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~3~
La présente invention a pour objet un noir d'acétylène
ayant une conductibilité électrique et un pouvoir absorbant vis-à-
vis des liquides très élevés. Elle concerne également un procédé
de préparation de ce noir.
Les noirs de carbone conducteurs peuvent être classés
en deux grandes catégories:
1) les noirs d'acétylène, qui se caractérisent par une
très grande pureté (teneur en carbone supérieure à 99% et une -
structure élevée, donc un haut pouvoir absorbant vis-à-vis des
liquides et une excellente conductibilité électrique,
2) les noirs au four ayant subi un traitement thermi- `~
que, qui sont beaucoup moins purs et structurés que les précé~
dents, mais qui possèdent toutefois une bonne conductibilité
électrique.
Les noirs d'acétylène sont utilisés principalement dans
la fabrication des piles électriques. Leur grand pouvoir absor-
bant permet d'assurer la rétention de l'électrolyte, le mélange
noir ~ électrolyte conservant simultanément un aspect solide et
étant donc apte à former des blocs cylindriques. La haute pure-
té et la grande conductibilité électrique des noirs d'acétylèneleur permet d'une part d'assurer le transport du courant et d'au-
tre part d'avoir une inertie chimique parfaite vis-à-vis des au-
tres constituants de la pile.
Les noirs au four traités thermiquement n'ont pas une
pureté suffisante pour pouvoir être utilisés dans les piles élec-
triques. Ils sont employés dans la fabrica-tion de caoutchoucs
conducteurs.
Le noir d'acétylène joue dans la pile électrique un
double rôle. D'autre part, grâce à ses propriétés absorbantes,
il permet la rétention de l'élec-trolyte et d'autre part, grâce à
ses propriétés conductrices, il confère à la pile une résistance
interne faible. En fait, à partir du moment où le noir utilisé
3~i`~.1
est un noir de grande pureté comme un noir d'acétylene, la quan-
tité de noir nécessaire pour assurer une bonne conductibilité é-
lectrique à l'ensemble est tres inférieure à celle nécessaire à
l'absorption de l'électrolyte. On voit donc tout l'avantage qu'il
y a pour l'utilisateur à disposer d'un noir d'acétylène ayant le
pouvoir absorbant maximum. Plus les propriétés absorbantes du
noir seront élevées, plus la quantité de noir à incorporer dans
le mélange noir + électrolyte sera faible.
Les noirs d'acétylène connus jusqu'ici ont une résis-
tivité électrique, mesurée sous une pression de 6,3 bars, qui
n'est pas inférieure à 0,4 ohm. cm et un indice d'absorption de
phtalate de dibutyle ou indice DBP qui ne dépasse pas 320 ml pour
100 g de noir. Cet indice DBP, qui est évalué suivant la métho- ~
de de la norme fran,caise NF T 45 - 122 modifiée comme indiqué .
plus loin, est une mesure du pouvoir absorbant du noir vis-à-vis
des liquides.
Ces noirs d'acétylène sont obtenus soit par décomposi- .~;
tion thermique, à une température ne dépassant pas 1800C, de
l'acétylène ou d'un mélange d'hydrocarbures contenant de l'acé-
tylène (voir brevets francais 941.596, 1.021.995 et 1.462.071,
brevet US 2.121.463), soit par combustion partielle, à températu-
re supérieure à 1700C, d'un hydrocarbure autre que l'acétylène
(par exemple l'éthylène ou le benzène) par l'oxygène (voir bre-
vet fran,cais 2.229.744)~ La température de décomposition attein-
te dans les procédés ci-dessus cités faisant appel à la décomposi-
tion thermique de l'acétylène ou de mélanges contenant de l'acé-
tylène, température qui est également celle de formation du noir
et qui conditionne la structure donc le pouvoir absorbant du noir,
est assez éloignée de la température théorique de formation du
noir à laquelle conduit l'équation de dissociation therrnique de
l'acétylène:
C2~I2 > 2 C -~ H2 + 54,2 KCal(:[)
3~
' .:
Cette ternpérature théorique est en effet voisine de
2500C.
