Il existe de nombreux types de graphène, chacun dépendant de la manière dont il a été produit. Apprenez à différencier le graphène en fonction de son processus de production. Cela vous permettra de sélectionner le bon type de graphène en fonction de votre application.
Comment le graphène est-il produit ?
Le graphène a été isolé et caractérisé pour la première fois à l’aide de ruban adhésif. Cette découverte a prouvé que le graphène n’était pas seulement une théorie, mais bien une réalité.
La méthode du ruban adhésif n’est absolument pas transposable pour une production industrielle de graphène. Néanmoins, la découverte majeure de ce matériau a donné lieu au développement de plusieurs procédés de production.
Deux stratégies peuvent être appliquées :
- Bottom Up : Graphène synthétisé à partir de gaz organiques, par dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
- Top Down : Graphène produit à partir de graphite, par séparation et isolation de feuillets de graphène (exfoliation chimique, mécanique ou par oxydation)
Ces différents procédés donnent lieu à des graphène de format et qualité variés.
La famille du graphène peut être segmentée selon deux paramètres :
- L’épaisseur du matériau
- La pureté
Épaisseur du matériau
Les experts du graphène limitent l’utilisation du terme « graphène » à des matériaux dont l’épaisseur est inférieure ou égale à 10 couches, soit 3 à 4 nm. Aujourd’hui, peu d’entreprises et de laboratoires sont capables de produire un tel graphène.
- SLG : Single Layer Graphene (1 couche)
- FLG : Few Layer Graphene (2-5 couches)
- MLG : MultiLayer Graphene (<10 couches)
- GNP : Graphite NanoPlates (<250 couches)
Pour un tel matériau 2D, l’épaisseur est un paramètre critique. Plus le matériau est fin, meilleures seront ses propriétés.
Pureté
Les groupes fonctionnels ou impuretés, même en faible quantité, diminuent les performances anticorrosion ou la conductivité thermique et électrique. Le degré de fonctionnalisation et, par conséquent, le niveau de défauts, sont fortement liées à la méthode de production.
Il existe cinq méthodes principales :
Comparaison des différents graphènes
Pour choisir un type de graphène, il faut faire attention à sa qualité et à son adaptabilité. Tout dépend de l’application souhaitée.
Exfoliation chimique : le procédé
La production de graphène par exfoliation chimique permet d’obtenir un graphène avec un très faible nombre de couches (FLG).
Cette méthode de production tire parti du fait que les composés d’intercalation du potassium (GIC) se dissolvent spontanément dans les solvants polaires.
Avantages et inconvénients
L’intercalation de composés chimiques sans liaison covalente permet de séparer les feuillets de graphène sans introduire de groupes fonctionnels sur les particules de graphène.
De plus, selon la nature des composés d’intercalation, ceux-ci peuvent avoir un rôle stabilisant, sans nécessité d’ajouter des tensioactifs et sans altérer les propriétés du graphène. Le choix des solvants et des composés d’intercalation est donc primordial afin d’obtenir des dispersions stables et de bonne qualité.
Le graphène ainsi obtenu combine les avantages des différentes familles de matériaux à base de graphène : haute qualité tout en conservant la polyvalence d’une dispersion. Enfin, ce procédé est transposable à l’échelle industrielle.
Que retenir du procédé de production par exfoliation chimique ?
Ce procédé est en cours d’industrialisation chez Carbon Waters, qui maîtrise cette méthode. L’innovation sur laquelle repose son expertise lui permet de produire des dispersions stables, ouvrant les possibilités d’utilisation du graphène pour des applications industrielles.
Exfoliation par oxydation : le procédé
Aussi appelée méthode de Hummer, l’exfoliation par oxydation est l’une des premières à avoir été utilisée pour produire du graphène et elle l’est encore largement aujourd’hui. En effet, son industrialisation est relativement simple puisque la technique industrielle est bien connue.
Dans cette méthode, le graphite est généralement oxydé dans des conditions sévères pour obtenir de l’oxyde de graphite. Ce matériau peut être dispersé par sonication dans des solvants polaires, tels que l’eau, pour former des couches de graphène oxydé (GO).
