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Des fibres carbones produites à partir de biomasse

La demande accrue pour des matériaux composites haute performance et légers stimule le développement de l’industrie de la fibre de carbone (FC). Pour répondre à ce besoin croissant, des chercheurs européens ont mis au point des précurseurs de la FC innovants et à bas coûts à partir de biomasse renouvelable.
Des fibres carbones produites à partir de biomasse
Aujourd’hui, environ 80 % de la FC sur le marché a recours au polyacrylonitrile (PAN) comme matière première de base du fait de ses propriétés bien supérieures à celles de la FC à base de brai. Cependant, la FC produite à partir de PAN est chère et ses applications sont limitées pour l’aéronautique, le secteur militaire ou d’autres secteurs qui nécessitent des matériaux à haute performance et qui sont disposés à en payer le prix.

Le projet CARBOPREC, financé par l’UE, a relevé ce défi et a développé des précurseurs à bas coûts pour les FC à nanostructures, produits à partir de matériaux renouvelables largement disponibles en Europe. «La lignine et la cellulose renforcées par des nanotubes de carbone sont utilisées pour produire de la FC économiquement rentable et présentant une performance moyenne pour des applications destinées aux marchés de masse comme l’automobile et les pales d’éoliennes», déclare la Dre Célia Mercader, chercheuse chez CANOE, un centre de R&D spécialisé dans le développement de produits finis et semi-finis dans le domaine des matériaux composites et avancés.

Des propriétés améliorées

Après la cellulose, la lignine est le polymère dérivé des plantes le plus abondant dans le monde, on le trouve dans presque toutes les parois cellulaires des plantes de terres sèches. Les partenaires du projet ont mis au point une lignine très pure grâce à des solvants organiques qui délitent le bois tendre qui est ensuite filé avec des polymères thermoplastiques, ce qui permet d’obtenir des fibres à base de lignine.

Les chercheurs ont étudié deux processus avec de la fibre blanche qui permettent la production de fibres en continu. Le premier processus implique une méthode de filage au mouillé pour dissoudre la cellulose dans l’acide phosphorique; le second recours au filage par fusion pour l’extrusion de la lignine. Les recherches relatives au processus de carbonisation et aux différentes étapes de fonctionnalisation ont débouché sur une amélioration du rendement de la carbonisation et de la valeur ajoutée via des FC développées dans les applications finales cibles.

Les FC obtenues à partir des précurseurs de la cellulose possèdent les propriétés mécaniques souhaitées, ce qui les rend appropriées pour les processus associés qui intègrent le filage au mouillé de la cellulose et la carbonisation. L’équipe a ainsi mis au point un nouveau réacteur, une pompe de filage et un ensemble de filage pour le filage de la cellulose qui a été installé dans les locaux de CANOE et a permis la dissolution de la cellulose dans l’acide phosphorique avec des nanotubes de carbone.

Des composites à bas coût

Un brevet a été déposé pour le processus de carbonisation et pour le tissu carbonisé utilisé pour fabriquer les pièces du démonstrateur, y compris une pale d’éolienne qui utilise des FC produites à partir de cellulose et de résine thermoplastique. «Ce démonstrateur présente un comportement mécanique correct si on le compare à la même pièce fabriquée à partir de fibre de carbone à base de PAN », commente la Dre Mercader. Un autre des résultats clés de CARBOPREC a été la modélisation pour l’analyse du cycle de vie complet.

Les formules à base de cellulose très pure et de lignine ont permis une diffusion homogène des nanotubes de carbone dans le polymère. L’optimisation du processus de carbonisation a accru le rendement de la cellulose d’environ 25 % et celui de la lignine de 40 %. Le remplacement de l’étape d’oxydation par l’étape de traitement au plasma a simplifié le processus de fabrication et amélioré la résistance à la déchirure des FC.

CARBOPREC a amélioré l’exploitation commerciale des résultats de R&D, qui peuvent s’appliquer à beaucoup de domaines, notamment l’automobile, les nano-composites, la construction, l’énergie, les matériaux et les textiles biosourcés. «Cela contribuera à aider l’industrie à respecter les nouveaux règlements européens relatifs aux émissions des véhicules en recourant à des pièces produites à partir de composites à bas coûts qui permettent de réduire le poids des voitures, mais aussi à permettre la fabrication de pales plus longues pour les éoliennes qui soient à la fois légères et rigides et qui captent ainsi plus d’énergie», souligne la Dre Mercader.

Mots-clés

CARBOPREC, fibre de carbone, carbonisation, polyacrylonitrile (PAN), nanotubes