Etude par chromatographie inverse des propriétés superficielles physico-chimiques de matériaux carbonés

par Dahbia Belaidi

Thèse de doctorat en Chimie - Physique

Sous la direction de Jean-Baptiste Donnet.

Soutenue en 2006

à Mulhouse .


  • Résumé

    Mon travail de thèse avait pour objectif de caractériser les propriétés physico-chimiques superficielles de matériaux carbonés à l'aide des techniques de chromatographies inverse en phase gazeuse (CGI) et en phase liquide (CLI). Ces méthodes ont été appliquées à trois types de matériaux carbonés: - des graphites broyés qui ont été obtenus par broyage à haute énergie dans un « broyeur à boulet », à partir d'un graphite commercial de faible surface spécifique qui a été broyé pendant 1 heure , 2 heure, 3 heure, et 4 heure. Ces graphites pulvérulents, nous servent de solide de référence, en accord avec l'approche déjà préconisée par Santini. - Des noirs de carbone. Deux types de noirs ont été retenus : Des noirs de carbone industriels. Des noir de récupération obtenus par pyrolyse à pression ambiante de pneumatiques. - Des nanotubes de carbone, procurés par la société ARKEMA. Dans la première partie, des généralités sur les matériaux carbonés sont rappelées ainsi que les bases de l'analyse des propriétés superficielles d'un solide par les techniques de la chromatographie gazeuse inverse (CGI). Les conditions expérimentales utilisées sont décrites. Puis ces matériaux sont examinés en ayant recours à la CGI à dilution infinie (CGI-DI) qui délivre des informations concernant l'énergie de surface du solide étudié et la CGI à concentration finie (CGI-CF) qui donne accès aux isothermes de désorption des molécules sondes employées. Une attention particulière été apportée à l'estimation de l'hétérogénéité énergétique de leurs surfaces en termes de fonctions de distribution des énergies d'adsorption d'une sonde apolaires, le n-heptane et de sondes polaires -l'isopropanol et la pyridine-. Elle permet aussi par comparaison de la fonction de distribution expérimentale avec celle caractéristique d'un solide homogène de caractériser la surface étudiée à l'aide d'un indice d'hétérogénéité qui est nul si la surface est homogène. Concernant les graphites, il est montré par CGI-DI que le broyage des graphites induit la formation de sites de haute énergie qui jouent un rôle important dans certaines applications comme le renforcement des élastomères et une augmentation de la nano-rugosité superficielle caractéristique des surfaces latérales des solides lamellaires. Les noirs de carbone standards présentent des caractéristique en CGI-DI, proches de celles des graphites de faibles surfaces spécifique. De même les noirs de récupérations présentent des caractéristiques voisines de celles des noirs standards du point de vue des interactions dispersives et de la nanomorphologie. Mais, la présence d'impuretés sous la forme d'oxyde de zinc et de silice leur confère un potentiel d'interaction spécifique supérieur. La CGI-CF vient confirmer et compléter les résultats obtenus par la CGI-Dl. Les fonctions de distribution des graphites confirment bien l'augmentation du nombre de ces sites de haute énergie en fonction de temps de broyage. L'étude des nanotubes par IGC à montré que les fonctions de distribution obtenues avec l'heptane comme sonde , sont très nettement bimodales. Si la position du pic à basse énergie est stable d'un échantillon a l'autre et voisine de celle de ce même pic dans le cas des graphites, par contre, la position du pic à haute énergie est très dépendante de l'échantillon. Cette position est vraisemblablement liée au diamètre du canal central. Cette hypothèse est en cours d'évaluation. ,Ladeuxxiême partie est dévolue à la faisabilité de l'étude de l'adsorption de l'iode en solution dans l'iodure de potassium en recourant à la chromatographie liquide inverse (CLI). Après avoir fait le point sur la littérature concernant l'adsorption de l'iode en phase aqueuse sur les carbones et décrit l'analyse de surface par CLI, nous décrivons la mise au point de protocole expérimental, l'usage d'une phase éluante corrosive (l'iodure de potassium) et l'injection d'un créneau d'une solution d'iode qui soulève de nombreux problèmes que nous avons pu résoudre. Cette méthode a pu être appliquée avec succès à quelques noirs de carbone. Elle permet d'une part de déterminer la part de l'adsorption irréversible et réversible par comparaison des aires d'adsorption et de désorption, et d'autre part d'accéder à l'isotherme de désorption et par là, à une évaluation de l'hétérogénéité de surface. En conclusion, cette étude nous a permis de réunir de nombreuses informations sur les propriétés superficielles de divers carbones: graphites, noirs de carbone et nanotubes. Leur comparaison nous a permis d'avancer dans la compréhension de leurs propriétés superficielles relatives en particulier pour les nanotubes de carbone.