Avantages et inconvénients
L’oxydation introduit de nombreux groupes fonctionnels contenant de l’oxygène, ce qui permet l’exfoliation et l’obtention d’un graphène SLG en garantissant la stabilité de la dispersion, sans nécessiter d’autres additifs.
Toutefois, ces groupes fonctionnels interrompent la structure en nid d’abeille, à l’origine des propriétés extraordinaires du graphène. Cette famille de matériaux à base de graphène peut donc présenter une conductivité thermique ou électrique réduite. Pour résoudre ce problème, l’oxyde de graphène est le plus souvent réduit à l’aide d’agents comme l’hydrazine, ou par des approches électrochimiques, pour former de l’oxyde de graphène réduit (rGO). Cependant, ce processus de réduction n’est jamais complet à 100 %.
Que retenir du procédé d’e production par ‘exfoliationj par oxydation ?
Bien que le rGO soit encore légèrement oxydé par rapport au graphène pur, il est utilisé pour le développement de nombreuses applications et a su démontrer son intérêt. Les GO et rGO disponibles sous forme de poudre posent la question de la réagrégation des feuillets de graphène au sein de ces poudres, ainsi que celle de l’impact de leur utilisation au niveau respiratoire.
Exfoliation mécanique : le procédé
Cette méthode a été décrite pour la première fois en 2008 afin de répondre aux besoins d’une méthode de production de graphène transposable à l’échelle industrielle.
Cette méthode top-down nécessite une énergie mécanique pour exfolier le graphite. Le plus souvent, des techniques telles que la sonication ou le mélange à haut cisaillement sont utilisées.
Pour obtenir des dispersions stables, il est nécessaire d’y ajouter un solvant ou un surfactant spécifique.
Avantages et inconvénients
Selon les procédés, l’exfoliation mécanique n’apporte que que très peu de défauts au graphène, lui permettant de conserver sa structure et ses propriétés électriques ou thermiques.
Néanmoins, cette méthode de production entraine généralement une importante distribution des feuillets de graphène en termes de taille et d’épaisseur.
Par ailleurs, le graphène étant par nature hydrophobe, il aura tendance à se réagréger après dispersion dans un solvant. Les surfactants ou fonctionnalisations choisies jouent donc un rôle prépondérant sur la stabilité et les propriétés finales de la dispersion. Cependant, les tensioactifs ou solvants utilisés peuvent détériorer les propriétés du graphène.
Que retenir du procédé d’exfoliation mécanique ?
Bien que cette méthode de production soit assez simple à mettre en œuvre, la qualité et la pureté du graphène exfolié peuvent ne pas être suffisantes pour des applications spécifiques.
Les équipementiers sportifs sont toujours à la recherche d’innovations techniques susceptibles d’améliorer les performances des athlètes. Au cours de cette dernière décennie, les entreprises de sport ont collaboré avec des sociétés spécialisées dans le graphène afin d’utiliser ce matériau novateur pour développer une nouvelle gamme de produits offrant un avantage concurrentiel.
Des chaussures contenant du graphène pour améliorer les performances sportives
Dr Aravind Vijayaraghavan
Le graphène est désormais connu comme un matériau étonnant qui peut être utilisé comme additif dans une large gamme d’applications. Il présente des propriétés physiques, chimiques et mécaniques très utiles, qui lui permettent d’améliorer considérablement les performances d’un matériau.
inov-8 est une entreprise qui vend des articles de sport haute qualité aux athlètes et aux randonneurs en quête d’aventure. Reconnue comme le leader mondial de l’adhérence, inov-8 a toujours recherché des technologies de rupture pour conserver son avance. En décembre 2016, elle a commencé à développer un caoutchouc à base de graphène pour améliorer son adhérence.
Cet équipementier britannique collabore avec le National Graphene Institute et a lancé les toutes premières chaussures de sport incorporant du graphène : G-SERIES et G-GRIP.
Grâce à cette innovation, elles offrent l’adhérence la plus forte au monde. Selon l’ASTM, une norme d’essai ISO pour les élastomères, cette chaussure est 50 % plus résistante, 50 % plus élastique et 50 % plus résistante à l’usure.
Ce produit démontre la capacité du graphène à améliorer de manière significative les performances des matériaux.
Une vitrine pour les innovations en matière de matériaux
C’est aussi l’occasion pour les entreprises de graphène de tester leurs produits afin de démontrer leur efficacité dans l’industrie des articles de sport.
