La présente invention a pour objet un dispositif pour la fabrication de fibres et/ou de rubans, à partir de particules placées en suspension dans une première solution et mises au contact d'au moins un agent, apte à provoquer leur agrégation, placé dans une seconde solution, ledit dispositif comprenant des moyens de création de forces de cisaillement entre lesdites première et seconde solutions de sorte à permettre une orientation préférentielle des particules lors de leur agrégation.

Un tel dispositif pourra en particulier être utilisé pour mettre en forme des particules telles que des nanotubes de carbone afin de faciliter leur manipulation et favoriser leur industrialisation.

Les nanotubes de carbone présentent, en effet, de manière connue, une abondance de propriétés physiques très performantes promettant des possibilités d'application dans de nombreux domaines, notamment en mécanique pour le renfort de matériaux composites, en électronique pour améliorer la rapidité, la longévité et l'efficacité des composants, et dans d'autres domaines dans lesquels différentes propriétés sont utilisées simultanément.

A l'heure actuelle, l'élargissement de la mise en oeuvre de ces particules dans les applications concernées est cependant nettement freiné par la difficulté que l'on rencontre pour transformer le matériau brut issu de leur synthèse, qui se présente sous la forme d'une suie délicate et fragile, en une structure stable, facile à manipuler, reproductible industriellement, et dans laquelle les propriétés intrinsèques sont conservées.

Plusieurs méthodes ont néanmoins été développées à cet effet, et l'une d'entre elles consiste, par exemple, à mélanger d'abord de telles particules à des matrices de polymères, pour fabriquer ensuite des fibres ou des matériaux composites plus pratiques à manipuler.

En fait, de manière classique, les procédés proposés pour synthétiser de tels fibres ou matériaux composites prévoient de disperser au préalable les nanotubes dans les matrices de polymères puis d'extruder le mélange à travers de petits orifices.

Cependant, les propriétés des structures obtenues par le biais de ces méthodes sont fortement limitées, en particulier en raison de la difficulté que l'on rencontre pour réaliser, de manière suffisamment convenable, l'opération de dispersion des nanotubes de carbone dans des matrices organiques, et obtenir des produits homogènes, présentant un taux de charge satisfaisant.

Ainsi, une mauvaise dispersion des nanotubes dans la matrice donne souvent lieu à des agglomérats qui non seulement provoquent des sones de concentration de contraintes et la diminution de la résistance mécanique, mais qui nécessitent en outre l'ajout d'un fort taux de charge pour améliorer les propriétés électriques ou de conduction de la structure fabriquée.

D'autres procédés, tels que par exemple celui décrit dans le document WO 01/63028 ont alors été développés, afin de tenter de pallier ces inconvénients.

Ce document décrit un procédé qui consiste principalement à injecter une suspension desdits nanotubes dans une solution visqueuse qui s'écoule et qui contient un polymère apte à déstabiliser la suspension pour provoquer l'agrégation desdits

nanotubes sous forme de rubans fins, constitués d'un enchevêtrement de nanotubes qui ont une orientation préférentielle résultant de l'écoulement de la solution.

Bien que les fibres obtenues ainsi présentent un taux de charge important, et sont constituées de nanotubes alignés, ce procédé ne permet pas d'envisager une fabrication à une échelle industrielle, car les dispositifs disponibles actuellement pour sa mise en oeuvre ne sont pas capables de fonctionner en continu.

De ce fait, il n'est possible de fabriquer que des fibres ou rubans dont la longueur est limitée à quelques centimètres seulement, ce qui est largement insuffisant pour la plupart des applications visées.

Le document WO 02/055769, qui s'inspire du document précité, décrit un procédé de fabrication d'une structure contenant des nanotubes de carbone, et qui est plus particulièrement limité des nanotubes mono-paroi. Cependant ce procédé ne permet d'atteindre objectif visé par la présente invention.

