CSIRO fait progresser les fibres de carbone : qualité supérieure, résistance accrue et économies de coûts

Équipe carbone du CSIRO

Avec 5 000 employés, 55 sites, huit unités opérationnelles et un budget d'environ 1 milliard de dollars, les projets du CSIRO couvrent un large éventail de sujets — impression 3D, biopolymères, implants médicaux, vêtements intelligents, astronomie/exploration spatiale — et impliquent plus de 2 800 partenaires chaque année. « Le CSIRO a inventé et breveté le Wireless LAN », explique Abbott, « et utilise ces revenus pour financer d'autres recherches. »

L'un de ses 55 sites se trouve dans la Silicon Valley, en Californie. CSIRO US connecte les chercheurs australiens avec des projets aux États-Unis pour accélérer les avancées scientifiques dans des domaines tels que l'espace, l'agriculture, la conservation de l'eau, les incendies de forêt et les villes intelligentes. L'objectif est un partenariat d'innovation ouverte qui rassemble des compétences de recherche approfondies ainsi qu'une expérience avec une large gamme de problèmes réels.

« Dans les composites, le CSIRO développe de nouvelles résines et techniques de traitement », poursuit-il. « Nous faisons également beaucoup de travail dans la modélisation des composites et les simulations de procédés, ainsi que la mesure des propriétés des fibres de carbone. Par exemple, nous avons développé de nouveaux instruments pour mesurer le module transversal de la fibre de carbone, que nous utilisons ensuite pour améliorer notre modélisation et nos simulations. »

« Le CSIRO a une relation stratégique de 30 ans avec Boeing », dit Abbott. « Nous avons été reconnus comme fournisseur technologique de l'année de Boeing en 2016 et 2017. » L'équipe carbone du CSIRO collabore également avec l'Université du Sud du Mississippi (Hattiesburg, Mississippi, États-Unis).

Ligne pilote de filage humide

Pour mener les recherches nécessaires sur les précurseurs de fibres de carbone, le CSIRO a d'abord dû établir sa propre ligne de filage humide. « La fibre de carbone n'est fabriquée que par une poignée de fabricants dans le monde, chacun détenant ses propres recettes secrètes brevetées », a expliqué le directeur général du CSIRO, le Dr Larry Marshall, lors du lancement de la nouvelle ligne en 2017. La ligne pilote a été construite sur mesure par MAE (Fiorenzuola d'Arda, Italie), un fabricant de machines spécialisé dans les équipements de procédés polymères et fibres. « Elle est conçue comme une ligne commerciale mais à plus petite échelle », explique Abbott.

Dans un blog du CSIRO, le fonctionnement de la ligne est décrit en utilisant l'analogie de la fabrication de pâtes. Similaire à la pâte utilisée pour faire des pâtes, une solution polymère appelée « dope » est utilisée pour filer la fibre précurseur PAN. Tout comme la pâte à pâtes est pétrie puis pressée à travers une filière pour faire de longs fils fins de spaghettis, le dope est mélangé puis coagulé et filé à travers une filière multi-trous pour produire 500 à 12 000 brins séparés de fibre PAN — tous plus fins qu'un cheveu humain. Ces fibres sont lavées, étirées sur des rouleaux, stabilisées dans une série de solutions, étuvées et séchées avant d'être enroulées pour la ligne de carbonisation chez Carbon Nexus.

« Cela nous a pris beaucoup de temps pour comprendre pleinement comment fabriquer de la fibre de carbone et la matière première précurseur », dit Abbott. « Personne ne voulait vraiment nous aider, donc nous avons dû apprendre principalement par nous-mêmes. Maintenant, cependant, nous avons un contrôle total sur le processus de précurseur, qui est la clé, et nous travaillons avec Carbon Nexus pour la carbonisation. »

Polymérisation RAFT

Un autre outil qu'applique le CSIRO est sa technologie RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer), brevetée et commercialisée. Le RAFT est une forme sophistiquée de polymérisation radicalaire contrôlée qui permet la synthèse de polymères sur mesure avec un contrôle sans précédent sur la composition et l'architecture. Bien que les applications du RAFT vont des nouveaux systèmes d'administration de médicaments aux lubrifiants et revêtements industriels, l'équipe carbone du CSIRO l'utilise pour exercer un contrôle sur le processus de polymérisation du PAN.

