CA3041014A1 - Procede de fabrication de fibres de carbone a partir de precurseurs biosources et fibres de carbone obtenues. - Google Patents
Procede de fabrication de fibres de carbone a partir de precurseurs biosources et fibres de carbone obtenues. Download PDFInfo
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Abstract
L'invention porte sur un procédé de fabrication (1) d'une fibre ou d'un ensemble de fibres hautement carbonés (2), caractérisé en ce qu'il comprend la combinaison (100) d'un précurseur structuré (10) comportant une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, et d'un précurseur non structuré (15), comportant de la lignine ou un dérivé de lignine, se présentant sous la forme d'une solution ayant une viscosité inférieure à 15 000 m Pa.s-1 à la température à laquelle se déroule l'étape de combinaison (100), de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine ou dérivé de lignine (20), ledit procédé comprenant en outre les étapes suivantes : - une étape de stabilisation thermique et dimensionnelle (200) de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine (20) de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine ou dérivé de lignine (30), et - une étape de carbonisation (300) de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine (30) de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres hautement carbonés (2).
Description
PROCEDE DE FABRICATION DE FIBRES DE CARBONE A PARTIR DE
PRECURSEURS BIOSOURCES ET FIBRES DE CARBONE OBTENUES.
[0001] L'invention concerne le domaine des fibres carbone, et plus particulièrement des fibres carbones fabriquées à partir de précurseurs biosourcés, pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables pouvant être utilisées notamment dans le domaine de l'aéronautique, de l'automobile, de l'éolien, du naval, la construction de bâtiment, le sport. L'invention concerne un procédé
de fabrication d'une fibre hautement carbonée ou d'un ensemble de fibres hautement carboné et la fibre ou l'ensemble de fibres susceptible d'être obtenu par un tel procédé de fabrication.
[Art antérieur]
PRECURSEURS BIOSOURCES ET FIBRES DE CARBONE OBTENUES.
[0001] L'invention concerne le domaine des fibres carbone, et plus particulièrement des fibres carbones fabriquées à partir de précurseurs biosourcés, pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables pouvant être utilisées notamment dans le domaine de l'aéronautique, de l'automobile, de l'éolien, du naval, la construction de bâtiment, le sport. L'invention concerne un procédé
de fabrication d'une fibre hautement carbonée ou d'un ensemble de fibres hautement carboné et la fibre ou l'ensemble de fibres susceptible d'être obtenu par un tel procédé de fabrication.
[Art antérieur]
[0002] Le marché de la fibre de carbone est en pleine expansion. Ces dernières années, l'industrie de la fibre de carbone n'a cessé de croître pour répondre aux demandes provenant de différentes applications. Le marché est estimé aujourd'hui à
environ 60 kt/an et devrait évoluer jusqu'à 150-200 kt/an à l'horizon 2020-2025. Cette forte croissance prévisionnelle est principalement liée à l'introduction de la fibre de carbone dans des matériaux composites utilisés dans les secteurs de l'aéronautique, de l'énergie, du bâtiment, de l'automobile et du loisir.
environ 60 kt/an et devrait évoluer jusqu'à 150-200 kt/an à l'horizon 2020-2025. Cette forte croissance prévisionnelle est principalement liée à l'introduction de la fibre de carbone dans des matériaux composites utilisés dans les secteurs de l'aéronautique, de l'énergie, du bâtiment, de l'automobile et du loisir.
[0003] Les fibres de carbone présentent généralement d'excellentes propriétés de traction, des stabilités thermiques et chimiques élevées, de bonnes conductivités thermiques et électriques, et une excellente résistance à la déformation.
Elles peuvent être utilisées comme renforts de matériaux composites qui comprennent habituellement une résine de polymère (matrice). Les matériaux composites ainsi renforcés présentent d'excellentes propriétés physiques tout en conservant une légèreté
avantageuse.
L'allègement est une des mesures clés de la réduction des émissions de CO2 pour les transports. L'industrie automobile et aéronautique est en demande de composés présentant, à performance équivalente, une plus grande légèreté.
Elles peuvent être utilisées comme renforts de matériaux composites qui comprennent habituellement une résine de polymère (matrice). Les matériaux composites ainsi renforcés présentent d'excellentes propriétés physiques tout en conservant une légèreté
avantageuse.
L'allègement est une des mesures clés de la réduction des émissions de CO2 pour les transports. L'industrie automobile et aéronautique est en demande de composés présentant, à performance équivalente, une plus grande légèreté.
[0004] Dans ce contexte, les filières automobiles et aéronautiques, et plus largement l'industrie, ont également, besoin de matériaux performants mais à des coûts maitrisés. En effet, la performance des matériaux composites est en partie liée à l'emploi de fibres de renfort en carbone qui présentent, aujourd'hui, l'inconvénient d'un prix élevé, dépendant de la matière première utilisée et des procédés de fabrication.
[0005] Aujourd'hui les fibres de carbone sont majoritairement fabriquées à
partir de précurseurs acryliques. Le polyacrylonitrile (PAN) est le précurseur le plus utilisé
aujourd'hui pour la fabrication des fibres de carbone. Brièvement, la production de fibres de carbone à partir de PAN comprend les étapes de polymérisation des précurseurs à
base de PAN, filage de fibres, stabilisation thermique, carbonisation et graphitisation. La carbonisation a lieu sous une atmosphère d'azote, à une température de 1000 à
1500 C.
Les fibres de carbone obtenues à la fin de ces étapes sont constituées à 90 %
de carbone, environ 8 % d'azote, 1 % d'oxygène et moins de 1 % d'hydrogène. Une étape supplémentaire, désignée par graphitisation est parfois réalisée. Cette étape nécessite généralement une température de 2500 à 3000 C. Dans ce cas, la dernière étape sert à
obtenir un matériau composé à 99 % de carbone, ce qui le rend considérablement plus malléable, mais aussi moins résistant. Ces deux étapes de carbonisation et graphitisation nécessitent des montées à de très hautes températures et sont donc consommatrices d'énergie. Les facteurs bloquants pour une plus large utilisation des matériaux composites à base de fibres de carbone ayant comme précurseur des fibres PAN, sont leur prix de revient qui est lié en partie au coût du pétrole et la gestion de la chaine de fabrication, notamment la montée en température, qui est assez complexe.
partir de précurseurs acryliques. Le polyacrylonitrile (PAN) est le précurseur le plus utilisé
aujourd'hui pour la fabrication des fibres de carbone. Brièvement, la production de fibres de carbone à partir de PAN comprend les étapes de polymérisation des précurseurs à
base de PAN, filage de fibres, stabilisation thermique, carbonisation et graphitisation. La carbonisation a lieu sous une atmosphère d'azote, à une température de 1000 à
1500 C.
Les fibres de carbone obtenues à la fin de ces étapes sont constituées à 90 %
de carbone, environ 8 % d'azote, 1 % d'oxygène et moins de 1 % d'hydrogène. Une étape supplémentaire, désignée par graphitisation est parfois réalisée. Cette étape nécessite généralement une température de 2500 à 3000 C. Dans ce cas, la dernière étape sert à
obtenir un matériau composé à 99 % de carbone, ce qui le rend considérablement plus malléable, mais aussi moins résistant. Ces deux étapes de carbonisation et graphitisation nécessitent des montées à de très hautes températures et sont donc consommatrices d'énergie. Les facteurs bloquants pour une plus large utilisation des matériaux composites à base de fibres de carbone ayant comme précurseur des fibres PAN, sont leur prix de revient qui est lié en partie au coût du pétrole et la gestion de la chaine de fabrication, notamment la montée en température, qui est assez complexe.
[0006] Des précurseurs à base de Brai ont également été développés mais, comme les précurseurs acryliques, ils consomment des ressources fossiles et entrainent une consommation d'énergie liée aux fortes températures nécessaires lors des étapes de carbonisation et de graphitisation.
[0007] Avec l'objectif de réduire le prix de la fibre de carbone, une des solutions proposées a été de remplacer ses éléments de base dérivés du pétrole (par exemple :
PAN ou Brai) par des matières biosourcées, comme la cellulose ou la lignine, contenues dans le bois. Le prix de revient pour la fabrication de fibre de carbone utilisant comme précurseur de la cellulose est largement inférieur à celui des fibres avec du PAN. Dans cette optique, plusieurs précurseurs cellulosiques ont été évalués. Les précurseurs à base de cellulose présentent l'avantage de produire des structures carbonisées bien structurées mais ils ne permettent généralement pas d'atteindre des rendements en carbone satisfaisant.
PAN ou Brai) par des matières biosourcées, comme la cellulose ou la lignine, contenues dans le bois. Le prix de revient pour la fabrication de fibre de carbone utilisant comme précurseur de la cellulose est largement inférieur à celui des fibres avec du PAN. Dans cette optique, plusieurs précurseurs cellulosiques ont été évalués. Les précurseurs à base de cellulose présentent l'avantage de produire des structures carbonisées bien structurées mais ils ne permettent généralement pas d'atteindre des rendements en carbone satisfaisant.
8 [0008] Néanmoins, il existe dans l'art antérieur des procédés de fabrication de fibres plus respectueux de l'environnement. Par exemple, la demande W02014064373 publiée le 01 mai 2014 déposée par la demanderesse décrit un procédé de fabrication, à
partir d'un précurseur bio-ressourcé, de fibre de carbone continue dopée avec des nanotubes de carbone (NTC). La présence des NTC dans le précurseur bio-ressourcé permet d'augmenter le rendement carbonique du précurseur lors de la carbonisation, et aussi d'augmenter les caractéristiques mécaniques des fibres de carbone. Le précurseur bio-ressourcé peut être de la cellulose transformée sous la forme de fibres par dissolution et coagulation/filage, de façon à former de l'hydrocellulose (comme par exemple, viscose, lyocell, rayonne). Un tel procédé permet la production d'un filament continu et régulier à
partir du précurseur bio-ressourcé. Néanmoins, cette méthode repose toujours sur une étape de carbonisation avec une montée en température jusqu'à 600 C et une étape de graphitisation à une température de 2000 C à 3000 C et de préférence 2200 C, entrainant une consommation d'énergie liée aux fortes températures nécessaires.
partir d'un précurseur bio-ressourcé, de fibre de carbone continue dopée avec des nanotubes de carbone (NTC). La présence des NTC dans le précurseur bio-ressourcé permet d'augmenter le rendement carbonique du précurseur lors de la carbonisation, et aussi d'augmenter les caractéristiques mécaniques des fibres de carbone. Le précurseur bio-ressourcé peut être de la cellulose transformée sous la forme de fibres par dissolution et coagulation/filage, de façon à former de l'hydrocellulose (comme par exemple, viscose, lyocell, rayonne). Un tel procédé permet la production d'un filament continu et régulier à
partir du précurseur bio-ressourcé. Néanmoins, cette méthode repose toujours sur une étape de carbonisation avec une montée en température jusqu'à 600 C et une étape de graphitisation à une température de 2000 C à 3000 C et de préférence 2200 C, entrainant une consommation d'énergie liée aux fortes températures nécessaires.