À l’instar de l’introduction de la fibre de carbone, utilisée pour la première fois dans les raquettes de tennis, 25 ans avant d’être ensuite utilisée dans les avions. La démonstration des performances du graphène dans l’industrie des articles de sport peut accélérer la mise sur le marché des produits et accroître la crédibilité.
De plus, les dernières avancées dans les processus de production rendent désormais le graphène plus abordable, et son coût plus faible.
Bien que ce nouveau matériau semble simple à travailler, les industriels ont encore besoin des conseils d’experts. Carbon Waters a travaillé sur des cas d’utilisation comparables et dispose désormais d’une vision complète de la manière dont le graphène peut être ajouté à différents types de matériaux pour en améliorer les performances.
Actuellement, la recherche se concentre principalement sur l’amélioration des équipements de haute technologie grâce au graphène. Nous avons commencé à voir l’incorporation du graphène chez tus les équipementiers sportifs, qu’ils soient spécialisés dans le tennis, le ski, le surf ou encore le cyclisme.
Des possibilités infinies
Pourquoi utiliser le graphène dans les équipements sportifs ?
Comme on l’a vu dans le cas des chaussures de sport, le graphène améliore les performances à différents égards : résistance mécanique, robustesse et élasticité. Cependant, le graphène permet également d’innover dans des matériaux plus légers et plus flexibles, ainsi que dans des équipements thermorégulés.
Actuellement, les applications réalisées dans ce secteur ne sont que la partie émergée de l’iceberg. De plus en plus d’entreprises ajoutent cette stratégie à leur cœur de métier, comme inov-8.
Grâce à ses chaussures innovantes boostées au graphène, inov-8 a fait une percée dans le marché de la chaussure de sport.
C’est pourquoi les équipementiers sportifs s’intéressent de plus en plus au graphène. Alors que les campagnes de marketing mettent en avant les performances incroyables du graphène, de nouveaux projets menés avec les spécialistes du graphène permettent de développer de nouveaux produits, plus performants.
L’intégration du graphène dans les applications nécessite l’intervention d’experts. Il existe différentes formes de graphène qui présentent des propriétés différentes.
Les spécialistes mondiaux des matériaux avaient rendez-vous au salon IDTechEx, les 20 et 21 novembre derniers. Parmi eux Carbon Waters, invitée à présenter sa technologie.
Plusieurs salons et conférences réunissent chaque année les spécialistes du graphène. Parmi ceux abordant le plus les impacts industriels, il y a le salon IDTechEx Show.
Organisé par un cabinet d’études marketing spécialisé dans les technologies émergentes et d’impact, ce salon se déroule en Europe au printemps et aux Etats-Unis en automne.
La dernière édition, qui s’est déroulée à Santa Clara, les 20 et 21 novembre 2019, a réuni 250 exposants et 3500 participants… Dont Alban Chesneau, président de Carbon Waters.
« La société a été invitée à présenter sa technologie. Sur place, j’ai pu m’adresser à un auditoire composé d’industriels et d’experts technologiques. Cela permet de faire connaître nos innovations en termes d’anticorrosion et de protection des matériaux à un public très international ».
Analyse concurrentielle rassurante
300 entreprises étaient présentes à Santa Clara, au cœur de la Silicon Valley, pour présenter leurs solutions.
Le graphène était à l’honneur, mais aussi l’électronique imprimée, le stockage d’énergie et les capteurs MtoM. « Lors de ce salon, j’ai rencontré de nombreuses entreprises européennes, américaines et japonaises, détaille Alban Chesneau. Nous poursuivons actuellement nos échanges avec certaines d’entre elles. Peut-être de futurs partenaires ? IDTechEx a également été l’occasion de réaliser une analyse concurrentielle du secteur. Et je dois dire que j’ai été rassuré : Carbon Waters garde une longueur d’avance !
Il est tout de même intéressant de voir que de grands industriels comme Ford commencent à intégrer du graphène à grande échelle, en l’occurrence dans leurs voitures et plus particulièrement dans des mousses polyuréthane. Il faut dire que le graphène permet d’accroitre substantiellement la résistance mécanique et la diffusion thermique de ces mousses. Le métal est alors remplacé par un polymère qui doit être renforcé avec ce matériau. Le graphène a un bel avenir devant lui ! ». Carbon Waters également.