Par ailleurs, les dispositifs classiques ne permettent pas non plus de maîtriser les forces d'élongation lors de l'entrée en contact des deux solutions mais seulement les forces de cisaillements. Ces deux forces ayant un rôle prépondérant sur la structure et sur les propriétés finales des fibres, cette non maîtrise d'un des paramètres clé est un frein à l'obtention de fibres de bonne qualité utilisable industriellement.

La présente invention a pour conséquent pour objet de proposer un dispositif permettant de fabriquer industriellement des fibres ou rubans à partir de particules telles que des nanotubes de carbone, en particulier afin d'obtenir des structures de taille et de longueur importante, pouvant atteindre plusieurs kilomètres.

A cet effet, l'invention concerne un dispositif pour la fabrication de fibres et/ou de rubans, à partir de particules placées en suspension dans une première solution et mises au contact d'au moins un agent, apte à provoquer leur agrégation, placé dans une seconde solution, comprenant des moyens de création de forces de cisaillement entre lesdites première et seconde solutions de sorte à permettre une orientation préférentielle des particules lors de leur agrégation, caractérisé en ce qu'il comprend une tête de forme sensiblement cylindrique au sein de laquelle sont définis deux canaux, l'un d'entre eux étant destiné à faire circuler ladite première solution tandis que l'autre est destiné à faire circuler ladite seconde solution, chacun d'entre eux présentant au moins un orifice d'entrée et au moins un orifice de sortie, respectivement placés en amont et en aval du sens de circulation de ladite première ou seconde solution, et l'orifice de sortie de chacun desdits canaux débouchant dans une zone de convergence où lesdites première et seconde solutions sont amenées à se rencontrer pour permettre l'agrégation des particules en suspension dans ladite première solution au contact de l'agent contenu dans ladite seconde solution, et une orientation préférentielle desdites particules lors de leur agrégation sous l'effet à la fois de forces de cisaillement et de forces d'élongation induites par la rencontre entre lesdites première et seconde solution, et ce que lesdits canaux sont prévus mobiles l'un par rapport à l'autre de manière à permettre le déplacement d'un orifice de sortie par rapport l'autre en sorte d'autoriser une modification de ladite zone de convergence.

La modification de la zone de convergence par le déplacement d'un orifice de sortie par rapport l'autre, permet de modifier le profil des vitesses et ainsi de l'alignement des particules dans la solution et la densité du matériau, ainsi que de faire varier la composition de la structure, ce qui ne peut être réalisé avec les dispositifs et procédés existants et précédemment cités.

Selon une première caractéristique du présent dispositif, le canal, apte à faire circuler la première solution, est constitué d'une buse apte à être déplacée axialement dans la tête cylindrique et s'étendant dans l'axe de cette dernière en définissant une trajectoire de préférence rectiligne ou conique pour ladite première solution, tandis que ledit canal apte à faire circuler ladite seconde solution s'étend de manière annulaire autour de ladite buse en définissant une trajectoire sensiblement conique pour ladite seconde solution, le sommet de ladite trajectoire conique définissant et/ou se prolongeant par ladite zone de convergence desdites première et seconde solutions.

Les forces d'élongation sont réglables par déplacement de la buse (on modifie le profil des vitesses) : ceci permet de maîtriser la densité du matériau ainsi que l'alignement des particules. Elles sont également réglables grâce à la géométrie de la buse facilement interchangeable.

Selon une autre caractéristique particulièrement avantageuse, ladite buse est montée dans la tête cylindrique au travers de moyens permettant d'assurer un réglage de sa position, tels que notamment une vis trapézoïdale de sorte que l'orifice de sortie de ladite première solution débouche à un emplacement déterminé dans ladite zone de convergence.

Selon un mode de réalisation envisageable, ladite buse peut par ailleurs comporter plusieurs orifices de sortie de ladite première solution, lesdits orifices de sortie pouvant présenter des sections de forme variable.

Selon une autre caractéristique, ladite tête cylindrique est constituée d'au moins deux éléments cylindriques dont les volumes internes présentent des parties complémentaires aptes à définir, après assemblage des deux éléments, la zone de convergence desdites première et seconde solutions, l'un des

deux éléments étant interchangeable et apte à faire varier la forme de ladite zone de convergence.