[0009] On peut se reporter également au document KR 20120082287 qui décrit un procédé de fabrication de fibre de carbone à partir d'un matériau précurseur comprenant du lyocell (fibres cellulosiques provenant du bois ou de bambou) et un matériau nanocomposite ¨ graphènes.
[0010] On peut se reporter aussi au document CN1587457 qui décrit un procédé
de préparation d'un matériau précurseur cellulosique pour la fabrication de fibre de carbone ayant des propriétés améliorées et un cout de fabrication moindre. La préparation cellulosique comporte l'insertion des nano particules de suie dans la solution cellulosique.
de préparation d'un matériau précurseur cellulosique pour la fabrication de fibre de carbone ayant des propriétés améliorées et un cout de fabrication moindre. La préparation cellulosique comporte l'insertion des nano particules de suie dans la solution cellulosique.
[0011] On peut se reporter de la même façon au document US 2011/285049 qui décrit un procédé de fabrication d'une fibre de carbone à partir d'un matériau précurseur comprenant une fibre continue en lignine incluant des nanotubes de carbones dispersés représentant 10% en poids ou moins et de préférence de 0,5 à 1,5%. La lignine et les nanotubes de carbone sont mélangés et chauffés pour être à l'état fondu, pour extrusion et filage. Ce procédé ne prévoit pas d'étape d'ensimage du matériau précurseur.
[0012] Cependant, les procédés tels que décrits ci-dessus, reposent tous sur l'utilisation d'un précurseur à base de cellulose ou de lignine auquel on rajoute des charges avant de mettre en oeuvre les étapes de carbonisation et de graphitisation. Ces procédés ne sont pas satisfaisants dès lors que l'on cherche à augmenter les rendements en carbone et/ou à alléger les pièces en matériaux composites réalisées avec ces fibres de carbone. En outre les étapes de carbonisation et de graphitisation sont réalisées à des températures habituelles qui restent trop élevées dans la perspective d'une diminution des coûts de fabrication des fibres ou ensembles de fibres et des pièces en matériau composite fabriquées avec ces fibres.
.. [0013] Ainsi, il existe toujours un besoin pour des précurseurs et des procédés de fabrication de fibres de carbone capables de répondre aux problèmes rencontrés avec les méthodes existantes et permettant : i) une densité réduite afin de produire des matériaux à
base de fibres de carbone plus légers, ii) un rendement élevé de carbone, iii) un coût de fabrication réduit, et iv) une transformation aisée en fibre de carbone.
1Problème technique]
[0014] L'invention a donc pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur. En particulier, l'invention a pour but de proposer un procédé de fabrication de fibres de carbone, ledit procédé étant simple à mettre en oeuvre, avec un nombre réduit d'étapes, et permettant de maitriser les coûts notamment grâce à la réduction des dépenses énergétiques liées aux étapes de carbonisation et graphitisation.
[0015] L'invention a en outre pour but de proposer une fibre hautement carbonée ou un ensemble de fibres hautement carboné, très stable mécaniquement avec un rendement carbonique supérieur aux fibres de carbones classiquement obtenues à partir de matériaux biosourcés. De plus, les fibres hautement carbonées selon l'invention sont légères et présentent une densité inférieure aux fibres de carbone classiques.
Avantageusement, le procédé peut être mis en oeuvre sur des ensembles de fibres organisés et non carbonisés comme par exemple le Lyocell, la viscose, la rayonne, de façon à former, rapidement et à des coûts réduits, des ensembles de fibres de carbone tissées à savoir tissus en fibre de carbone.
IBrève description de l'inventionl [0016] Ainsi, l'invention porte sur un procédé de fabrication d'une fibre ou d'un ensemble de fibres hautement carbonés,principalement caractérisé en ce qu'il comprend la combinaison d'un précurseur structuré comportant une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, et d'un précurseur non structuré, comportant de la lignine ou un dérivé
de lignine, se présentant sous la forme d'une solution ayant une viscosité
inférieure à
000 mPa.s-1 et de manière préférée, inférieure à 10 000 mPa.s-1 à la température à
laquelle se déroule l'étape de combinaison, de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine, ledit procédé
comprenant en outre 10 les étapes suivantes :
- une étape de stabilisation thermique et dimensionnelle de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine de façon à
obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine, et une étape de carbonisation de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres hautement carbonés.
[0017] Ce nouveau procédé de fabrication, à partir de précurseurs biosourcés, d'une fibre de carbone hautement carbonée ou d'un ensemble de fibres de carbone hautement carboné présente de nombreux avantages tels que la réduction de la demande énergétique pour fabriquer des matériaux aux propriétés équivalentes, l'obtention d'un rendement carbonique supérieur à celui observé avec les procédés de l'art antérieur et la formation de fibres ayant une faible densité.
[0018] Selon d'autres caractéristiques optionnelles du procédé :
- le précurseur structuré comprend un multi-filament torsadé, un multi-filament non torsadé, un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé. En effet, le procédé selon l'invention présente l'avantage de réduire les coûts de fabrication des ensembles de fibre de carbone (par exemple tissés). Par exemple, dans le cadre du procédé selon l'invention, il est possible de fabriquer un tissu en fibre d'hydrocellulose (par exemple : viscose, Lyocell, rayonne) et de directement lui faire subir le procédé de fabrication selon l'invention de façon à former un ensemble de fibres hautement carboné.
- le précurseur non structuré comprend entre 1 et 50 %, de préférence entre 5 % et 15 %
en masse de lignine ou d'un dérivé de lignine. La lignine est une ressource largement disponible, sous-exploitée et de faible coût permettant au procédé de répondre aux exigences économiques des industries. En outre, à de telles concentrations, les fibres d'hydrocellulose sont entièrement recouvertes d'un dépôt de lignine sans que celui-ci n'entraine une déformation des fibres ou un amalgame.
- le précurseur non structuré est une solution aqueuse, ou une solution organique ou un mélange des deux. Ces alternatives permettent d'adapter le précurseur non structuré
en fonction de la lignine ou du dérivé de lignine utilisé ainsi que des éventuels nanotubes de carbone ajoutés. De façon préférée, le précurseur non structuré
est une solution hydroalcoolique de lignine ou de dérivé de lignine.
- le précurseur structuré comporte au moins une fibre d'hydrocellulose dont le diamètre est compris entre 0,5 lm et 300 1.1m, de préférence entre 1 lm et 50 1.1m.
L'invention présente l'avantage de pouvoir être adaptée à une large gamme de diamètre de fibre d'hydrocellulose.
- le précurseur structuré et/ou le précurseur non structuré comporte des nanotubes de carbone, lesdits nanotubes de carbone étant présents à une concentration comprise entre 0,0001 % et 10 % en masse, et de préférence comprise entre 0,01 % et 1 %
en masse. L'ajout de nanotubes de carbone (NTC) à l'un des deux, ou aux deux, précurseurs permet d'améliorer le rendement carbonique de la fibre obtenue. En effet, lorsqu'une telle substance est ajoutée à la lignine ou au dérivé de lignine, la lignine ou le dérivé de lignine agissent comme un liant et entrainent une augmentation de la quantité de NTC étant effectivement insérés dans la fibre de carbone résultante.
- L'étape de combinaison comprend une imprégnation. L'imprégnation présente l'avantage d'être une méthode pouvant aisément être mise en oeuvre industriellement.
- les étapes de combinaison et de stabilisation thermique et dimensionnelle sont répétées une ou plusieurs fois. Cela est particulièrement avantageux car ainsi il est possible d'augmenter le rendement carbonique, d'augmenter le diamètre des fibres obtenues et/ou de réduire leur densité.
- le procédé de fabrication comprend en outre, avant l'étape de carbonisation, les étapes suivantes :
o une étape d'ensimage consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine avec une solution aqueuse comprenant au moins un composé ignifuge, ledit composé ignifuge pouvant être sélectionné parmi : le potassium, le sodium, le phosphate, l'acétate, le chlorure, l'urée, et o une étape de séchage post ensimage.
Cela présente l'avantage de renforcer les propriétés physicochimiques des fibres de carbone obtenues. En effet, bien que la lignine ou le dérivé de lignine présente des propriétés ignifuges, l'ajout d'une étape d'ensimage avec une solution comprenant au moins un composé ignifuge permet d'améliorer les caractéristiques de la fibre de carbone obtenue.
- Avantageusement, les étapes d'ensimage et de séchage post ensimage sont répétées une ou plusieurs fois. Cela est avantageux car il est possible d'augmenter la quantité
de produit ignifuge associé à la fibre ou alors de combiner différents traitements à
base de différentes substances.
- le procédé de fabrication selon l'invention comprend en outre, après l'étape de carbonisation, une étape de graphitisation. La graphitisation permet d'augmenter la malléabilité de la fibre de carbone ou de l'ensemble de fibre de carbone obtenu par le procédé selon l'invention.
- le procédé de fabrication selon l'invention comprend en outre, après l'étape de carbonisation, une étape d'ensimage consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres hautement carbonés avec une solution comprenant au moins un composant organique pouvant comprendre au moins un Silane ou dérivé de Silane et/ou au moins un Siloxane ou dérivé de Siloxane. Cette étape permet d'améliorer les propriétés physicochimiques de la fibre (par exemple une protection contre l'abrasion et amélioration de l'intégrité des fibres) et présente l'avantage, dans le cadre de l'invention de pouvoir être réalisée sur un ensemble de fibre, c'est-à-dire par exemple sur un tissu de fibre de carbone.
[0019] L'invention porte en outre sur une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine ou de dérivé de lignine comme produit intermédiaire obtenu après l'étape de stabilisation thermique et dimensionnelle du procédé
de fabrication selon l'invention, pour lequel le ratio de la masse de fibre sur la masse de lignine ou dérivé de lignine est compris entre 1/2 et 100/1.
[0020] Optionnellement, le dépôt de lignine ou de dérivé de lignine de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine ou de dérivé de lignine selon l'invention peut comprendre entre 0,50 % et 50 % en masse de composé
ignifuge, de préférence entre 2 % et 30 % en masse par rapport au dépôt de lignine).
[0021] L'invention porte en outre sur une fibre hautement carbonée ou un tissu de fibres hautement carboné susceptibles d'êtes obtenus par le procédé selon l'invention. De façon avantageuse, cette fibre ou cet ensemble de fibres présente, après l'étape de carbonisation, une densité comprise entre 0,20 et 1,95 g/cm3, de préférence entre 1,45 et 1,60 g/cm3. Ces produits répondent aux attentes des industriels à la recherche de fibres de carbone plus légères présentant néanmoins des propriétés mécaniques suffisantes notamment pour répondre aux besoins des industries aéronautiques ou automobiles.
