Corrélation entre les conditions opératoires et les propriétés texturales des produits synthétisés

L’objectif de ce chapitre est d’effectuer une corrélation qualitative entre les nanostructures carbonées obtenues par le procédé et les conditions opératoires. Par la suite, une étude plus poussée, décrite dans le chapitre V, visant à modéliser l’écoulement des fluides dans le réacteur a été réalisée afin d’estimer, de manière quantitative cette fois, le champ de température dans le réacteur plasma et d’expliquer la formation des structures de noirs d’acétylène, de « papiers froissés » et de noirs de carbone. Les propriétés du plasma généré étant fonction des propriétés physico-chimiques du gaz plasmagène employé (viscosité, conductivité thermique …), chaque gaz plasmagène conduit à des conditions particulières de synthèses telles que le type d’écoulement, le champ de température et le type d’atmosphère (neutre, oxydant, réducteur). Deux essais ont été réalisés avec deux gaz plasmagènes de différente nature, l’arcal 21 et l’argon pur. Le tableau V.2 présente les conditions opératoires de cette étude. Les figures IV. 55 et IV.56, présentant deux clichés MEB des échantillons issus de l’essai avec l’argon, mettent en évidence l’hétérogénéité du produit avec la présence, entre autres, d’agrégats de diamètres variables entre 50 et 100 nm. L’essai avec l’argon conduit à des nanostructures carbonées différentes de celles issues des essais avec l’arcal 21 pour lesquels nous pouvons observer des textures de types « papiers froissés » (figure IV.57).

Les clichés MET à la figure IV.58 confirment l’hétérogénéité texturale et nanotexturale de l’échantillon synthétisé avec l’argon. En effet, on observe des textures concentriques de noirs d’acétylène, et des textures isotropes de type « papiers froissés » et « microporeux ». En revanche, l’arcal 21 conduit à la synthèse de composés relativement homogènes en texture et de type «papiers froissés » (figure IV.59). Tableau IV. 4 : Récapitulatif des conditions opératoires. Il apparaît qu’un faible débit d’arcal 21 conduit à la formation de structures « papiers froissés » de haute nanotexture. Une explication possible à ce résultat pourrait être que dans un milieu fortement concentré, les gênes stériques entre les différents précurseurs carbonées soient plus importantes que celles rencontrées dans un milieu plus dilué. Ceci conduirait à des structures plus repliées sur elle- mêmes, soit des « papiers froissés » de faible nanotexture.  La position de l’injection de l’hydrocarbure a une influence considérable sur la structure des produits carbonés synthétisés. Ainsi, les « papiers froissés » et les noirs d’acétylène sont obtenus uniquement lorsque l’injection de l’hydrocarbure s’effectue à la base de la torche, soit au même niveau que celle du gaz plasmagène. Avec ce type d’injection, l’hydrocarbure est directement mis en contact avec la zone de l’arc électrique, soit la zone la plus chaude du réacteur. Lorsque l’hydrocarbure est injecté au niveau de l’électrode cylindrique, il traverse une faible fraction de la zone de l’arc, soit un très petit volume à haute température. Ce dernier mode d’injection conduit à la formation de noirs de carbone « classiques ». Ces résultats expérimentaux tendent à montrer que la température de réaction est un facteur déterminant la microtexture des produits, ce qui est en accord avec les travaux de Bourrat [4]. Ainsi, une température de réaction élevée tend à favoriser la croissance latérale des couches (obtention des noirs d’acétylène et des papiers froissés, figure IV.65) tandis qu’une faible température favorise une croissance de type radial ou à partir de gouttes d’hydrocarbures liquides (obtention de noirs de carbone « classiques », figure IV.66).

Un résultat majeur qui découle de cette étude est la grande flexibilité présentée par le procédé plasma froid développé; en effet, en fonction des conditions opératoires, une large gamme de produits nanostructurés carbonés peut être synthétisée. La caractérisation systématique des produits, réalisée essentiellement par microscopie à balayage (MEB) et à transmission (MET) en modes imagerie et diffraction, nous a permis de classer les produits selon trois familles, en fonction de leur texture. Il s’agit des composés à : La corrélation entre les caractéristiques nanotexturales des produits et les conditions opératoires du procédé met en évidence le rôle de la température, à l’origine de l’orientation des réactions vers la formation d’un type de texture particulier. Ce résultat est en accord avec la littérature [4] dans laquelle .