Dans un mode de réalisation préférentiel, le présent dispositif se caractérise également en ce que ladite zone de convergence est prolongée par un tube de longueur variable.

Selon une caractéristique additionnelle, ledit dispositif comprend en outre au moins une enceinte de rinçage desdites fibres ou desdits rubans, ladite enceinte comprenant des moyens de recyclage de ladite seconde solution, permettant sa réutilisation dans le processus de fabrication desdites fibres ou desdits rubans.

De préférence, la ou lesdites enceintes de rinçage sont équipées de moyens aptes à régler la température du bain de rinçage, et, selon les besoins, de la faire varier entre 0'et 250*C Par ailleurs, selon une autre caractéristique, le présent dispositif comprend des moyens de séchage aptes à permettre un réglage optimal de la température de séchage.

Selon un mode de réalisation préférentiel, lesdits moyens de séchage sont définis par une lampe à infra-rouge d'une puissance de 1000 Watts et d'une longueur de 350 mm.

Selon une caractéristique supplémentaire, le présent dispositif comprend encore des moyens d'étirage desdites fibres ou desdits rubans au cours de leur fabrication.

Lesdits moyens d'étirage sont de préférence définis par des rouleaux placés le long de la trajectoire parcourue par lesdites fibres ou lesdits rubans après leur synthèse, lesdits rouleaux étant animés de vitesses de rotation différentes les unes des autres.

Selon une caractéristique additionnelle, ledit dispositif comprend également des moyens de pompage aptes à entraîner lesdites premières et seconde solution dans lesdits canaux.

Selon une autre caractéristique, le présent dispositif comprend par ailleurs des moyens de filtration desdites première et seconde solution.

Avantageusement, le présent dispositif peut également être équipé de moyens aptes à permettre un traitement physique ou chimique complémentaire desdites fibres ou desdits rubans une fois fabriqués.

L'invention et ses avantages seront à présent mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, se rapportant à des exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif.

La compréhension de cette description sera facilitée au vu des figures jointes en annexe dans lesquelles : - les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques en coupe d'une tête cylindrique entrant dans la structure d'un dispositif selon l'invention, et dont les moyens constitutifs occupent des positions différentes, - la figure 3 correspond à une vue schématique d'ensemble du présent dispositif.

L'invention concerne un dispositif pour la fabrication de structures du type notamment fibres, multifilaments, films minces anisotropes, ou autres, à partir de particules telles que des nanotubes de carbone.

Selon l'invention, un tel dispositif est principalement constitué d'une tête 1 de forme sensiblement cylindrique, par exemple en acier inoxydable, à l'intérieur de laquelle une première solution d'une suspension de nanotubes de carbone est

mise au contact d'une seconde solution contenant au moins un agent, tel qu'un polymère, apte à provoquer une agrégation desdits nanotubes de carbone, avec un alignement de ces derniers sous l'effet à la fois de forces de cisaillement et d'élongation créées entre lesdites deux solutions.

En fait, telle que schématisée aux figures 1 et 2, une telle tête cylindrique 1 est conçue de manière à délimiter intérieurement deux canaux 2,3, destinés respectivement à permettre la circulation de la première et de la seconde solutions.

L'injection desdites première et seconde solutions dans les canaux 2,3 respectifs est effectuée grâce à des moyens de pompage 16, le cas échéant, après filtration de ladite première et/ou de ladite seconde solution à l'aide de moyens de filtration 17 classiques.

Chacun desdits canaux 2,3 présente un orifice d'entrée 20,30 et au moins un orifice de sortie 21,31 de la première ou seconde solution, placés respectivement en amont et en aval en considérant le sens de circulation desdites solutions dans les canaux 2, 3.

Selon la présente invention, chaque orifice de sortie 21,31 desdites première ou seconde solution débouche dans une zone de convergence 4.