[0022] L'invention porte en outre sur l'utilisation des fibres ou d'ensembles de fibres hautement carbonés obtenues selon le procédé de fabrication, pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables.
[0023] L'invention porte en outre sur des matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables obtenus avec des fibres ou ensembles de fibres fabriqués selon le procédé de fabrication de l'invention. Ces matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables ont l'avantage de présenter, pour un volume identique, un poids inférieur d'au moins 5 % au poids de matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables classiques.
[0024] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en référence aux Figures annexées qui représentent :
= la Figure 1, représente un schéma d'un mode de réalisation du procédé de fabrication de fibre de carbone selon l'invention. Les étapes encadrées par des pointillés sont optionnelles.
= la Figure 2, représente une image obtenue par microscopie électronique à
balayage d'une coupe de fibres de carbone selon l'invention.
1Description de l'inventionl [0025] On entend par fibre ou ensemble de fibres hautement carbonés selon l'invention, un matériau composé à plus de 80 %, en masse, de carbone, de préférence plus de 90%, de plus préférée plus de 95%, de encore plus préférée plus de 98%
(matériaux considérés comme des matériaux de très haute pureté).
[0026] On entend par fibre d'hydrocellulose selon l'invention, des fibres de cellulose ou de dérivés de cellulose, de préférence continue et de diamètre régulier, obtenues après dissolution de cellulose provenant de matière lignocellulosique. Comme cela sera détaillé dans la suite du texte, cette combinaison peut être réalisée par plusieurs méthodes alternatives. L'hydrocellulose peut, par exemple, être obtenue après un traitement à la soude suivi d'une dissolution avec du disulfure de carbone.
Dans ce cas l'hydrocellulose est plus particulièrement appelée viscose. Alternativement, la fibre d'hydrocellulose peut être obtenue à partir de matière lignocellulosique dissoute dans une solution comprenant du N-methylmorpholine N-oxide pour former du Lyocell.
[0027] On entend par lignine selon l'invention un polymère aromatique végétal dont la composition varie avec l'espèce végétale et formé généralement à partir de trois monomères phénylpropanoïdes : les alcools p-coumarylique, coniférylique et sinapylique.
[0028] On entend par dérivé de lignine selon l'invention une molécule ayant une structure moléculaire de type lignine et comportant des substituants ayant été
ajoutés durant le procédé d'extraction de la lignine ou ultérieurement de façon à
modifier ses propriétés physicochimiques. Il existe de nombreux procédé pour extraire la lignine de la biomasse lignocellulosique et ces derniers peuvent entrainer des modifications de la lignine. Par exemple, le procédé Kraft utilise une base forte avec du sulfure de sodium pour séparer la lignine des fibres de cellulose. Ce procédé peut former des thio-lignines.
Le procédé au sulfite, entrainant la formation de lignosulfonates. Les procédés de prétraitement organosolv utilisent un solvant organique ou des mélanges de solvants organiques avec de l'eau pour solubiliser la lignine avant l'hydrolyse enzymatique de la fraction cellulosique. De préférence, par dérivé de lignine il faut comprendre une lignine comportant des substituants pouvant être sélectionnés parmi : Thiol, Sulfonate, Alkyl, ou 5 polyesther. Les lignines ou dérivés de lignine utilisés dans le cadre de la présente invention ont généralement un poids moléculaire supérieur à 1000 g/mol, par exemple supérieur à 10000 g/mol.
[0029] Dans la suite de la description, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
10 [0030] Selon un premier aspect, l'invention porte sur un procédé de fabrication 1 d'une fibre ou d'un ensemble de fibres hautement carbonés 2, comprenant la combinaison 100 d'un précurseur structuré 10 comportant une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, et d'un précurseur non structuré 15 comportant de la lignine ou un dérivé
de lignine, se présentant sous la forme d'une solution ayant une viscosité
inférieure à
15 000 mPa.s-1 à la température à laquelle se déroule l'étape de combinaison 100.
[0031] Cette étape de combinaison 100 permet d'obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine ou dérivé de lignine 20.
[0032] Ce procédé est schématisé dans la figure 1. Il peut être réalisé en continu ou en discontinu. Dans le cadre d'une réalisation en continu, les procédés industriels permettent l'enchainement des différentes étapes sans interruption et cela à partir d'une fibre ou même d'un ensemble de fibres.
Précurseur structuré (10) [0033] Le précurseur structuré 10 comporte une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose. Cette fibre ou cet ensemble de fibres d'hydrocellulose peuvent prendre des formes très différentes. Un des avantages de l'invention est que le procédé peut être mis en oeuvre sur des fibres d'hydrocellulose ayant été préalablement mises en forme, par exemple sous la forme d'un multi-filament torsadé, d'un multi-filament non torsadé, d'un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé.
[0034] Lors de la fabrication de tissus en fibre de carbone, il est habituellement nécessaire de produire des bobines de fibres de carbone, par exemple à partir de PAN
puis d'organiser ces fibres selon les tissages désirées. Ici, l'invention permet d'utiliser directement des fibres d'hydrocelluloses ayant été préalablement organisées, sous la forme de multi-filament ou d'ensemble de fibres. Le procédé selon l'invention permet ensuite, notamment grâce à l'étape de dépôt de lignine ou de dérivé de lignine sur lesdites fibres d'hydrocelluloses, et après une étape de carbonisation et éventuellement de graphitisation, de créer des multi-filaments ou ensemble de fibres, comme par exemple un tissu, en fibres de carbone présentant une densité réduite et des propriétés mécaniques avantageuses pour notamment, la fabrication de matériaux composites à
destination de l'automobile ou de l'aéronautique.
[0035] Ainsi, de façon préférée, le précurseur structuré 10 comprend un multi-filament torsadé, un multi-filament non torsadé, un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé. De façon encore plus préféré, le précurseur structuré 10 est un multi-filament torsadé, un multi-filament non torsadé, un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé.
[0036] Les multi-filaments torsadés pouvant être utilisés selon l'invention présentent par exemple un nombre de tours par mètre compris entre 5 et 2000 tours par mètre, de préférence entre 10 et 1000 tours par mètre [0037] Le précurseur structuré 10 selon l'invention peut comporter au moins une fibre d'hydrocellulose dont le diamètre est compris entre 0,5 lm et 300 11m, de préférence entre 1 lm et 50 m. En outre, de façon préférée le précurseur structuré 10 selon l'invention comporte au moins une fibre d'hydrocellulose continue présentant un diamètre régulier sur toute sa longueur, et notamment l'absence de fibrille. Cela permet d'améliorer la cohésion entre le dépôt de lignine et la fibre. Par diamètre régulier, il faut comprendre que le diamètre varie de moins de 20 %, de préférence moins de 10 % sur la longueur de la fibre.
[0038] Cette fibre d'hydrocellulose peut être obtenue par différents procédés de fabrication connus. Elle peut par exemple être obtenue selon le procédé de fabrication décrit dans la demande W02014064373. Les fibres d'hydrocellulose utilisées peuvent également être des fibres de Lyocell ou de viscose, dont la cellulose provient par exemple de bois ou de bambou.
[0039] La plupart des procédés de fabrication des fibres d'hydrocellulose repose sur la réalisation d'une préparation cellulosique à partir de cellulose dissoute, par exemple par du disulfure de carbone, du 4-Oxyde de 4-méthylmorpholine (N-Methylmorpholine-N-oxide NMMO) ou dans une solution d'acide (par exemple : acide ortho-phosphorique ou acide acétique), qui est ensuite utilisée pour former les fibres continues d'hydrocellulose suite à
une immersion dans un bain de coagulation contenant par exemple de l'acide sulfurique.
La fibre d'hydrocellulose utilisée dans le procédé de la présente invention comme précurseur, n'a pas fait l'objet d'une carbonisation préalable.
Précurseur non structuré (15) [0040] Le précurseur non structuré 15 comporte de la lignine ou un dérivé de lignine. La lignine représente 10 à 25 % de la biomasse terrestre de nature lignocellulosique et elle n'est aujourd'hui que peu valorisée par l'industrie. Ainsi, chaque année, plusieurs centaines de tonnes de lignine ou de dérivés de lignine sont produits sans valorisation possible. La lignine est présente principalement dans les plantes vasculaires (ou plantes supérieures) et dans quelques algues. C'est un polymère aromatique végétal dont la composition varie avec l'espèce végétale et formé généralement à partir de trois monomères phénylpropanoïdes : les alcools p-coumarylique, sinapylique et coniférylique comme illustré par les formules ci-après :
M =e0 OMe OMo OH OH OH
alcool p-coumarylique alcool sinapylique alcool coniférylique [0041] De façon préférée, le précurseur non structuré 15 comprend entre 1 et 50 % en masse de lignine ou d'un dérivé de lignine. De façon avantageuse, le précurseur non structuré 15 comprends entre 5% et 15% en masse de lignine ou d'un dérivé de lignine.
A cette concentration, le dépôt de lignine ou de dérivé de lignine est homogène tout en permettant une augmentation du rendement carbone de la fibre de carbone obtenue après l'étape de carbonisation 300.
[0042] En outre, le précurseur non structuré 15 se présente sous la forme d'une solution ayant une viscosité inférieure à 15 000 mPa.s-1 et de manière préférée, inférieure à
10 000 mPa.s-1 à la température à laquelle se déroule l'étape de combinaison 100. Avec
.. [0013] Ainsi, il existe toujours un besoin pour des précurseurs et des procédés de fabrication de fibres de carbone capables de répondre aux problèmes rencontrés avec les méthodes existantes et permettant : i) une densité réduite afin de produire des matériaux à
base de fibres de carbone plus légers, ii) un rendement élevé de carbone, iii) un coût de fabrication réduit, et iv) une transformation aisée en fibre de carbone.
1Problème technique]
[0014] L'invention a donc pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur. En particulier, l'invention a pour but de proposer un procédé de fabrication de fibres de carbone, ledit procédé étant simple à mettre en oeuvre, avec un nombre réduit d'étapes, et permettant de maitriser les coûts notamment grâce à la réduction des dépenses énergétiques liées aux étapes de carbonisation et graphitisation.
[0015] L'invention a en outre pour but de proposer une fibre hautement carbonée ou un ensemble de fibres hautement carboné, très stable mécaniquement avec un rendement carbonique supérieur aux fibres de carbones classiquement obtenues à partir de matériaux biosourcés. De plus, les fibres hautement carbonées selon l'invention sont légères et présentent une densité inférieure aux fibres de carbone classiques.
Avantageusement, le procédé peut être mis en oeuvre sur des ensembles de fibres organisés et non carbonisés comme par exemple le Lyocell, la viscose, la rayonne, de façon à former, rapidement et à des coûts réduits, des ensembles de fibres de carbone tissées à savoir tissus en fibre de carbone.