On vient maintenant.de trouver, conformément à la pré- ~
sente invention, qu'il est possible d'obtenir, par combustion in- :
complète de l'acétylène par l'air, des noirs d'acétylène ayant u-
ne conductibilité électrique et un pouvoir d'absorption des li-
quides bien supérieurs à ceux des noirs d'acétylène connus jus- ;.
qu'ici. Une telle réaction de combustion incomplète peut être :
représentée globalement par l'équation (II) suivante~
(II) C2H2 + x (2 + 4N2)-~ 2(1-x) C + 2 x CO + H2-t~xN2
dans laquelle x est un nombre supérieur à O et inférieur à 1.
La demanderesse arrive au résultat ci-dessus en réali- :
sant la combustion incomplète de la manière suivante:
l'acétylène, préchauf:Eé ou non, est mis en contactl dans un four .
dont les parois sont chauffées ou non extérieurement, avec de
l'air préchauffé à une température supérieure ou égale à 600C, .
les quantités d'acétylène et d'air introduites étant telles que
le rapport molaire oxyqène (désigné par x dans l'équation (II)
acétylène . :
ci-dessus) soit inférieur à 1 et au moins égal à 0,08, et de pré-
férence inférieur ou égal à 0,20.
Lorsque l'acétylène est préchauffé, sa température de
préchauffage ne dépasse pas, pour des raisons de sécurité, 150C.
Quant à l'air, sa température de préchauffage ne dépasse pas, pour
des raisons pratiques, 850C. .
Bien que, dans le procédé selon l'invention, les parois
du four ne soient pas obligatoirement chauffées extérieurement,
la demanderesse a constaté qu'il était particulièrement avanta- :~
geux de maintenir les parois du four, dans la zône où se forme le
noir d'acétylène, à une température supérieure ou égale à 1500C
par un apport extérieur de calories. Dans la pratique la tempé-
rature à laquelle on maintient ainsi les parois du four ne dépas-
se pas 2000C. ~:
3~
Sur la figure 1 est représenté schématiquement, à ti-
tre d'exemple, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ;
selon l'inventlon. Ce dispositif comporte essentiellement: ;
- un réchauffeur 1 pour l'air et un réchauffeur 2 pour
l'acétylène.
- un four vertical cylindrique, d'une hauteur totale
de 7,40 m et d'un diamètre interne de 300 mm, muni à sa partie su-
périeure d'un brûleur 3 et comprenant de haut en bas:
a) sur une hauteur de 700 mm, un four à résistors 4
alimenté électriquement.
b) un tube métallique 5 garni intérieurement, dans sa
partie supérieure et sur une hauteur de 2,80 m, d'une matière ré- `
fractaire 6 (graphite), et éventuellement refroidi extérieurement,
dans cette même partie, par une circulation d'eau 7.
- un broyeur désintégrateur 8 -
~ - un ventilateur 9
- des cyclones de séparation 10
- une trémie 11
Le brûleur 3 sert à introduire l'acétylène et l~air
dans le four. Il est conçu de manière à ce que le courant d'air -
soit introduit dans le four dans une zône immédiatement adjacente
à la zône d'introduction du courant d'acétylène, à la périphérie
de ce dernier et approximativement tangentiellement à ce dernier. ;
I1 comprend une buse axiale munie d'un canal interne cylindri-
que pour l'introduction de l'acétylène et entourée d'une zône
annulaire creuse pour l'introduction de l'air. Un tel brûleur a
été décrit avec plus de détails dans le brevet français No.
2.229.744.
Le broyeur 8 a pour rôle de casser les agglomérats de `
noir qui peuvent se former. Le ventilateur 9 assure une dépres-
sion à l'intérieur du four. Cette dépression, mesurée à la tête
du four, est de l'ordre de 200 mm d'eau.
~ ~ 3~
. .
Pour préparer un noir d'acétylène selon l'invention à
l'aide du dispositif ci-dessus on opère comme suit. L'acétylène,
éventuellement préchauffé dans le réchauffeur 2, et l'air, pré-
chauffé grâce au réchau-ffeur 1 à température supérieure ou égale
à oO0C, sont introduits dans le four par l'intermédiaire respec-
tivement du canal interne cylindrique et de la zône annulaire
creuse du brûleur, les débits d'acétylène et d'air étan-t calculés
de manière à ce que le rapport molaire acxyët~nlèene ait la valeur
désirée. La combustion incomplète de l'acétylène se développe
dans la partie supérieure du four vertical, dont les parois sont
chauffées ou non électriquement par l'intermédiaire du four à ~.