  • Résumé

    My work of thesis had for objective to characterize the superficial physicochemical properties of carbon materials used inverse gas chromatography (IGC) and inverse liquid chromatography (ILC) techniques. These methods were applied to three types of carbon materials: - milled graphites which were obtained by milling with high energy in a Fritsch planetary mill "Pulveriset 5", from a commercial graphite of weak specific surface which was milled for 1 hour, 2 hours, 3 hours, and 4 hours. These milled graphites, serve us as reference solid, in agreement with the approach already recommended by Santini. - Carbon Blacks. Two blacks' types were retained: Industrial carbon blacks. Carbon blacks of recuperation obtained by pyrolysis of pneumatic at ambient pressure. - nanotubes of carbon, got by the company ARKEMA. In the first part, generality of the carbon materials are called back as well as the bases of the analysis of the superficial properties of a solid by the inverse gas chromatography techniques. The used experimental conditions are described. Then these materials are examined by having appeal to the IGC at infinite dilution ( IGC-ID) which delivers information concerning the energy of surface of the studied solid and the IGC at finite concentration (IGC-FC) who gives access to the isotherms of desorption of the molecule probes. A particular attention brought to the estimation of the energy heterogeneousness of their surfaces in terms of distribution functions of the energies of adsorption of an apolar probe n-heptane and the polar probes- isopropanol and the pyridine-. She also allows by comparison of the fonction of experimental distribution with that characteristic of a homogeneous solid to characterize the surface studied by means of an indication of heterogeneousness which is invalid if the surface is homogeneous. Concerning graphite's, it is shown by IGC-ID that the milling of graphites leads the formation of sites of high energy which play an important role in certain applications as the reinforcement of elastomers and an increase of the characteristic superficial nano-roughness of the side surfaces of solids lamellaires. The standards carbon blacks present characteristic in IGC-ID, close relations of those of the graphites of weak surfaces specific. Also the carbon of recuperation present nearby characteristics of those of the standard blacks from the point of view of the dispersives interactions and of the nanomorphology. But, the presence of impurities under the chape of zinc oxide and silica confers them a superior specific potential of interaction. The IGC-FC cornes to confirm and to complete the results obtained by the IGC-ID. The distribution functions of graphites indeed confirm the increase of the number of these sites of high energy according to time of milling. The study of nanotubes by IGC in shown that the distribution functions obtained with the heptane as the probe, are vert' sharply bimodales. If the position of the peak with Iow energy is stable of a sample has the other and nearby of that of the saine peak in the case of graphites, on the other hand, the position of the peak with high energy is very dependent on the sample. This position is credibly connected to the diarneter of the central channel. This hypothesis is in the course of evaluation. The second part is devolved to the feasibility of the study of the adsorption of the iodine in the potassium iodide solution used the inverse liquid chromatography ( ILC). Having reviewed the literature concerning the adsorption of the iodine in aqueous phase on carbons and describes the analysis of surface by ILC, we describe the experimental protocol, the use of a corrosive eluant (the potassium iodide) and the injection of a crenel of a solution of iodine which lifts numerous problems which we were able tb resolve. This indthbd wâs able to be successfully applied to sonie carbon blacks. She allows on one hand to determine the part of the irreversible and reversible adsorption by comparison of the adsorption and desorption areas, and on the other hand to reach the isotherm of desorption and there, to an evaluation of the heterogeneousness of surface. In conclusion, this study allowed us to combine numerous information on the superficial properties of diverse carbons: graphites, carbon blacks and nanotubes. Their comparison allowed us to advance in the understanding of their relative superficial properties in particular for the carbon nanotubes.

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Informations

  • Détails : 158 f.
  • Annexes : 183 ref.

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  • Bibliothèque : Université de Haute-Alsace (Mulhouse). Service Commun de Documentation. Section Sciences et Techniques.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th 06 BEL
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