IBrève description de l'inventionl [0016] Ainsi, l'invention porte sur un procédé de fabrication d'une fibre ou d'un ensemble de fibres hautement carbonés,principalement caractérisé en ce qu'il comprend la combinaison d'un précurseur structuré comportant une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, et d'un précurseur non structuré, comportant de la lignine ou un dérivé
de lignine, se présentant sous la forme d'une solution ayant une viscosité
inférieure à
000 mPa.s-1 et de manière préférée, inférieure à 10 000 mPa.s-1 à la température à
laquelle se déroule l'étape de combinaison, de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine, ledit procédé
comprenant en outre 10 les étapes suivantes :
- une étape de stabilisation thermique et dimensionnelle de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine de façon à
obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine, et une étape de carbonisation de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres hautement carbonés.
[0017] Ce nouveau procédé de fabrication, à partir de précurseurs biosourcés, d'une fibre de carbone hautement carbonée ou d'un ensemble de fibres de carbone hautement carboné présente de nombreux avantages tels que la réduction de la demande énergétique pour fabriquer des matériaux aux propriétés équivalentes, l'obtention d'un rendement carbonique supérieur à celui observé avec les procédés de l'art antérieur et la formation de fibres ayant une faible densité.
[0018] Selon d'autres caractéristiques optionnelles du procédé :
- le précurseur structuré comprend un multi-filament torsadé, un multi-filament non torsadé, un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé. En effet, le procédé selon l'invention présente l'avantage de réduire les coûts de fabrication des ensembles de fibre de carbone (par exemple tissés). Par exemple, dans le cadre du procédé selon l'invention, il est possible de fabriquer un tissu en fibre d'hydrocellulose (par exemple : viscose, Lyocell, rayonne) et de directement lui faire subir le procédé de fabrication selon l'invention de façon à former un ensemble de fibres hautement carboné.
- le précurseur non structuré comprend entre 1 et 50 %, de préférence entre 5 % et 15 %
en masse de lignine ou d'un dérivé de lignine. La lignine est une ressource largement disponible, sous-exploitée et de faible coût permettant au procédé de répondre aux exigences économiques des industries. En outre, à de telles concentrations, les fibres d'hydrocellulose sont entièrement recouvertes d'un dépôt de lignine sans que celui-ci n'entraine une déformation des fibres ou un amalgame.
- le précurseur non structuré est une solution aqueuse, ou une solution organique ou un mélange des deux. Ces alternatives permettent d'adapter le précurseur non structuré
en fonction de la lignine ou du dérivé de lignine utilisé ainsi que des éventuels nanotubes de carbone ajoutés. De façon préférée, le précurseur non structuré
est une solution hydroalcoolique de lignine ou de dérivé de lignine.
- le précurseur structuré comporte au moins une fibre d'hydrocellulose dont le diamètre est compris entre 0,5 lm et 300 1.1m, de préférence entre 1 lm et 50 1.1m.
L'invention présente l'avantage de pouvoir être adaptée à une large gamme de diamètre de fibre d'hydrocellulose.
- le précurseur structuré et/ou le précurseur non structuré comporte des nanotubes de carbone, lesdits nanotubes de carbone étant présents à une concentration comprise entre 0,0001 % et 10 % en masse, et de préférence comprise entre 0,01 % et 1 %
en masse. L'ajout de nanotubes de carbone (NTC) à l'un des deux, ou aux deux, précurseurs permet d'améliorer le rendement carbonique de la fibre obtenue. En effet, lorsqu'une telle substance est ajoutée à la lignine ou au dérivé de lignine, la lignine ou le dérivé de lignine agissent comme un liant et entrainent une augmentation de la quantité de NTC étant effectivement insérés dans la fibre de carbone résultante.
- L'étape de combinaison comprend une imprégnation. L'imprégnation présente l'avantage d'être une méthode pouvant aisément être mise en oeuvre industriellement.
- les étapes de combinaison et de stabilisation thermique et dimensionnelle sont répétées une ou plusieurs fois. Cela est particulièrement avantageux car ainsi il est possible d'augmenter le rendement carbonique, d'augmenter le diamètre des fibres obtenues et/ou de réduire leur densité.
- le procédé de fabrication comprend en outre, avant l'étape de carbonisation, les étapes suivantes :
o une étape d'ensimage consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine avec une solution aqueuse comprenant au moins un composé ignifuge, ledit composé ignifuge pouvant être sélectionné parmi : le potassium, le sodium, le phosphate, l'acétate, le chlorure, l'urée, et o une étape de séchage post ensimage.
Cela présente l'avantage de renforcer les propriétés physicochimiques des fibres de carbone obtenues. En effet, bien que la lignine ou le dérivé de lignine présente des propriétés ignifuges, l'ajout d'une étape d'ensimage avec une solution comprenant au moins un composé ignifuge permet d'améliorer les caractéristiques de la fibre de carbone obtenue.
- Avantageusement, les étapes d'ensimage et de séchage post ensimage sont répétées une ou plusieurs fois. Cela est avantageux car il est possible d'augmenter la quantité
de produit ignifuge associé à la fibre ou alors de combiner différents traitements à
base de différentes substances.
- le procédé de fabrication selon l'invention comprend en outre, après l'étape de carbonisation, une étape de graphitisation. La graphitisation permet d'augmenter la malléabilité de la fibre de carbone ou de l'ensemble de fibre de carbone obtenu par le procédé selon l'invention.
- le procédé de fabrication selon l'invention comprend en outre, après l'étape de carbonisation, une étape d'ensimage consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres hautement carbonés avec une solution comprenant au moins un composant organique pouvant comprendre au moins un Silane ou dérivé de Silane et/ou au moins un Siloxane ou dérivé de Siloxane. Cette étape permet d'améliorer les propriétés physicochimiques de la fibre (par exemple une protection contre l'abrasion et amélioration de l'intégrité des fibres) et présente l'avantage, dans le cadre de l'invention de pouvoir être réalisée sur un ensemble de fibre, c'est-à-dire par exemple sur un tissu de fibre de carbone.
[0019] L'invention porte en outre sur une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine ou de dérivé de lignine comme produit intermédiaire obtenu après l'étape de stabilisation thermique et dimensionnelle du procédé
de fabrication selon l'invention, pour lequel le ratio de la masse de fibre sur la masse de lignine ou dérivé de lignine est compris entre 1/2 et 100/1.
[0020] Optionnellement, le dépôt de lignine ou de dérivé de lignine de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine ou de dérivé de lignine selon l'invention peut comprendre entre 0,50 % et 50 % en masse de composé
ignifuge, de préférence entre 2 % et 30 % en masse par rapport au dépôt de lignine).
[0021] L'invention porte en outre sur une fibre hautement carbonée ou un tissu de fibres hautement carboné susceptibles d'êtes obtenus par le procédé selon l'invention. De façon avantageuse, cette fibre ou cet ensemble de fibres présente, après l'étape de carbonisation, une densité comprise entre 0,20 et 1,95 g/cm3, de préférence entre 1,45 et 1,60 g/cm3. Ces produits répondent aux attentes des industriels à la recherche de fibres de carbone plus légères présentant néanmoins des propriétés mécaniques suffisantes notamment pour répondre aux besoins des industries aéronautiques ou automobiles.
[0022] L'invention porte en outre sur l'utilisation des fibres ou d'ensembles de fibres hautement carbonés obtenues selon le procédé de fabrication, pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables.
[0023] L'invention porte en outre sur des matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables obtenus avec des fibres ou ensembles de fibres fabriqués selon le procédé de fabrication de l'invention. Ces matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables ont l'avantage de présenter, pour un volume identique, un poids inférieur d'au moins 5 % au poids de matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables classiques.
[0024] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en référence aux Figures annexées qui représentent :
= la Figure 1, représente un schéma d'un mode de réalisation du procédé de fabrication de fibre de carbone selon l'invention. Les étapes encadrées par des pointillés sont optionnelles.
= la Figure 2, représente une image obtenue par microscopie électronique à
balayage d'une coupe de fibres de carbone selon l'invention.
1Description de l'inventionl [0025] On entend par fibre ou ensemble de fibres hautement carbonés selon l'invention, un matériau composé à plus de 80 %, en masse, de carbone, de préférence plus de 90%, de plus préférée plus de 95%, de encore plus préférée plus de 98%
(matériaux considérés comme des matériaux de très haute pureté).
[0026] On entend par fibre d'hydrocellulose selon l'invention, des fibres de cellulose ou de dérivés de cellulose, de préférence continue et de diamètre régulier, obtenues après dissolution de cellulose provenant de matière lignocellulosique. Comme cela sera détaillé dans la suite du texte, cette combinaison peut être réalisée par plusieurs méthodes alternatives. L'hydrocellulose peut, par exemple, être obtenue après un traitement à la soude suivi d'une dissolution avec du disulfure de carbone.
Dans ce cas l'hydrocellulose est plus particulièrement appelée viscose. Alternativement, la fibre d'hydrocellulose peut être obtenue à partir de matière lignocellulosique dissoute dans une solution comprenant du N-methylmorpholine N-oxide pour former du Lyocell.
[0027] On entend par lignine selon l'invention un polymère aromatique végétal dont la composition varie avec l'espèce végétale et formé généralement à partir de trois monomères phénylpropanoïdes : les alcools p-coumarylique, coniférylique et sinapylique.
[0028] On entend par dérivé de lignine selon l'invention une molécule ayant une structure moléculaire de type lignine et comportant des substituants ayant été
ajoutés durant le procédé d'extraction de la lignine ou ultérieurement de façon à
modifier ses propriétés physicochimiques. Il existe de nombreux procédé pour extraire la lignine de la biomasse lignocellulosique et ces derniers peuvent entrainer des modifications de la lignine. Par exemple, le procédé Kraft utilise une base forte avec du sulfure de sodium pour séparer la lignine des fibres de cellulose. Ce procédé peut former des thio-lignines.
Le procédé au sulfite, entrainant la formation de lignosulfonates. Les procédés de prétraitement organosolv utilisent un solvant organique ou des mélanges de solvants organiques avec de l'eau pour solubiliser la lignine avant l'hydrolyse enzymatique de la fraction cellulosique. De préférence, par dérivé de lignine il faut comprendre une lignine comportant des substituants pouvant être sélectionnés parmi : Thiol, Sulfonate, Alkyl, ou 5 polyesther. Les lignines ou dérivés de lignine utilisés dans le cadre de la présente invention ont généralement un poids moléculaire supérieur à 1000 g/mol, par exemple supérieur à 10000 g/mol.
[0029] Dans la suite de la description, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments.
10 [0030] Selon un premier aspect, l'invention porte sur un procédé de fabrication 1 d'une fibre ou d'un ensemble de fibres hautement carbonés 2, comprenant la combinaison 100 d'un précurseur structuré 10 comportant une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, et d'un précurseur non structuré 15 comportant de la lignine ou un dérivé
de lignine, se présentant sous la forme d'une solution ayant une viscosité
inférieure à
15 000 mPa.s-1 à la température à laquelle se déroule l'étape de combinaison 100.