résistors. L'aérosol formé par les particules de noir de carbone
et les gaz résiduaires de la réaction est envoyé, par l'intermé-
diaire du circuit 12 (circuit dans lequel l'aérosol est refroidi
par convection naturelle) et du ventilateur, dans les cyclones
de séparation, et le noir est recueilli dans la trémie. -
En marche continue, le courant d'acétylène est inter-
rompu de temps en temps pendant une courte durée (quelques secon-
des à une minute) et, durant cette interruption, on envoie dans ~;
le four un courant d'air comprimé afin de détacher le noir de car-
bone qui a pu se fixer sur les parois du four.
Bien qu'il ne soit pas possible d'obtenir, par les tech-
niques habituelles de mesure des hautes températures, une indica- :
tion valable quant à la température réellement atteinte lors de
la combustion incomplète de l'acétylène par le procédé selon l'in-
vention, donc quant à la température de formation du noir dans ce
procédé, la demanderesse estime que cette température est nette-
ment supérieure à celles atteintes dans les procédés antérieurs
faisant appel à la décomposition thermique de l'acétylène et doit
être d'au moins 2000C. Cette opinion de la demanderesse est en
accord en particulier avec le fait que les noirs d'acétylène se-
lon l'invention possèdent un arrangement cristallin exceptionnel
- 5 -
~13~
,~:
et une structure par-ticulièrement élevée (voir plus loin).
Les caractéristiques des noirs d'acétylène selon l'in-
vention ont été déterminées par les méthodes indiquées ci-après.
Le diamètre moyen de particules et la surface spécifi-
que (ou surface BET) ont été déterminés respectivement par exa- `~
men au microscope électronique et par adsorption d'azote.
La résistivité électrique a été déterminée comme suit:
On place le noir dans un tube cylindrique non conduc-
teur comportant à sa partie inférieure un bouchon métallique for-
mant électrode. Au dessus du noir on place un piston métallique `,dont l'extrémité constitue l'autre électrode. On applique sur ce
piston un poids suffisant pour exercer une pression de 6,3 bars.
La quantité de noir introduite dans le cylindre est telle qu'elle
occupe, sous la pression indiquée ci-dessus, une hauteur de 1,5
cm. Les deux électrodes sont reliées à un pont de Wheatstone et `
on mesure la résistance électrique R de la colonne de noir. La
résistivité ~ du noir, exprimée en ohm. cm, est donnée par la for-
mule y = R S où R est exprimé en ohms, S est la section de
la colonne exprimée en cm et 1 est la hauteur de la colonne
exprimée en cm.
Le pouvoir d'absorption vis-à-vis des liquides, pouvoir
d'absorption qui constitue en quelque sorte une mesure de la
structure du noir, peut être caractérisé par la donnée de divers
indices, en particulier l'indice filtre et l'indice DBP.
L'indice filtre est déterminé comme suit:
Le noir est au préalable passé à travers un tamis dont
les ouvertures de maille sont de 0,074 mm. 5 g de noir tamisé
sont mouillés avec un mélange eau-acétone contenant 3% en poids
d'acétone de fa,con à constituer une bouillie. La bouillie est
filtrée sur un b'uchner sous un vide de 200 mm d'eau. On essore
le gâteau de noir formé au fond du buchner après élimination de
la majeure partie de l'eau en le laissant pendant encore 20 minu-
- 6 -
,, : : : . .; : .: . . ~ : . ,
tes sur le buchner, tout en continuant à appliquer un vide de
200 mm d'eau. On détermine ensuite par pesée le poids de mélange
eau-acétone absorbé par les 5 g de noir. Ce poids est appelé ln-
dice filtre.
