deux approches ont été explorées : un procédé en voie liquide consistant à déposer une suspension aqueuse de plaquettes de graphène multicouche sur tissu par des méthodes d’enduction classiques de l’industrie textile, et un procédé en voie gazeuse consistant à réaliser la synthèse par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à basse température d’un film de graphène directement sur tissu technique.Concernant le procédé en voie liquide, des suspensions aqueuses de graphène commerciales ont été utilisées afin de faciliter la mise en œuvre du procédé et d’en limiter le coût. Le dépôt des suspensions de graphène sur tissu par la méthode d’impression sérigraphique a permis d’obtenir les revêtements présentant les meilleures propriétés de conductivité, des valeurs minimales d’environ 300 Ω/sq ont été mesurées. Des essais de dépôt des suspensions de graphène sur rame industrielle ont permis de valider la faisabilité ainsi que la reproductibilité du procédé de dépôt à l’échelle industrielle. Concernant le procédé en voie gazeuse, trois voies expérimentales ont été explorées. Notamment, l’étude de la synthèse par CVD à pression atmosphérique à partir de carbone amorphe a permis d’aboutir à la formation d’un composé possédant une structure de carbone turbostratique pour une faible température de synthèse de 550°C.

Technical fabrics are textile materials with high-performance properties developed to meet specific technical requirements. They are used specifically for Personal Protective Equipment (PPE). PPE are devices used to ensure personal health and safety. This CIFRE thesis aims to develop conductive technical textiles by working on new surface treatments using graphene. Graphene is a two-dimensional nanomaterial consisting of a plane of carbon atoms arranged in a honeycomb pattern. It has been chosen for its lightness and outstanding physico-chemical properties, in particular its electrical and thermal conductivity. The final applications targeted for these coated fabrics are to improve thermal comfort for users, infrared or radar stealth, and electromagnetic shielding. The challenge is to develop simple, industrialisable processes while keeping the cost of the final product competitive for the target markets. To achieve this, two approaches have been explored: a liquid process consisting of the deposition of an aqueous suspension of multilayer graphene nanoplatelets on fabric using conventional textile industry coating methods, and a gas process consisting of the synthesis of a graphene film directly on technical fabric using low-temperature chemical vapor deposition (CVD). For the liquid process, commercial aqueous graphene suspensions were used to facilitate process implementation and keep costs low. Deposition of graphene suspensions on fabric using the screen printing method produced coatings with the best conductivity properties, with minimum values of around 300 Ω/sq measured. Deposition tests of the graphene suspensions on an industrial printing machine validated the feasibility and reproducibility of the deposition process on an industrial scale. For the gaseous process, three experimental approaches were investigated. In particular, the study of CVD synthesis at atmospheric pressure from amorphous carbon led to the formation of a compound with a turbostratic carbon structure at a low synthesis temperature of 550°C.