Ainsi, un jet de ladite première solution circulant dans le canal 2 est amené à rencontrer, au sein de ladite zone de convergence 4, un jet de ladite seconde solution, ce qui provoque l'agrégation immédiate des particules de nanotubes de carbone en suspension dans ladite première solution au contact d'un agent approprié, notamment un polymère, contenu dans ladite seconde solution, et leur alignement au sein de l'agrégat, du

fait des forces de cisaillement et d'élongation créées par la rencontre entre lesdits deux jets de solutions.

De préférence, le canal 2 prévu apte à faire circuler ladite première solution consiste, selon la présente invention, en une buse 22 montée dans l'axe de ladite tête cylindrique 1 et définissant une trajectoire de préférence rectiligne ou conique pour ladite première solution, alors que le canal 3 s'étend de manière annulaire autour de la buse 22 et définit une trajectoire conique pour ladite seconde solution.

Selon le cas, ladite zone de convergence 4 est confondue avec le sommet de ladite trajectoire conique ou prolonge cette dernière.

La forme et l'orientation particulière de la buse 22 et du canal 3 permettent avantageusement d'injecter les première et seconde solutions de manière concentriques dans la zone de convergence 4.

Par ailleurs, selon une caractéristique particulièrement avantageuse, ladite buse 22 est montée dans la tête 1 au travers d'un vis trapézoïdale 5 dont la maneuvre permet d'assurer le réglage de la position de ladite buse 22 et, par conséquent, dudit orifice de sortie 21, par rapport à la zone de convergence 4.

Ainsi cette position, plus ou moins en avant dans ladite zone de convergence 4, permet de modifier les dimensions de cette dernière, et peut être finement réglée en fonction des caractéristiques et propriétés que l'on souhaite conférer au matériau fabriqué.

En fait, le changement de position de ladite buse 22 a un impact direct sur les vitesses et sur les forces élongationnelles s'exerçant sur les première et seconde solutions lorsqu'elles pénètrent dans la zone de convergence 4, ce qui contribue

également à modifier le cisaillement créé par leur rencontre dans ladite zone de convergence 4.

Ainsi, par exemple, lorsque la buse 22 est réglée dans la position représentée à la figure 1, le cisaillement, ainsi que les forces élongationnelles entre les deux solutions est très prononcé et l'agrégation s'effectue dans une zone de convergence 4 de dimension plus courte, ce qui conduit à une fibre dans laquelle les nanotubes sont alignés le long de l'axe, et autour de laquelle le polymère, servant d'agent d'agrégation, forme une sorte de gaine.

Par contre, lorsque la buse 22 se trouve réglée dans la position schématisée à la figure 2, le cisaillement et les forces élongationnelles entre les deux solutions est moins élevé, la zone d'agrégation est plus longue, et le polymère sera plus apte à pénétrer au coeur de la fibre dans laquelle l'alignement des nanotubes sera moindre.

Un réglage de la buse 22, au travers de la vis trapézoïdale 5, dans d'autres positions intermédiaires permet donc avantageusement de la fois sur le tau> de polymere, variant entre 0 % et 70%, et sur la manière dont les nanotubes sont alignés dans la fibre.

D'autre part, grâce à ladite vis trapézoïdale 5, la buse 22 peut de plus être très facilement démontée, pour des opérations de nettoyage ou de maintenance notamment.

Selon une autre caractéristique, la buse 22 peut présenter une pluralité d'orifices de sortie 21 de ladite première solution, présentant de préférence une forme conique convergente, de sorte à permettre un pré-alignement des nanotubes juste avant leur agrégation, chacun de ces orifices de sortie 21 pouvant en outre avoir une section de forme diverse, et une dimension variable, en fonction de la viscosité des solutions utilisées.

La zone de convergence 4 est également prolongée d'un tube 6 de longueur variable, à l'intérieur duquel l'agrégation des nanotubes se poursuit plus ou moins longtemps en fonction de la longueur dudit tube 6.