[0031] Cette étape de combinaison 100 permet d'obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine ou dérivé de lignine 20.
[0032] Ce procédé est schématisé dans la figure 1. Il peut être réalisé en continu ou en discontinu. Dans le cadre d'une réalisation en continu, les procédés industriels permettent l'enchainement des différentes étapes sans interruption et cela à partir d'une fibre ou même d'un ensemble de fibres.
Précurseur structuré (10) [0033] Le précurseur structuré 10 comporte une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose. Cette fibre ou cet ensemble de fibres d'hydrocellulose peuvent prendre des formes très différentes. Un des avantages de l'invention est que le procédé peut être mis en oeuvre sur des fibres d'hydrocellulose ayant été préalablement mises en forme, par exemple sous la forme d'un multi-filament torsadé, d'un multi-filament non torsadé, d'un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé.
[0034] Lors de la fabrication de tissus en fibre de carbone, il est habituellement nécessaire de produire des bobines de fibres de carbone, par exemple à partir de PAN
puis d'organiser ces fibres selon les tissages désirées. Ici, l'invention permet d'utiliser directement des fibres d'hydrocelluloses ayant été préalablement organisées, sous la forme de multi-filament ou d'ensemble de fibres. Le procédé selon l'invention permet ensuite, notamment grâce à l'étape de dépôt de lignine ou de dérivé de lignine sur lesdites fibres d'hydrocelluloses, et après une étape de carbonisation et éventuellement de graphitisation, de créer des multi-filaments ou ensemble de fibres, comme par exemple un tissu, en fibres de carbone présentant une densité réduite et des propriétés mécaniques avantageuses pour notamment, la fabrication de matériaux composites à
destination de l'automobile ou de l'aéronautique.
[0035] Ainsi, de façon préférée, le précurseur structuré 10 comprend un multi-filament torsadé, un multi-filament non torsadé, un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé. De façon encore plus préféré, le précurseur structuré 10 est un multi-filament torsadé, un multi-filament non torsadé, un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé.
[0036] Les multi-filaments torsadés pouvant être utilisés selon l'invention présentent par exemple un nombre de tours par mètre compris entre 5 et 2000 tours par mètre, de préférence entre 10 et 1000 tours par mètre [0037] Le précurseur structuré 10 selon l'invention peut comporter au moins une fibre d'hydrocellulose dont le diamètre est compris entre 0,5 lm et 300 11m, de préférence entre 1 lm et 50 m. En outre, de façon préférée le précurseur structuré 10 selon l'invention comporte au moins une fibre d'hydrocellulose continue présentant un diamètre régulier sur toute sa longueur, et notamment l'absence de fibrille. Cela permet d'améliorer la cohésion entre le dépôt de lignine et la fibre. Par diamètre régulier, il faut comprendre que le diamètre varie de moins de 20 %, de préférence moins de 10 % sur la longueur de la fibre.
[0038] Cette fibre d'hydrocellulose peut être obtenue par différents procédés de fabrication connus. Elle peut par exemple être obtenue selon le procédé de fabrication décrit dans la demande W02014064373. Les fibres d'hydrocellulose utilisées peuvent également être des fibres de Lyocell ou de viscose, dont la cellulose provient par exemple de bois ou de bambou.
[0039] La plupart des procédés de fabrication des fibres d'hydrocellulose repose sur la réalisation d'une préparation cellulosique à partir de cellulose dissoute, par exemple par du disulfure de carbone, du 4-Oxyde de 4-méthylmorpholine (N-Methylmorpholine-N-oxide NMMO) ou dans une solution d'acide (par exemple : acide ortho-phosphorique ou acide acétique), qui est ensuite utilisée pour former les fibres continues d'hydrocellulose suite à
une immersion dans un bain de coagulation contenant par exemple de l'acide sulfurique.
La fibre d'hydrocellulose utilisée dans le procédé de la présente invention comme précurseur, n'a pas fait l'objet d'une carbonisation préalable.
Précurseur non structuré (15) [0040] Le précurseur non structuré 15 comporte de la lignine ou un dérivé de lignine. La lignine représente 10 à 25 % de la biomasse terrestre de nature lignocellulosique et elle n'est aujourd'hui que peu valorisée par l'industrie. Ainsi, chaque année, plusieurs centaines de tonnes de lignine ou de dérivés de lignine sont produits sans valorisation possible. La lignine est présente principalement dans les plantes vasculaires (ou plantes supérieures) et dans quelques algues. C'est un polymère aromatique végétal dont la composition varie avec l'espèce végétale et formé généralement à partir de trois monomères phénylpropanoïdes : les alcools p-coumarylique, sinapylique et coniférylique comme illustré par les formules ci-après :
M =e0 OMe OMo OH OH OH
alcool p-coumarylique alcool sinapylique alcool coniférylique [0041] De façon préférée, le précurseur non structuré 15 comprend entre 1 et 50 % en masse de lignine ou d'un dérivé de lignine. De façon avantageuse, le précurseur non structuré 15 comprends entre 5% et 15% en masse de lignine ou d'un dérivé de lignine.
A cette concentration, le dépôt de lignine ou de dérivé de lignine est homogène tout en permettant une augmentation du rendement carbone de la fibre de carbone obtenue après l'étape de carbonisation 300.
[0042] En outre, le précurseur non structuré 15 se présente sous la forme d'une solution ayant une viscosité inférieure à 15 000 mPa.s-1 et de manière préférée, inférieure à
10 000 mPa.s-1 à la température à laquelle se déroule l'étape de combinaison 100. Avec
13 une telle viscosité, le dépôt de lignine ou de dérivé de lignine est plus homogène et permet d'obtenir une fibre de carbone continue ayant un diamètre régulier tout en permettant une augmentation du rendement carbone de la fibre de carbone obtenue après l'étape de carbonisation 300. Par diamètre régulier, il faut comprendre que de préférence, la fibre de carbone comporte un diamètre ne variant pas de plus de 20 %, de préférence par de plus de 10% sur sa longueur.
[0043] La viscosité de la solution est mesurée, à la température à laquelle se déroule l'étape de combinaison 100, par exemple grâce à un viscosimètre à écoulement libre, ou viscosité capillaire ou la méthode brookfield.
[0044] De façon particulière, le précurseur non structuré 15 utilisé dans le procédé de fabrication 1 est une solution aqueuse, ou une solution organique ou un mélange des deux. L'utilisation de précurseur non structuré 15 sous la forme d'une solution permet de maitriser le dépôt et son épaisseur. Par ailleurs, la composition de la solution peut être choisie en fonction des caractéristiques de la lignine ou du dérivé de lignine utilisé. De préférence, le précurseur non structuré 15 utilisé dans le procédé de fabrication 1 est une solution comprenant de l'eau et un solvant organique comme par exemple un alcool.
[0045] De façon avantageuse, le précurseur structuré 10 et/ou le précurseur non structuré 15 peuvent comporter des nanotubes de carbone, lesdits nanotubes de carbones étant présents à une concentration comprise entre 0,0001 % et 10 % en masse.
De préférence, ces nanotubes de carbone sont présents à une concentration comprise entre 0,01 % et 1 % en masse.
[0046] Les nanotubes de carbone (NTC) peuvent être du type mono paroi, double paroi ou parois multiples. Les nanotubes à double paroi peuvent notamment être préparés comme décrit par FLAHAUT et al dans Chem. Com. (2003), 1442. Les nanotubes à
parois multiples peuvent de leur côté être préparés comme décrit dans le document WO
03/02456. Les nanotubes ont habituellement un diamètre moyen allant de 0,1 à
100 nm, de préférence de 0,4 à 50 nm et, mieux, de 1 à 30 nm, voire de 10 à 15 nm, et avantageusement une longueur de 0,1 à 10 m. Leur rapport longueur/diamètre est de préférence supérieur à 10 et le plus souvent supérieur à 100. Leur surface spécifique est par exemple comprise entre 100 et 300 m2/g, avantageusement entre 200 et 300 m2/g, et leur densité apparente peut notamment être comprise entre 0,05 et 0,5 g/cm3 et plus préférentiellement entre 0,1 et 0,2 g/cm3. Les nanotubes multiparois peuvent par exemple comprendre de 5 à 15 feuillets (ou parois) et plus préférentiellement de 7 à
10 feuillets.
[0043] La viscosité de la solution est mesurée, à la température à laquelle se déroule l'étape de combinaison 100, par exemple grâce à un viscosimètre à écoulement libre, ou viscosité capillaire ou la méthode brookfield.
[0044] De façon particulière, le précurseur non structuré 15 utilisé dans le procédé de fabrication 1 est une solution aqueuse, ou une solution organique ou un mélange des deux. L'utilisation de précurseur non structuré 15 sous la forme d'une solution permet de maitriser le dépôt et son épaisseur. Par ailleurs, la composition de la solution peut être choisie en fonction des caractéristiques de la lignine ou du dérivé de lignine utilisé. De préférence, le précurseur non structuré 15 utilisé dans le procédé de fabrication 1 est une solution comprenant de l'eau et un solvant organique comme par exemple un alcool.
[0045] De façon avantageuse, le précurseur structuré 10 et/ou le précurseur non structuré 15 peuvent comporter des nanotubes de carbone, lesdits nanotubes de carbones étant présents à une concentration comprise entre 0,0001 % et 10 % en masse.
De préférence, ces nanotubes de carbone sont présents à une concentration comprise entre 0,01 % et 1 % en masse.
[0046] Les nanotubes de carbone (NTC) peuvent être du type mono paroi, double paroi ou parois multiples. Les nanotubes à double paroi peuvent notamment être préparés comme décrit par FLAHAUT et al dans Chem. Com. (2003), 1442. Les nanotubes à
parois multiples peuvent de leur côté être préparés comme décrit dans le document WO
03/02456. Les nanotubes ont habituellement un diamètre moyen allant de 0,1 à
100 nm, de préférence de 0,4 à 50 nm et, mieux, de 1 à 30 nm, voire de 10 à 15 nm, et avantageusement une longueur de 0,1 à 10 m. Leur rapport longueur/diamètre est de préférence supérieur à 10 et le plus souvent supérieur à 100. Leur surface spécifique est par exemple comprise entre 100 et 300 m2/g, avantageusement entre 200 et 300 m2/g, et leur densité apparente peut notamment être comprise entre 0,05 et 0,5 g/cm3 et plus préférentiellement entre 0,1 et 0,2 g/cm3. Les nanotubes multiparois peuvent par exemple comprendre de 5 à 15 feuillets (ou parois) et plus préférentiellement de 7 à
10 feuillets.