« La polymérisation conventionnelle du monomère au polymère produit une polydispersité large — en d'autres termes, beaucoup de longueurs différentes pour les chaînes polymères », explique Melissa Skidmore, chef d'équipe chimie des polymères au CSIRO. « Si nous ajoutons un agent RAFT, cependant, nous obtenons maintenant des chaînes polymères de longueurs presque identiques, et donc une distribution de poids moléculaire beaucoup plus étroite. Nous utilisons toujours les mêmes initiateurs, monomères et solvants, mais en ajoutant simplement le RAFT. »

« Le poids moléculaire affecte la viscosité de la solution de filage », dit Skidmore. « Traditionnellement, un poids moléculaire plus élevé dans les solutions de dope a conduit à des surfaces rainurées sur les fibres précurseurs. L'ajout de RAFT diminue la viscosité des solutions de dope, conduisant à un chargement en solides plus élevé. L'élimination du polymère à très haut poids moléculaire peut résulter en un meilleur alignement moléculaire dans la fibre et des propriétés améliorées. » Elle ajoute que le faible poids moléculaire a un effet plastifiant sur les fibres. « Le RAFT produit des polymères PAN qui pourraient produire des fibres précurseurs plus denses, plus uniformes avec moins de défauts structurels. Cela pourrait également aider à accélérer la carbonisation et à réduire les coûts. »

« Cela nous donne également accès à des architectures polymères complexes », note Skidmore. « Le RAFT permet une manipulation chimique supplémentaire du groupe polymère. » Un exemple où cela s'avère utile est lorsque la solution de dope est manipulée pour coaguler en fibres. « Il y a un équilibre délicat entre les caractéristiques idéales de la solution de dope polymère et les conditions de coagulation », ajoute-t-elle. « Le polymère est à 95 % PAN et 5 % additifs. Parce que les polymères RAFT se comportent différemment, nous pensons pouvoir réduire certains des additifs traditionnels et convertir un pourcentage plus élevé en fibre à haut taux de solides, ce qui conduit à moins de défauts. Nous testons cela actuellement. »

Bien que ce ne soit pas actuellement l'objectif principal, le RAFT est également extrêmement intéressant pour sa capacité à ajouter de la fonctionnalité pendant la polymérisation. Par exemple, les chercheurs ont examiné comment fabriquer des composites avec une forte capacité d'adsorption pour la capture de CO2 (c.-à-d., le CO2 adhérerait aux surfaces moléculaires du composite). Les composites multifonctionnels sont déjà recherchés par les fabricants d'avions et de véhicules électriques. De nouveaux types de PAN et de fibres de carbone avec des fonctionnalités ajoutées pourraient devenir une solution importante pour les composites futurs.

Procédé FLOW continu

« Avec le RAFT, nous gagnons le contrôle sur la polymérisation », dit Abbott. « Avec FLOW, nous avons plus de contrôle sur la formation de la fibre. »

FLOW convertit la polymérisation en un processus continu plutôt que par lots. Abbott et Skidmore expliquent que les réacteurs par lots utilisés actuellement sont bien établis, faciles à mettre en place et efficaces pour le mélange et la surveillance de la cinétique de réaction, mais ils nécessitent également un volume plus grand que les réacteurs de processus continu, ce qui rend la mise en place à l'échelle industrielle coûteuse. Ces réacteurs par lots à plus grand volume sont également inefficaces en termes d'espace et de consommation d'énergie. Les réacteurs de processus continu sont plus petits et moins chers, faciles à mettre à l'échelle, plus économes en énergie et offrent un contrôle de processus supérieur et une meilleure reproductibilité par rapport au traitement par lots. Cependant, parce qu'ils constituent une ligne dédiée et continue, ils sont moins flexibles pour basculer entre différents paramètres et produits.

Il y a aussi des avantages en matière de sécurité et de durabilité. « Actuellement, la production de PAN est écologiquement insoutenable, en particulier en ce qui concerne la toxicité », dit Skidmore. « Rendre le processus de polymérisation continu améliore la sécurité, car les agents réactifs qui sont toxiques, odorants et inflammables sont isolés et manipulés par des équipements automatisés. Cependant, cela augmentera la complexité des lignes, qui nécessitent un degré de surveillance et de contrôle plus élevé. » Bien que cela nécessite un développement supplémentaire, Abbott voit la polymérisation FLOW comme un point positif : « La fibre de carbone est intrinsèquement variable, donc tout ce que vous pouvez faire pour réduire cette variabilité améliore les propriétés. »