Ce dernier permet, par conséquent, d'ajuster la distance de contact entre lesdites première et seconde solutions, et d'optimiser les propriétés de la fibre.

Par ailleurs, le réglage de la longueur du tube 6 autorise également l'utilisation de plusieurs sortes d'agents pour l'agrégation des nanotubes, chacun d'entre eux nécessitant, de manière connue, et selon leur nature, des durées de contact entre les deux solutions différentes.

Selon un mode de réalisation préférentiel, la tête cylindrique 1 peut être constituée de deux pièces cylindriques 10, 11 interchangeables, et définissant intérieurement, après assemblage, grâce à des parties complémentaires, la zone de convergence 4.

Ceci permet, par l'association d'éléments 10, 11 dont les parties internes complémentaires ont des formes variées, de modifier la forme et la taille de la zone de convergence 4, de manière à l'adapter en fonction des propriétés que l'on souhaite conférer au matériau synthétisé.

Tel que représenté à la figure 3, le dispositif selon la présente invention comprend également deux enceintes de rinçage 7, l'une d'entre elles étant située immédiatement dans le prolongement du tube 6, lequel peut se terminer par une zone coudée immergée dans le bain de rinçage et favorisant l'introduction de la fibre 8 dans ledit bain.

Ces enceintes de rinçage 7 ont pour objet de permettre l'élimination du surplus de ladite seconde solution à la surface de la fibre 8.

Elles comprennent en outre des moyens aptes à réguler la température du bain de rinçage, de sorte à faire varier ce dernier entre 0°C et °250C, en fonction de la fibre.

De préférence, lesdites enceintes de rinçage 7 sont encore équipées de moyens aptes à récupérer et recycler ladite seconde solution, afin de la réinjecter continuellement dans le dispositif après filtration pour un nouveau cycle de synthèse.

Ainsi, il est à la fois possible d'augmenter la cadence et de diminuer les coûts de production.

Le présent dispositif comprend également des moyens de séchage desdits matériaux synthétisés, aptes à permettre le réglage de la température de séchage, tels qu'une lampe à infra-rouge 9, présentant, par exemple, une puissance de 1000 Watts et une longueur de 350 mm.

Cette lampe à infra-rouge 9 sera de préférence disposée de manière à autoriser un séchage de la fibre à la verticale, ce qui contribue à une meilleure homogénéité et circularité de cette dernière, et d'éviter tout problème de tension.

Grâce à la présence de moyens d'étirage de la fibre, définis, par exemple, par une pluralité de rouleaux 12 placés en amont et en aval de la lampe infra-rouge 9, et animés de vitesse de rotation différentes au travers d'un moteur pas à pas, il est notamment possible d'améliorer les propriétés mécaniques de la fibre.

Un tel étirement peut, d'autre part, également être obtenu par l'action de rouleaux 12, animés de vitesse différentes, sur une

fibre dès sa naissance, ou lors de son passage dans le/les bains de rinçage.

Le présent dispositif peut, par ailleurs, encore être équipé de moyens divers aptes à permettre la mise en oeuvre de traitements complémentaires de la fibre après son séchage.

Il peut ainsi comprendre des moyens 13 aptes à permettre un étirage en phase humide de ladite fibre, ou des moyens 14 aptes à permettre un étirage à chaud.

Il est également possible de compléter le présent dispositif notamment avec des moyens permettant de réaliser un traitement thermique de la fibre et éliminer certains agents chimiques, ou encore avec des moyens permettant la mise en oeuvre de traitements chimiques destinés à améliorer les propriétés de la fibre.

Le présent dispositif présente par conséquent de nombreux avantages.

En particulier, grâce aux différents moyens qui le constituent, il permet une fabrication en continu de fibres ou autres matériaux à partir de particules du type nanotubes de carbone.

Les fibres obtenues présentent des propriétés améliorées et des caractéristiques variées par rapport à celles obtenues de manière classique.

Finalement, le dispositif est simple et facile à manipuler, à nettoyer et permet une fabrication industrielle et contrôlée d'une grande gamme de fibres.