14 [0047] Un exemple de nanotubes de carbone bruts est notamment disponible dans le commerce auprès de la société ARKEMA sous la dénomination commerciale Graphistrength 0100. Alternativement, ces nanotubes peuvent être purifiés et/ou traités (par exemple oxydés) et/ou broyés et/ou fonctionnalisés, avant leur mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention. La purification des nanotubes bruts ou broyés peut être réalisée par lavage à l'aide d'une solution d'acide sulfurique, de manière à les débarrasser d'éventuelles impuretés minérales et métalliques résiduelles. L'oxydation des nanotubes est avantageusement réalisée en mettant ceux-ci en contact avec une solution d'hypochlorite de sodium. La fonctionnalisation des nanotubes peut être réalisée par greffage de motifs réactifs tels que des monomères vinyliques à la surface des nanotubes.
Combinaison (100) [0048] L'étape de combinaison 100 selon l'invention correspond à la mise en contact du précurseur structuré 10 avec le précurseur non structuré 15. Cette combinaison peut être réalisée par plusieurs méthodes alternatives, généralement à une température allant de -10 C à 80 C, de préférence de 20 C à 60 C. Par exemple, il est possible de réaliser un trempage, une pulvérisation ou une imprégnation (par exemple par foulardage). De préférence, l'étape de combinaison 100 est une imprégnation.
Stabilisation thermique et dimensionnelle (200) [0049] Le procédé de fabrication 1 selon l'invention comprend en outre une étape de stabilisation thermique et dimensionnelle 200 de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine 20 de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine 30.
[0050] L'étape de stabilisation thermique et dimensionnelle 200 peut comprendre un séchage permettant l'évaporation du solvant et/ou une ventilation. Le séchage peut être réalisé via une montée en température, par exemple comprise entre 50 C et 200 C. En effet, lorsque le précurseur structuré est traité avec un précurseur non structuré
comprenant un diluant ou solvant organique, il est souhaitable d'éliminer ensuite le diluant ou solvant, et par exemple de faire subir à cet article un traitement thermique pour chasser le diluant ou le solvant sous forme de vapeur.
[0051] Suite à cette étape, un film solide de lignine ou de dérivé de lignine est formé à la surface de la fibre. Ce film peut présenter des épaisseurs variables en fonction des paramètres utilisés dans le cadre du procédé tels que la viscosité de la solution ou la concentration en lignine ou dérivé de lignine.
[0052] De façon préférée, les étapes de combinaison 100 et de stabilisation thermique et dimensionnelle 200 peuvent être répétées une ou plusieurs fois. La répétition de ces 5 étapes permet d'augmenter la quantité de lignine ou de dérivé de lignine déposée sur la fibre ou l'ensemble de fibres d'hydrocellulose.
Carbonisation (300) [0053] Le procédé de fabrication 1 selon l'invention comprend en outre une étape de carbonisation 300 de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes 10 d'un dépôt de lignine 30 de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres hautement carboné 2.
[0054] Cette étape de carbonisation 300 peut être réalisée à une température comprise entre 250 C et 1000 C, de préférence supérieure à 300 C et de préférence inférieure à
600 C. L'étape de carbonisation 300 peut par exemple durer 2 à 60 minutes.
Cette étape
Combinaison (100) [0048] L'étape de combinaison 100 selon l'invention correspond à la mise en contact du précurseur structuré 10 avec le précurseur non structuré 15. Cette combinaison peut être réalisée par plusieurs méthodes alternatives, généralement à une température allant de -10 C à 80 C, de préférence de 20 C à 60 C. Par exemple, il est possible de réaliser un trempage, une pulvérisation ou une imprégnation (par exemple par foulardage). De préférence, l'étape de combinaison 100 est une imprégnation.
Stabilisation thermique et dimensionnelle (200) [0049] Le procédé de fabrication 1 selon l'invention comprend en outre une étape de stabilisation thermique et dimensionnelle 200 de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine 20 de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine 30.
[0050] L'étape de stabilisation thermique et dimensionnelle 200 peut comprendre un séchage permettant l'évaporation du solvant et/ou une ventilation. Le séchage peut être réalisé via une montée en température, par exemple comprise entre 50 C et 200 C. En effet, lorsque le précurseur structuré est traité avec un précurseur non structuré
comprenant un diluant ou solvant organique, il est souhaitable d'éliminer ensuite le diluant ou solvant, et par exemple de faire subir à cet article un traitement thermique pour chasser le diluant ou le solvant sous forme de vapeur.
[0051] Suite à cette étape, un film solide de lignine ou de dérivé de lignine est formé à la surface de la fibre. Ce film peut présenter des épaisseurs variables en fonction des paramètres utilisés dans le cadre du procédé tels que la viscosité de la solution ou la concentration en lignine ou dérivé de lignine.
[0052] De façon préférée, les étapes de combinaison 100 et de stabilisation thermique et dimensionnelle 200 peuvent être répétées une ou plusieurs fois. La répétition de ces 5 étapes permet d'augmenter la quantité de lignine ou de dérivé de lignine déposée sur la fibre ou l'ensemble de fibres d'hydrocellulose.
Carbonisation (300) [0053] Le procédé de fabrication 1 selon l'invention comprend en outre une étape de carbonisation 300 de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes 10 d'un dépôt de lignine 30 de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres hautement carboné 2.
[0054] Cette étape de carbonisation 300 peut être réalisée à une température comprise entre 250 C et 1000 C, de préférence supérieure à 300 C et de préférence inférieure à
600 C. L'étape de carbonisation 300 peut par exemple durer 2 à 60 minutes.
Cette étape
15 de carbonisation peut comprendre une montée progressive en température. La carbonisation a lieu en absence d'oxygène et de préférence sous une atmosphère d'azote.
La présence d'oxygène durant la carbonisation doit être limitée de préférence à 5 ppm.
[0055] De façon générale et comme cela est montré dans les exemples, les inventeurs ont montré que le procédé selon l'invention, permet, à propriétés mécaniques équivalentes, d'utiliser une température plus faible que les méthodes de l'art antérieur. Il y a donc une réduction de la quantité d'énergie nécessaire à la réalisation de ces fibres de carbone, soit une économie d'énergie.
Cette étape de carbonisation peut être réalisée en continue et peut être couplée à une étape d'étirage de la fibre de carbone de façon à améliorer les propriétés mécaniques de la fibre carbone obtenue.
Ensimage pré-carbonisation (210) [0056] Le procédé de fabrication selon l'invention peut comprendre en outre, avant l'étape de carbonisation 300, les étapes suivantes :
- une étape d'ensimage 210 consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine 30
La présence d'oxygène durant la carbonisation doit être limitée de préférence à 5 ppm.
[0055] De façon générale et comme cela est montré dans les exemples, les inventeurs ont montré que le procédé selon l'invention, permet, à propriétés mécaniques équivalentes, d'utiliser une température plus faible que les méthodes de l'art antérieur. Il y a donc une réduction de la quantité d'énergie nécessaire à la réalisation de ces fibres de carbone, soit une économie d'énergie.
Cette étape de carbonisation peut être réalisée en continue et peut être couplée à une étape d'étirage de la fibre de carbone de façon à améliorer les propriétés mécaniques de la fibre carbone obtenue.
Ensimage pré-carbonisation (210) [0056] Le procédé de fabrication selon l'invention peut comprendre en outre, avant l'étape de carbonisation 300, les étapes suivantes :
- une étape d'ensimage 210 consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine 30
16 avec une solution aqueuse comprenant au moins un composé ignifuge, ledit composé ignifuge pouvant être sélectionné parmi : le potassium, le sodium, le phosphate, l'acétate, le chlorure, et l'urée, et - une étape de séchage post ensimage 220.
[0057] Les étapes d'ensimage 210 et de séchage post ensimage 220 peuvent être répétées une ou plusieurs fois.
Graphitisation (400) [0058] Le procédé de fabrication selon l'invention peut comprendre en outre, après l'étape de carbonisation 300, une étape de graphitisation 400. Cette étape de graphitisation 400 peut être réalisée à une température comprise entre 1000 C
et 2800 C, de préférence supérieure ou égale à 1100 C et de préférence inférieure à 2000 C. L'étape de graphitisation 400 peut par exemple durer de 2 à 60 minutes, de préférence de 2 à 20 minutes. Cette étape de graphitisation 400 peut comprendre une montée progressive en température.
Ensimage post carbonisation (500) [0059] Le procédé de fabrication selon l'invention peut comprendre en outre, après l'étape de carbonisation 300, une étape d'ensimage 500 consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres hautement carbonés 2 avec une solution d'un composant organique pouvant comprendre au moins un Silane ou dérivé de Silane et/ou au moins un Siloxane ou dérivé de Siloxane. Cet ensimage 500 peut également être réalisé
après l'étape de graphitisation 400. Il améliore l'intégrité de la fibre et permet de la protéger de l'abrasion.
[0060] La solution comprenant au moins un Silane ou dérivé de Silane et/ou au moins un Siloxane ou dérivé de Siloxane est de préférence une solution aqueuse, une solution organique ou une émulsion aqueuse.
[0061] Selon un autre aspect, l'invention porte sur une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine 30 comme produit intermédiaire obtenu après l'étape de stabilisation thermique et dimensionnelle 200 du procédé de fabrication selon l'invention.
[0057] Les étapes d'ensimage 210 et de séchage post ensimage 220 peuvent être répétées une ou plusieurs fois.
Graphitisation (400) [0058] Le procédé de fabrication selon l'invention peut comprendre en outre, après l'étape de carbonisation 300, une étape de graphitisation 400. Cette étape de graphitisation 400 peut être réalisée à une température comprise entre 1000 C
et 2800 C, de préférence supérieure ou égale à 1100 C et de préférence inférieure à 2000 C. L'étape de graphitisation 400 peut par exemple durer de 2 à 60 minutes, de préférence de 2 à 20 minutes. Cette étape de graphitisation 400 peut comprendre une montée progressive en température.
Ensimage post carbonisation (500) [0059] Le procédé de fabrication selon l'invention peut comprendre en outre, après l'étape de carbonisation 300, une étape d'ensimage 500 consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres hautement carbonés 2 avec une solution d'un composant organique pouvant comprendre au moins un Silane ou dérivé de Silane et/ou au moins un Siloxane ou dérivé de Siloxane. Cet ensimage 500 peut également être réalisé
après l'étape de graphitisation 400. Il améliore l'intégrité de la fibre et permet de la protéger de l'abrasion.
[0060] La solution comprenant au moins un Silane ou dérivé de Silane et/ou au moins un Siloxane ou dérivé de Siloxane est de préférence une solution aqueuse, une solution organique ou une émulsion aqueuse.
[0061] Selon un autre aspect, l'invention porte sur une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine 30 comme produit intermédiaire obtenu après l'étape de stabilisation thermique et dimensionnelle 200 du procédé de fabrication selon l'invention.