36 organisations et entreprises, dont Carbon Waters, composent le consortium européen Newskin. Notre objectif commun : trouver des nouvelles solutions à base de nanotechnologies pour améliorer les surfaces.
France, Espagne, Autriche, Allemagne, Suisse, Italie, Roumanie, Pologne. 36 organisations et entreprises issues de ces huit pays européens ont été sélectionnées pour intégrer le consortium Newskin. Doté d’un budget qui dépasse les 3 millions d’euros, ce programme a comme ambition de trouver de nouvelles solutions pour améliorer les surfaces, en se focalisant sur deux priorités : les surfaces métalliques et la filtration de l’eau.
Six lots de travaux ont été conçus et le management du projet est assuré par la société espagnole Inspiralia. Carbon Waters, qui dispose d’une enveloppe de l’ordre de 100.000€, a été retenue pour développer un graphène qui protège les surfaces métalliques et réduit la corrosion. « Nous allons produire des formulations à base de graphène dédiée et des spécialistes techniques et industriels vont les poser sur certains matériaux métalliques, explique Alban Chesneau, président de Carbon Waters. Nous devons nous focaliser uniquement sur les produits en acier pour la construction et certains autres secteurs industriels tels que l’aéronautique ». C’est Thomas Bottein, ingénieur R&D en charge des traitements de surface, qui suivra le projet chez Carbon Waters.
Production industrielle dans 2 ans
Parmi les organisations à l’origine du consortium Newskin, on retrouve l’Association pour la construction européenne en acier et le Cluster européen de la céramique. Ont également intégré le groupement l’Université suédoise d’Uppsala, l’industriel spécialiste de l’acier Aperam, l’Institut technologique d’Israël ou le centre technologique bordelais Alphanov.
L’objectif commun est de trouver un revêtement protecteur adapté au métal, au composite et à la céramique qui tienne plus de 25 ans. Quinze prototypes seront testés dans le cadre de ce projet, dont le graphène de Carbon Waters. L’objectif est de passer à la production industrielle dans 2 ans si tout fonctionne.
Augmentation de la production
Carbon Waters dispose depuis peu d’un réacteur pour augmenter la production de ses matériaux carbonés et accompagner la demande industrielle.
Une nouvelle étape de franchie pour Carbon Waters : notre société dispose depuis cet été d’un réacteur de production à une échelle laboratoire. Cet équipement, constituant une étape de plus dans notre montée en échelle, permet d’augmenter la production de nos dispersions de graphène et d’accompagner la demande industrielle aussi bien sur les développements de preuves de concept que nous proposons aux industriels que pour le développement de nos propres gammes de produits, notamment en anticorrosion. « Nous améliorons ainsi l’efficacité du procédé pour le rendre compatible à une échelle pré-industrielle et réduisons sensiblement nos délais », résume Julia Hof, responsables procédés.
Notre capacité de production s’établit désormais à 5 litres par mois ce qui représente assez de graphène pour enrichir une centaine de litre de résines ou de traiter plusieurs mètres carrés de métaux. Ce réacteur permet ainsi à Carbon Waters d’entrer dans une première phase préparant une future production industrielle.
« Cela nous permet également de disposer d’un système réactionnel pour le calcul et la mise à l’échelle », explique Julia, qui a supervisé la mise en place de cet équipement et gère désormais le planning d’utilisation.
Un réacteur sur mesure
Avec l’arrivée du réacteur, nous poursuivons l’optimisation des paramètres pour obtenir un produit à son efficacité optimum. La production d’eau de graphène nécessite de prendre en compte de nombreuses caractéristiques propres à l’agitation, aux matériaux employés, aux matières premières utilisées… Car si 90% des réacteurs sont standards le nôtre est au cœur de notre innovation technologique et est le résultat d’une expertise de premier plan dans le domaine du graphène. Cette étape est aussi bien une avancée dans notre programme de production qu’un savoir-faire en voie de brevetabilité.