L'indice DBP est déterminé suivant la méthode de la
norme française NF T 45 - 122 modifiée comme suit: pour chaque
échantillon de noir d'acétylène, on fait 7 mesures d'indice DBP,
correspondant respectivement à des prises d'essai de 1, 2, 3, 4,
5, 6 et 7 g de noir, et on trace la courbe indice DBP ( exprimé
en ml pour 100 g de noir) = f ~poids de la prise)' cette courbe
présente un point d'inflexion, la valeur adoptée pour l'indice
DBP est celle correspondant au point d'inflexion. ;
Le tableau ci-dessous rassemble les caractéristiques
des noirs d'acétylène selon l'invention. Dans ce tableau sont
également données, à titre comparatif, les caractéri,stiques, me-
surées par les mêmes méthodes, de plusieurs noirs très conduc-
teurs connus: le noir d'acétylène dit noir Shawinigan, le noir
au four connu sous la marque de commerce "Vulcan X C - 72", et
le noir d'acétylène selon le brevet français 2.229,744. ~
':
Noir se- Noir Vulcan Noir se-
lon l'in- Shawinigan XC - 72 lon BF ~.
vention 2.229.744
Teneur en carbone % ~ 99 ~ 99 ~ 99 ~ 99
_ ':'.
Diamètre moyenOde
particules en A250 à 300 300 à 400200 150 à 200
.
Surface spécifique
m2/g 100 à 120 70245 85 à 115
Résistivité en 0,270 à 0,5950,470 0,400 à
ohm.cm 0,350 0,700
. _.
30 Indice filtre 100 à 120 60 à 65non dé- 80 à 85
terminé
Indice DBP ml pour
100 g de noir 400 à 500 310175 miné
~.
_ 7 _
~3~
Les exemples suivants illustrent l'invention sans la
limiter. L'appareil utilisé dans ces exemples est celui décrit
précédemment.
EXEMPLE 1:
On introduit dans le four vertical, par l'intermédiai-
re du brûleur, 40 Nm3/h d'acétylène non préchauffé et 40 Nm3/h
d'air préchauffé à 800C~ Les parois de la partie supérieure du
four ne sont pas chauffées électriquement. Toutes les 30 minu-
tes on interrompt le courant d'acétylène pendant 1 minute et en~
voie dans le four un courant d'air à température ordinaire compri-
mé à 2 bars. Puis on rétablit le courant d'acétylène. La réac-
tion se réamorce d'elle-même lors de ce rétablissement.
On obtient ainsi 34 ~g/h d'un noir d'acétylène ayant ~:
une résistivité électrique de 0,295 ohm. cm et un indice DBP de
460 ml pour 100 g de noir.
Les paramètres cristallins ~hauteur moyenne LC des
empilements cristallins, diamètre moyen LA des couches, équidis-
tance C de deux plans réticulaires) du noir d'acétylène obtenu
ont été déterminés par diffraction des rayons X. Ces paramètres
sont rassemblés dans le tableau ci-dessous dans lequel figurent
également, à titre comparatif, les paramètres cristallins du noir
Shawinigan et du noir au four conducteur connu sous la marque de
commerce "Vulcan SC".
_ Noir Noir Vulcan
selon Shawinigan SC
l'invention
,~
LA en A 95 80 19
LC en A 22 30 13
~ ~ ~ 3,46 3,4~ ~3,54
On remarque que la structure cristalline du noir selon
~$~3~
l'invention se rapproche de celle du graphite (pour le graphite
C = 3,41 A)
EXEMPLE 2: ;
,~
On opère comme à l'exemple 1 sauf que l'on introduit
dans le four, par l'intermédiaire du brûleur, 50 Nrn3/h d'acéty-
lène préchauffé à 100C et 20 Nm3/h d'air préchauffé à 700C.
On obtient 49 kg/h d'un noir d'acétylène ayant un indi- ;`-
ce DBP de 400 ml pour 100 g de noir et une résistivité électri- ';
que de 0,350 ohm.cm.
EXEMPLE 3: ;
On introduit dans le four vertical, par l'intermédiaire
du brûleur, 50 Nm3/h d'acétylène non préchauffé et 20 Nm3/h d'air
préchauffé à 700C. Les parois de la partie supérieure du four
sont maintenues par chauffage électrique à une température voisi-
ne de 1500C. Toutes les 30 minutes on in-terrompt le courant d'a-
cétylène pendant 10" et envoie dans le four de l'air à températu-
re ordinaire comprimé à 2 bars. Puis on rétablit le courant d'a-
cétylène.
On obtient 49 kg/h d'un noir d'acétylène ayant un indi-
ce DBP de 500 ml pour 100 g de noir et une résistivité électrique
de 0,270 ohm.cm.
' ~ " ~Li " ,
, .