CarbonSpec – mesurer pour gérer

L'outil final de l'approche carbone du CSIRO est CarbonSpec. « C'est essentiellement de la métrologie que nous avons développée pour tester les fibres que nous produisons et mieux comprendre la relation propriété-matériau », explique Pierlot. « Si vous ne pouvez pas le mesurer, vous ne pouvez pas l'améliorer. Nous sommes également mieux capables de prédire les propriétés des fibres de carbone à partir d'une quantité minimale de mesures sur le PAN et la fibre de carbone. »

« Dans l'industrie de la fibre de carbone, il est standard d'utiliser la tomographie computée (CT) par rayons X de synchrotron pour déterminer la microstructure de vos fibres », dit Pierlot. (Un synchrotron est un accélérateur de particules de la taille d'un terrain de football qui génère des rayons X très brillants dirigés vers une ligne de faisceau adjacente pour l'imagerie, etc.) « Avec l'aide du personnel de la ligne de faisceau du Synchrotron australien, un nouveau protocole de caractérisation dédié a été développé pour scanner la microstructure de fibres individuelles de précurseur PAN et de fibres de carbone. Une carte de microstructure de fibres individuelles aussi petites que 5 microns de diamètre est obtenue en quelques minutes. Le signal SAXS aide à comprendre le développement des pores dans les fibres, tandis que le signal WAXS aide à identifier les paramètres de microstructure critiques pour optimiser le module de la fibre. En utilisant les deux signaux simultanément, nous pouvons surveiller et optimiser la résistance mécanique et la rigidité à chaque phase du processus de production, du dope PAN à la fibre de carbone. »

Pierlot note qu'au sein de CarbonSpec, l'équipe développe également de nouveaux instruments et méthodes de test. « Par exemple, nous mesurons le module et la résistance transversaux en plus des propriétés axiales normalement rapportées des fibres. Nous pensons pouvoir utiliser la nouvelle méthode que nous avons développée pour cela pour mesurer également la résistance à la compression axiale. Cette dernière a longtemps été un défi car le diamètre d'une seule fibre de carbone ou PAN est très petit (5–10 µm), ce qui rend difficile l'application d'une véritable contrainte de compression axiale sans provoquer de flambage. »

Augmentation de 20 % de la résistance, fibres de carbone de prochaine génération

« Nous avons amélioré notre compréhension de la conversion du polymère en fibre et produisons maintenant de la fibre commerciale », dit Abbott. « Nous appliquons ces outils technologiques à d'autres polymères précurseurs pour fabriquer du SIROPAN, qui est la version CSIRO du PAN utilisant le RAFT. Nous pouvons désormais produire des kilogrammes de cette fibre. »

« L'étape suivante est d'évaluer les avantages de l'utilisation des polymères RAFT », poursuit-il. « Nous fabriquons toujours du PAN, mais nous contrôlons mieux le poids moléculaire et l'augmentons tout en abaissant la viscosité, ce qui peut produire une fibre de carbone plus résistante. De combien plus résistante ? « Nous ne sommes pas encore sûrs, mais notre objectif est 20 % plus résistante », dit Abbott. « Nous savons que 10 % plus résistant n'est pas une amélioration suffisante pour rendre le changement de précurseur financièrement viable — 20 % est le minimum nécessaire selon l'industrie. »

• Développer de nouveaux polymères précurseurs via RAFT (polymères de haute qualité ou propriétés différentes)
• Développer des procédés polymères commercialement compétitifs (FLOW)
• Comprendre la conversion du polymère en filage (filage humide) pour un coût inférieur et des propriétés supérieures
• Comprendre l'influence des propriétés du précurseur sur les propriétés de la fibre de carbone, mieux prédire les propriétés de la fibre de carbone et optimiser le processus sur la base de ces mesures et prédictions (CarbonSpec)
• Produire des fibres de carbone sur mesure pour des applications finales spécifiques en concevant le PAN et la fibre carbonisée

« L'industrie de la fibre de carbone croît de 10 % chaque année », dit Abbott. « Nous aimerions nous associer à des acteurs industriels bien établis et/ou nouveaux qui s'intéressent à l'amélioration de la qualité, la performance, le coût et la durabilité de la fibre de carbone. »

« Nous testons six formulations précurseurs différentes et les carboniserons chez Carbon Nexus », ajoute Skidmore. « Nous espérons avoir des résultats d'ici la fin de cette année. Il faut un certain temps pour passer du polymère RAFT à une fibre blanche, puis par la carbonisation. »

Abbott ajoute : « Nous voulons des résultats solides d'ici la fin de l'année, mais nous sommes là pour le long terme. »

Cette recherche est soutenue par le Science and Industry Endowment Fund.