17 [0062] Ce produit intermédiaire présente un ratio de la masse de fibre sur la masse de lignine ou dérivé de lignine compris entre 1/2 et 100/1, de préférence compris entre 2/1 et 95/1.
[0063] De plus, le dépôt de lignine de ce produit intermédiaire comprend entre 0,50 % et 50 % en masse de composé ignifuge, de préférence entre 2 % et 30 % en masse.
[0064] Selon un autre aspect, l'invention porte sur une fibre ou ensemble de fibres hautement carboné 2 susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention. De façon préférée et avantageuse, la fibre ou l'ensemble de fibres hautement carboné 2 présentent, après l'étape de carbonisation 300, une densité comprise entre 0,20 et 1,95 g/cm3, de préférence entre 1,45 et 1,80 g/cm3. De façon préférée, l'invention porte sur une fibre ou un ensemble de fibres hautement carboné 2 obtenu à partir de la combinaison d'un précurseur structuré 10 et d'un précurseur non structuré 15, ledit précurseur structuré
10 comporte une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, ledit précurseur non structuré 15 comporte de la lignine ou un dérivé de lignine et ladite fibre ou ensemble de fibres présente, après l'étape de carbonisation 300, une densité comprise entre 0,20 et 1,95 g/cm3, de préférence entre 1,45 et 1,60 g/cm3.
[0065] De façon plus préférée, les fibres ou ensemble de fibres hautement carboné 2 susceptibles d'êtes obtenus par le procédé selon l'invention présentent, après l'étape de carbonisation 300, une densité comprise entre 1,45 et 1,60 g/cm3 [0066] Selon un autre aspect, l'invention porte sur l'utilisation des fibres ou d'ensembles de fibre hautement carbonés susceptibles d'être obtenues via le procédé
de fabrication selon l'invention, pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables.
[0067] Selon un autre aspect, l'invention porte sur des matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables obtenus à partir des fibres fabriquées via le procédé de fabrication selon l'invention. Avantageusement, ces matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables présentent, pour un volume identique, un poids inférieur d'au moins 5 % au poids de matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables classiques.
[0063] De plus, le dépôt de lignine de ce produit intermédiaire comprend entre 0,50 % et 50 % en masse de composé ignifuge, de préférence entre 2 % et 30 % en masse.
[0064] Selon un autre aspect, l'invention porte sur une fibre ou ensemble de fibres hautement carboné 2 susceptible d'être obtenu par le procédé selon l'invention. De façon préférée et avantageuse, la fibre ou l'ensemble de fibres hautement carboné 2 présentent, après l'étape de carbonisation 300, une densité comprise entre 0,20 et 1,95 g/cm3, de préférence entre 1,45 et 1,80 g/cm3. De façon préférée, l'invention porte sur une fibre ou un ensemble de fibres hautement carboné 2 obtenu à partir de la combinaison d'un précurseur structuré 10 et d'un précurseur non structuré 15, ledit précurseur structuré
10 comporte une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, ledit précurseur non structuré 15 comporte de la lignine ou un dérivé de lignine et ladite fibre ou ensemble de fibres présente, après l'étape de carbonisation 300, une densité comprise entre 0,20 et 1,95 g/cm3, de préférence entre 1,45 et 1,60 g/cm3.
[0065] De façon plus préférée, les fibres ou ensemble de fibres hautement carboné 2 susceptibles d'êtes obtenus par le procédé selon l'invention présentent, après l'étape de carbonisation 300, une densité comprise entre 1,45 et 1,60 g/cm3 [0066] Selon un autre aspect, l'invention porte sur l'utilisation des fibres ou d'ensembles de fibre hautement carbonés susceptibles d'être obtenues via le procédé
de fabrication selon l'invention, pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables.
[0067] Selon un autre aspect, l'invention porte sur des matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables obtenus à partir des fibres fabriquées via le procédé de fabrication selon l'invention. Avantageusement, ces matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables présentent, pour un volume identique, un poids inférieur d'au moins 5 % au poids de matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables classiques.
18 [0068] L'exemple ci-après permettent d'illustrer l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif.
Description des matériaux de départ :
[0069] Le précurseur structuré utilisé est à base de fibres d'hydrocellulose (Rayonne) commercialisées par la société Cordenka.
[0070] Pour la formation du précurseur non structurée, la lignine a été
solubilisée dans un mélange Ethanol/Eau 60/40 à 60 C. Après 2h d'agitation, la solution a été
refroidie jusqu'à la température ambiante. La fraction précipitée a été filtrée. La solution finale contenait 10% en masse de lignine.
Préparation des fibres de carbone [0071] Etape 1 : imprégnation [0072] Les fibres d'hydrocellulose, le précurseur structuré, sont imprégnées par le précurseur non structuré, par passage en continu dans la solution de lignine à
une vitesse de 15 m/min.
[0073] Etape 2 : séchage [0074] Les fibres imprégnées de lignine ont été séchées en continu en passant par des fours à 140 C pour un temps de résidence de deux minutes environ.
[0075] Etape 3 : ensimage [0076] Les fibres comportant un dépôt de lignine ont été ensimées dans une formulation ignifuge en base aqueuse comprenant 160 g/dm3 de NH3CI et 20 g/dm3 d'Urée.
[0077] Etape 4 : séchage post ensimage [0078] Les fibres recouvertes d'un dépôt de lignine après l'ensimage ont fait l'objet d'une étape de séchage dans les mêmes conditions que l'étape 2.
[0079] Etape 5 : carbonisation [0080] La carbonisation a été réalisée, en continue, sous une atmosphère d'azote, à une température moyenne de 350 C pour une durée moyenne de 16 minutes.
[0081] Etape 6 : graphitisation [0082] La graphitisation a été réalisée à une température moyenne de 1100 C, sous une atmosphère d'azote, pour une durée moyenne de 16 minutes.
Description des matériaux de départ :
[0069] Le précurseur structuré utilisé est à base de fibres d'hydrocellulose (Rayonne) commercialisées par la société Cordenka.
[0070] Pour la formation du précurseur non structurée, la lignine a été
solubilisée dans un mélange Ethanol/Eau 60/40 à 60 C. Après 2h d'agitation, la solution a été
refroidie jusqu'à la température ambiante. La fraction précipitée a été filtrée. La solution finale contenait 10% en masse de lignine.
Préparation des fibres de carbone [0071] Etape 1 : imprégnation [0072] Les fibres d'hydrocellulose, le précurseur structuré, sont imprégnées par le précurseur non structuré, par passage en continu dans la solution de lignine à
une vitesse de 15 m/min.
[0073] Etape 2 : séchage [0074] Les fibres imprégnées de lignine ont été séchées en continu en passant par des fours à 140 C pour un temps de résidence de deux minutes environ.
[0075] Etape 3 : ensimage [0076] Les fibres comportant un dépôt de lignine ont été ensimées dans une formulation ignifuge en base aqueuse comprenant 160 g/dm3 de NH3CI et 20 g/dm3 d'Urée.
[0077] Etape 4 : séchage post ensimage [0078] Les fibres recouvertes d'un dépôt de lignine après l'ensimage ont fait l'objet d'une étape de séchage dans les mêmes conditions que l'étape 2.
[0079] Etape 5 : carbonisation [0080] La carbonisation a été réalisée, en continue, sous une atmosphère d'azote, à une température moyenne de 350 C pour une durée moyenne de 16 minutes.
[0081] Etape 6 : graphitisation [0082] La graphitisation a été réalisée à une température moyenne de 1100 C, sous une atmosphère d'azote, pour une durée moyenne de 16 minutes.
19 Caractéristiques des fibres de carbone obtenues Dépôt régulier [0083] Le dépôt de lignine sur la fibre d'hydrocellulose a été de 6-7% en masse. La quantification du dépôt de lignine en masse peut être obtenue par pesage de la fibre d'hydrocellulose avant l'étape 1 puis après l'étape 2 de séchage.
[0084] La figure 2 montre une image obtenue par microscopie à balayage électronique d'une coupe des fibres de carbone obtenues par le procédé selon l'invention.
Cette image montre que les fibres de carbone sont bien distinctes sans création d'agglomérat et que l'interface entre la fibre de carbone provenant de la fibre d'hydrocellulose et la lignine après graphitisation n'est pas visible.
[0085] Ces fibres de carbones présentent un diamètre compris entre 6 et 7 lm qui est plus grand que celui des fibres d'hydrocelluloses utilisées comme précurseur structuré
pour la fabrication de ces fibre de carbone.
Augmentation du rendement carbonique [0086] Le rendement carbonique (RC) a été calculé après la carbonisation :
RC = (m Matière carboné / m précurseur) x 100 Résultats de carbonisation sont les suivants :
Fibres hydrocellulose, sans dépôt de lignine, carbonisées (référence) 22%
Fibres hydrocellulose, avec dépôt de 7% de lignine, carbonisées (selon l'invention) 30%
[0087] Ainsi, la combinaison de fibres d'hydrocellulose avec de la lignine de façon à
former, avant carbonisation, des fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine permet de passer de 22% à 30 % de rendement carbonique soit une augmentation de plus de 36 %.
[0088] De plus, l'ajout de nanotubes de carbones dans le précurseur non structuré
contenant la lignine permet d'augmenter encore le rendement carbonique et d'atteindre des rendements carboniques de 35%, soit une augmentation globale de près de 60 % du rendement carbonique.
Optimisation des paramètres de procédé
Les conditions de température ont été ajustées pour obtenir les mêmes propriétés mécaniques des fibres, à partir de fibres d'hydrocellulose sans dépôt de lignine (référence) et à partir de fibres d'hydrocellulose ayant subi le procédé selon l'invention :
Contrainte à la rupture : 500-600 MPa, 5 Allongement : 4-5%, et Retrait/allongement des fibres, réglé à 0% (pas de retrait, pas d'étirage).
[0089] Ces fibres présentent un allongement à la rupture plus élevé que les fibres de carbone classiques.
[0090] Les résultats de température moyenne de ces essais sont présentés dans le 10 tableau ci-dessous :
T C Moyenne T C Moyenne T C Moyenne Séchage Carbonisation Graphitisation Fibre d'hydrocellulose sans dépôt de lignine (référence) Fibre d'hydrocellulose avec dépôt de 140 350 1100 lignine (selon l'invention) [0091] Ces résultats montrent que le procédé selon l'invention permet de diminuer la température nécessaire pour trois des étapes classiques de la fabrication de fibres de carbone. Cette réduction de température varie entre 20 et 55 % en fonction des étapes.
15 Elle correspond de façon plus générale à une diminution de l'énergie nécessaire pour transformer les fibres en fibres de carbone. Une telle économie d'énergie peut se traduire sur le plan industriel par une diminution des coûts de fabrication des fibres de carbone.
[0092] Ces exemples montrent que le traitement de précurseur hydrocellulose par lignine permet d'augmenter le rendement carbonique et de diminuer la température des fours
[0084] La figure 2 montre une image obtenue par microscopie à balayage électronique d'une coupe des fibres de carbone obtenues par le procédé selon l'invention.