Prochaine étape pour Carbon Waters prévue au premier semestre 2020 avec la mise en place d’une plateforme de production intégrée. Celle-ci comprendra plusieurs séries de ces réacteurs, des équipements complémentaires pour une analyse qualité 100% Carbon Waters et un contrôle de l’environnement par un réseau de capteurs dans le cadre d’une démarche qualité optimisée.
Rencontre avec Thomas Bottein, ingénieur R&D, qui a rejoint l’équipe cette année pour les développements applicatifs.
Dans quel cadre avez-vous intégré la société Carbon Waters ?
Thomas Bottein : Je suis arrivé en février 2019 afin d’aider l’équipe à répondre à une demande croissante des industriels. Cela répondait à mon souhait d’intégrer une startup avec un grand dynamisme qui propose de nombreux challenges.
Quelle est votre formation ?
TB : Je suis ingénieur en matériaux. Je suis passé par L’école Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM) puis j’ai obtenu mon doctorat en matériaux à l’Université de Marseille et plus précisément à l’IM2NP (Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence, ndlr). Pendant mes études, j’ai réalisé une année de césure chez Merck, pour travailler sur les couches minces, et j’ai collaboré 3 mois au sein du centre de recherche d’IBM aux Etats-Unis.
Je vous fais grâce de l’intitulé exact de ma thèse ! Pour faire simple, disons que j’ai travaillé sur le traitement de surface et les couches minces. Ma thèse s’est focalisée sur les matériaux céramiques et plus particulièrement sur ses effets optiques. Je me concentre désormais sur le graphène et notamment sur les effets anticorrosion.
Quelle est votre mission au sein de Carbon Waters ?
TB : Je travaille dans l’équipe technique avec Julia, Fabienne et Fabien et je suis en charge des traitements de surface. Je pars de l’eau de graphène pour développer différentes applications, prioritairement liées au traitement de surface et à l’anticorrosion. Nos clients sont des entreprises particulièrement innovantes principalement issus des secteurs de l’aéronautique, du BTP, de l’énergie, de l’automobile et du spatial. Ces études répondent à des besoins concrets pour lesquels les technologies existantes ne sont pas totalement satisfaisantes et qui nécessitent un développement applicatif de pointe.
Carbon Waters produit des dispersions stables de graphène qui sont ensuite préformulées dans différentes matrices telles que des résines ou des solvants. Carbon Waters est la seule entreprise au monde à proposer de telles pré-formulations stables, homogènes et surtout prêtes à l’emploi pour les industriels. En résulte un graphène d’une qualité supérieure, notamment pour lutter contre la corrosion. Interview avec Charlotte Gallois, Business Developer chez Carbon Waters.
Quelles sont les propriétés du graphène ?
« Le graphène est une feuille d’atomes de carbone agencés en nid d’abeille. Ce matériau 2D dispose d’une très bonne conductivité électrique et thermique ainsi que d’excellentes propriétés barrières qui en font un excellent protecteur de surface. Le graphène est utilisé dans diverses applications relatives à la conductivité électrique des matériaux (batteries, écran tactile de téléphone…), la dissipation thermique (microélectronique) mais aussi la résistance des matériaux (revêtement anticorrosion, matériau pour l’aéronautique…). »
Le graphène Carbon Waters est-il efficace contre la corrosion ?
« Complètement, Carbon Waters produit un graphène de très bonne qualité, composé d’un à huit feuillets de carbone. Carbon Waters est donc en mesure de protéger de grandes surfaces avec de faibles quantités de graphène en exploitant au mieux les propriétés barrière de ce matériau. Le graphène Carbon Waters est actuellement utilisé en tant qu’additif dans des formulations aqueuses ou organiques, afin de créer des revêtements anticorrosion innovants et moins toxiques que les produits traditionnels. »
Pourquoi le graphène Carbon Waters est-il particulièrement demandé ?
« Nous recevons en effet de nombreuses demandes d’entreprises. De par le procédé de production, le graphène Carbon Waters se présente sous forme liquide, ne contient pas de composés organiques volatils, est biodégradable et respecte les réglementations européennes. Dans un contexte où ces mêmes réglementations sont sur le point d’interdire l’utilisation du chrome hexavalent, le graphène Carbon Waters est ainsi une alternative intéressante pour certaines applications anticorrosion. De plus, étant un matériau polyfonctionnel, il est adapté à répondre à des cahiers des charges complexes. »