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Des fibres de carbone plus performantes et moins coûteuses pour le portefeuille et la planète

Les composites renforcés de fibres de carbone (CRFC) sont 80 % plus légers que l’acier et 50 % plus légers que l’aluminium, tout en offrant au moins deux fois plus de résistance et de rigidité. NEWSPEC a entrepris de surmonter les obstacles à leur adoption à grande échelle, en termes de coûts et de sécurité.
Des fibres de carbone plus performantes et moins coûteuses pour le portefeuille et la planète
Bien que leur diamètre ne mesure généralement qu’entre 5 et 10 micromètres, les fibres de carbone (CF) présentent de nombreuses propriétés appréciables comme leur forte rigidité et leur résistance élevée, associées à un faible poids et à une tolérance élevée aux températures. Cela les rend intéressantes pour l’aérospatiale ainsi que pour les industries du génie civil et militaire.

Les CF restent toutefois onéreuses par rapport aux alternatives existantes et le processus de fabrication soulève des défis importants, notamment le fait que la résine polymère, le polyacrylonitrile (PAN), utilisé comme précurseur dans 90 % des fibres de carbone, pose des problèmes en matière de sécurité et d’environnement.

Le projet NEWSPEC (New cost-effective and sustainable polyethylene based carbon fibres for volume market applications), financé par l’UE, a étudié les propriétés du polyéthylène (PE) en tant que précurseur pour une production des FC à faible coût. L’équipe a conçu, développé et testé des prototypes fonctionnels pour le traitement continu des CF, qui comprenaient: un équipement de filage par fusion capable de fabriquer des fibres PE de façon semi-industrielle, un équipement de sulfuration en phase gazeuse, un équipement à plasma double-spot pour la fonctionnalisation de la surface CF et une sonde Raman distante pour la surveillance en ligne des caractéristiques mécaniques de la CF.

Introduire des techniques de traitement innovantes

Expliquant l’intérêt de NEWSPEC pour l’étude du PE en tant que précurseur de fibre de carbone, le Dr Matteo Falasconi, coordinateur du projet NEWSPEC au sein du Warrant Group EFD, déclare: «Il présente des caractéristiques techniques intéressantes comme son rendement en carbone élevé et sa capacité à produire des fibres de carbone à performance moyenne. Il est également relativement flexible et facile à traiter, à un coût très compétitif d’environ deux euros par kilogramme. Par rapport au PAN, cela représente une économie, au niveau du précurseur pouvant atteindre 70 %.»

Après avoir testé puis exclu les PE recyclés et à base d’huile, le projet a montré que le Bio-PE, dérivé de la déshydratation du bioéthanol en éthylène – suivie d’une polymérisation en PE – offrait des avantages significatifs. Il est largement disponible, sous la forme de sous-produit des cultures vivrières annuelles, bénéficie d’une pureté satisfaisante et consomme moins d’énergie (environ 70 %) que les alternatives pétrochimiques. Il est important de noter qu’il est également durable, renouvelable et écologique – produire 1 kg de Bio-PE capture 2,5 kg de CO2 atmosphérique.

Afin d’être préparés pour la conversion en CF, les polymères PE subissent un processus appelé stabilisation qui les renforce en vue d’une fabrication à haute température. NEWSPEC a mis en place une méthode sèche originale utilisant du soufre élémentaire solide, assistée par un traitement par faisceau d’électrons (EBC), qui introduit des hétéroatomes au stade précurseur pour remplacer le processus humide (acide) habituel qui est associé aux problèmes de sécurité et d’environnement.

Cependant, comme l’explique le Dr Falasconi, «ce procédé innovant de sulfuration en phase gazeuse n’ayant jamais été essayé auparavant à l’échelle pilote, notre défi consistait à concevoir et à développer l’équipement pour la stabilisation du précurseur PE et la carbonisation. Nous y sommes parvenus avec succès et avons appelé l’équipement en question “SULFI”».

NEWSPEC a également réduit la graphitisation ou la température à laquelle le polymère PE stabilisé commence à se convertir en structure carbonée cristalline. Cela a été fait en introduisant des nano-agents (comme les nanocristaux de cellulose) dans la matrice polymère.

De plus, pour que les fibres de carbone deviennent de bons matériaux composites, elles subissent un processus appelé fonctionnalisation de surface, qui constitue une étape essentielle pour améliorer la compatibilité des fibres avec différentes résines. NEWSPEC a eu pour cela recours à la technologie du plasma atmosphérique, estimant qu’elle se montrait respectueuse de l’environnement et flexible (adaptée à tous les types de groupes chimiques), tout en étant applicable pour une production continue du début à la fin.

La durabilité profite à différentes industries

NEWSPEC a appliqué les concepts de coût du cycle de vie (CCV) et d’analyse du cycle de vie (ACV) à ses innovations en matière de production et de performance. Des preuves solides d’une réduction des dommages environnementaux grâce aux changements de précurseur ont été mises en évidence. L’ACV a également montré l’effet positif de l’introduction du plasma atmosphérique au niveau du traitement de surface, qui entraîne une réduction de 5 % de l’impact environnemental.

Comme le résume le Dr Falasconi, «les fibres de carbone en polyéthylène pourraient offrir un meilleur rapport performance/coût que tout autre précurseur actuellement à l’étude».

Outre les domaines relatifs aux infrastructures civiles et industrielles, l’utilisation des CF pour construire des pales d’éolienne plus efficaces, en particulier dans les zones extracôtières, devrait constituer le premier et le plus vaste secteur d’application en 2020. La modernisation d’éoliennes (plus petites) déjà en place présente également un intérêt considérable pour les acteurs du secteur énergétique.

Mots-clés

WSPEC, fibre de carbone, stabilisation, carbonisation, composites, résine polymère, précurseur, prototype, biosourcé, nano, fabrication, matériaux