Cette image montre que les fibres de carbone sont bien distinctes sans création d'agglomérat et que l'interface entre la fibre de carbone provenant de la fibre d'hydrocellulose et la lignine après graphitisation n'est pas visible.
[0085] Ces fibres de carbones présentent un diamètre compris entre 6 et 7 lm qui est plus grand que celui des fibres d'hydrocelluloses utilisées comme précurseur structuré
pour la fabrication de ces fibre de carbone.
Augmentation du rendement carbonique [0086] Le rendement carbonique (RC) a été calculé après la carbonisation :
RC = (m Matière carboné / m précurseur) x 100 Résultats de carbonisation sont les suivants :
Fibres hydrocellulose, sans dépôt de lignine, carbonisées (référence) 22%
Fibres hydrocellulose, avec dépôt de 7% de lignine, carbonisées (selon l'invention) 30%
[0087] Ainsi, la combinaison de fibres d'hydrocellulose avec de la lignine de façon à
former, avant carbonisation, des fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine permet de passer de 22% à 30 % de rendement carbonique soit une augmentation de plus de 36 %.
[0088] De plus, l'ajout de nanotubes de carbones dans le précurseur non structuré
contenant la lignine permet d'augmenter encore le rendement carbonique et d'atteindre des rendements carboniques de 35%, soit une augmentation globale de près de 60 % du rendement carbonique.
Optimisation des paramètres de procédé
Les conditions de température ont été ajustées pour obtenir les mêmes propriétés mécaniques des fibres, à partir de fibres d'hydrocellulose sans dépôt de lignine (référence) et à partir de fibres d'hydrocellulose ayant subi le procédé selon l'invention :
Contrainte à la rupture : 500-600 MPa, 5 Allongement : 4-5%, et Retrait/allongement des fibres, réglé à 0% (pas de retrait, pas d'étirage).
[0089] Ces fibres présentent un allongement à la rupture plus élevé que les fibres de carbone classiques.
[0090] Les résultats de température moyenne de ces essais sont présentés dans le 10 tableau ci-dessous :
T C Moyenne T C Moyenne T C Moyenne Séchage Carbonisation Graphitisation Fibre d'hydrocellulose sans dépôt de lignine (référence) Fibre d'hydrocellulose avec dépôt de 140 350 1100 lignine (selon l'invention) [0091] Ces résultats montrent que le procédé selon l'invention permet de diminuer la température nécessaire pour trois des étapes classiques de la fabrication de fibres de carbone. Cette réduction de température varie entre 20 et 55 % en fonction des étapes.
15 Elle correspond de façon plus générale à une diminution de l'énergie nécessaire pour transformer les fibres en fibres de carbone. Une telle économie d'énergie peut se traduire sur le plan industriel par une diminution des coûts de fabrication des fibres de carbone.
[0092] Ces exemples montrent que le traitement de précurseur hydrocellulose par lignine permet d'augmenter le rendement carbonique et de diminuer la température des fours
20 .. haute température pour la production de fibres de même qualité.
[0093] Ainsi, la présente invention comprend l'utilisation d'une ressource naturelle, la cellulose, à la base d'un précurseur structuré combiné avec une autre ressource naturelle, la lignine, comme précurseur non structuré pour obtenir une fibre de carbone ou un ensemble de fibre de carbone plus léger, plus efficace pour le rendement en carbonisation et donnant un matériau carbonisé à plus bas coût que les précurseurs tels que les fibres PAN.
[0093] Ainsi, la présente invention comprend l'utilisation d'une ressource naturelle, la cellulose, à la base d'un précurseur structuré combiné avec une autre ressource naturelle, la lignine, comme précurseur non structuré pour obtenir une fibre de carbone ou un ensemble de fibre de carbone plus léger, plus efficace pour le rendement en carbonisation et donnant un matériau carbonisé à plus bas coût que les précurseurs tels que les fibres PAN.
21 [0094] Les fibres de carbones obtenues par le procédé de l'invention peuvent avantageusement être utilisées en remplacement de la fibre de verre ou de la fibre de carbone classique pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables pouvant être utilisées notamment dans le domaine de l'aéronautique, de l'automobile, de l'éolien, du naval, la construction de bâtiment, le sport.
Ces fibres selon l'invention présentent plusieurs avantages en particulier une réduction du poids des structures car les fibres selon l'invention présentent une densité
inférieure aux fibres de verre et aux fibres de carbone classiques.
Ces fibres selon l'invention présentent plusieurs avantages en particulier une réduction du poids des structures car les fibres selon l'invention présentent une densité
inférieure aux fibres de verre et aux fibres de carbone classiques.
Claims (18)
1. Procédé de fabrication (1) d'une fibre ou d'un ensemble de fibres hautement carboné (2), caractérisé en ce qu'il comprend la combinaison (100) d'un précurseur structuré (10) comportant une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, et d'un précurseur non structuré (15), comportant de la lignine ou un dérivé de lignine, se présentant sous la forme d'une solution ayant une viscosité inférieure à 15 mPa.s -1, et de manière préférée inférieure à 10 000 mPa.s -1à, la température à
laquelle se déroule l'étape de combinaison (100), de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine ou dérivé
de lignine (20), ledit procédé comprenant en outre les étapes suivantes :
- une étape de stabilisation thermique et dimensionnelle (200) de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine (20) de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine ou dérivé de lignine (30), et - une étape de carbonisation (300) de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine (30) de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres hautement carboné (2).
laquelle se déroule l'étape de combinaison (100), de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine ou dérivé
de lignine (20), ledit procédé comprenant en outre les étapes suivantes :
- une étape de stabilisation thermique et dimensionnelle (200) de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes de ladite lignine (20) de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine ou dérivé de lignine (30), et - une étape de carbonisation (300) de la fibre ou de l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine (30) de façon à obtenir une fibre ou un ensemble de fibres hautement carboné (2).
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que le précurseur structuré (10) comprend un multi-filament torsadé, multi-filament non torsadé, un ensemble de fibres non tissé, ou un ensemble de fibres tissé.
3. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé
en ce que le précurseur non structuré (15) comprend entre 1 et 50 %, de préférence entre % et 15 % en masse de lignine ou d'un dérivé de lignine.
en ce que le précurseur non structuré (15) comprend entre 1 et 50 %, de préférence entre % et 15 % en masse de lignine ou d'un dérivé de lignine.
4. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le précurseur non structuré (15) est une solution aqueuse, ou une solution organique ou un mélange des deux.
5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le précurseur structuré (10) comporte au moins une fibre d'hydrocellulose dont le diamètre est compris entre 0,5 µm et 300 µm, de préférence entre 1 µm et 50 µm.
6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le précurseur structuré (10) et/ou le précurseur non structuré
(15) comporte des nanotubes de carbone, lesdits nanotubes de carbones étant présents à une concentration comprise entre 0,0001 % et 10 % en masse, et de préférence comprise entre 0,01 % et 1 % en masse.
(15) comporte des nanotubes de carbone, lesdits nanotubes de carbones étant présents à une concentration comprise entre 0,0001 % et 10 % en masse, et de préférence comprise entre 0,01 % et 1 % en masse.
7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de combinaison (100) est une imprégnation.
8. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes de combinaison (100) et de stabilisation thermique et dimensionnelle (200) sont répétées une ou plusieurs fois.
9. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, avant l'étape de carbonisation (300), les étapes suivantes :
- une étape d'ensimage (210) consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine (30) avec une solution aqueuse comprenant au moins un composé ignifuge, ledit composé ignifuge pouvant être sélectionné parmi : le potassium, le sodium, le phosphate, l'acétate, le chlorure, et l'urée, et - une étape de séchage post ensimage (220).
- une étape d'ensimage (210) consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine (30) avec une solution aqueuse comprenant au moins un composé ignifuge, ledit composé ignifuge pouvant être sélectionné parmi : le potassium, le sodium, le phosphate, l'acétate, le chlorure, et l'urée, et - une étape de séchage post ensimage (220).
10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que les étapes d'ensimage (210) et de séchage post ensimage (220) sont répétées une ou plusieurs fois.
11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape de carbonisation (300), une étape de graphitisation (400).
12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape de carbonisation (300), une étape d'ensimage (500) consistant à mettre en contact la fibre ou l'ensemble de fibres hautement carbonées (2) avec une solution comprenant au moins un composant organique pouvant comprendre au moins un Silane ou dérivé de Silane et/ou au moins un Siloxane ou dérivé de Siloxane.
13. Fibre ou ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine (30) comme produit intermédiaire obtenu après l'étape de stabilisation thermique et dimensionnelle (200) du procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ratio de la masse de fibre sur la masse de lignine ou dérivé de lignine est compris entre 1/2 et 100/1.
14. Fibre ou ensemble de fibres d'hydrocellulose recouvertes d'un dépôt de lignine (30) selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit dépôt comprend entre 0,50 %
et 50 % en masse de composé ignifuge, de préférence entre 2 % et 30 % en masse.
et 50 % en masse de composé ignifuge, de préférence entre 2 % et 30 % en masse.
15. Fibre ou ensemble de fibres hautement carboné (2) obtenues par le procédé
selon l'une des revendications 1 à 12.
selon l'une des revendications 1 à 12.
16. Fibre ou ensemble de fibres hautement carboné (2) obtenu à partir de la combinaison d'un précurseur structuré (10) et d'un précurseur non structuré
(15), caractérisé en ce que le précurseur structuré (10) comporte une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, en ce que le précurseur non structuré
(15) comporte de la lignine ou un dérivé de lignine et en ce que ladite fibre ou ensemble de fibres présente, après l'étape de carbonisation (300), une densité comprise entre 0,20 et 1,95 g/cm3, de préférence entre 1,45 et 1,60 g/cm3.
(15), caractérisé en ce que le précurseur structuré (10) comporte une fibre ou un ensemble de fibres d'hydrocellulose, en ce que le précurseur non structuré
(15) comporte de la lignine ou un dérivé de lignine et en ce que ladite fibre ou ensemble de fibres présente, après l'étape de carbonisation (300), une densité comprise entre 0,20 et 1,95 g/cm3, de préférence entre 1,45 et 1,60 g/cm3.
17. Utilisation des fibres ou d'ensembles de fibre hautement carbonés selon l'une des revendications 15 ou 16, pour la fabrication de pièces en matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables.
18. Matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissable obtenus selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'ils présentent pour un volume identique un poids inférieur d'au moins 5 % au poids de matériaux composites thermoplastiques ou thermodurcissables classiques.
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Legal Events
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Effective date: 20200917 |
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Effective date: 20200917 |
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| EEER | Examination request |
Effective date: 20200917 |
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| FZDE | Discontinued |
Effective date: 20230906 |