Brevet FR2801906A1 — publié le 20010608

La présente invention a pour objet un procédé de carbonisation de matériaux fibreux cellulosiques, en présence d'au moins un composé organosilicié ; ce, pour l'obtention de matériaux fibreux en carbone. Ladite carbonisation peut être mise en oeuvre aussi bien en continu qu'en discontinu. Les matériaux fibreux en carbone obtenus peuvent à leur tour être traités thermiquement (notamment graphitisés) pour générer des fibres présentant les propriétés recherchées. Les fibres de carbone à précurseur cellulosique ont été les premières fibres de carbone fabriquées dans le monde. A partir de tels précurseurs cellulosiques, EDISON, à la fin du siècle dernier, a obtenu des filaments pour ses lampes à incandescence (US-A-223 898). Le polyacrylonitrile s'est toutefois révélé pendant longtemps un précurseur plus adapté pour l'obtention de fibres de carbone à haute résistance et à haut module, plus particulièrement destinées aux renforts de matériaux composites. Cependant, des fibres de carbone ex-viscose sont utilisées depuis 1955 dans la fabrication de composites carbone/résine phénolique, employés comme protection thermique de propulseurs. Ces fibres, bas module, ont une conductivité thermique restreinte. La fabrication de ces fibres exige un précurseur de type rayonne particulier : une rayonne à texture cristalline désorientée (R. BACON, Carbon Fibres from Rayon Precursors, dans Chemistry and Physics of Carbon, 1973, Vol. 2, Marcel Dekker, New-York et P. OLRY, 14" Biennal Conférence on Carbon, 1979). Il s'est plus récemment révélé possible de carboniser, avec des résultats intéressants, des rayonnes d'un autre type, notamment des rayonnes très orientées, grâce à l'intervention, en cours de carbonisation, d'un dérivé organique du silicium. Ainsi, la carbonisation en continu de tissus ou de nappes unidirectionnelles de fibres de cellulose s'est révélé possible et a conduit à des tissus de carbone ou des fils de carbone, de résistance notablement améliorée par rapport à celle de tissus ou fils obtenus par le procédé classique (comprenant la précarbonisation en discontinu, puis la carbonisation en continu), à condition d'imprégner préalablement ledit tissu ou ladite nappe de quelques pour cent d'un produit organosilicié. Ceci a notamment été décrit dans les brevets russes RU 2045472 et 2047674. Ledit produit organosilicié y a été décrit comme un oligomère choisi parmi les polydiméthylphénylallylsilanes, les polysiloxanes, les polyméthylsiloxanes, les polysilazanes et les polyaluminoorganosiloxanes. En fait, sa nature exacte n'est pas vraiment précisée. Dans ledit brevet RU 2047674, il est également décrit l'intérêt de faire intervenir sur les substrats cellulosiques à carboniser, outre ledit produit organosilicié, un additif minéral dit "composé ignifugeant", tel NH,CI. Dans ce contexte, l'originalité de la présente invention réside dans la sélection de composés organosiliciés spécifiques -additifs de carbonisation de matériaux fibreux cellulosiques- particulièrement performants. Lesdits composés se sont révélés très efficaces pour améliorer les propriétés des fibres de carbone obtenues à l'issue de la carbonisation, ce, avec tout type de matériaux cellulosiques (rayonnes, fibrannes, notamment commerciales) carbonisés ; et, que ladite carbonisation soit conduite en continu ou en discontinu. En tout état de cause, si l'intervention desdits composés constitue un plus indéniable pour la mise en oeuvre de carbonisations en discontinu et en continu, elle se révèle indispensable pour la carbonisation en continu de certains substrats (elle rend possible ladite carbonisation en continu desdits substrats). La présente invention concerne donc l'utilisation d'une famille particulière de composés organosiliciés dans ledit contexte. La présente invention a en fait pour objet un procédé d'obtention de matériaux fibreux en carbone par carbonisation mise en oeuvre en continu ou en discontinu, en présence d'au moins un composé organosilicié, de matériaux fibreux cellulosiques. De façon caractéristique, ledit composé organosilicié est choisi dans la famille des polyhydrosiloxanes, cycliques, linéaires ou ramifiés, substitués par des groupes méthyles et/ou phényles, dont la masse moléculaire moyenne en nombre est comprise entre 250 et 10 000, avantageusement entre 2 500 et 5 000. On conçoit que l'augmentation de la résistance des filaments au cours de la carbonisation en présence de tels additifs, en comparaison de celle des filaments carbonisés sans additif, est due au pontage des chaînes carbonées en cours d'aromatisation par lesdits additifs et/ou leurs produits de transformation. Ce renforcement du réseau carboné n'a lieu qu'à la surface des fibres mais la diminution des défauts de surface qui en résulte entraîne une augmentation importante de la résistance des filaments. Ce renforcement, avec les additifs de l'invention, est d'une intensité remarquable. Il permet de contrer le retrait lors de la carbonisation et même d'étirer les fibres (jusqu'à 50 %) sans les rompre, ce qui assure une orientation de la texture desdites fibres et une diminution ou un réarrangement des pores internes. Il a permis d'obtenir, avec tout type de cellulose (celluloses à solvant, rayonnes pour pneus notamment), des filaments qui présentent des résistances de l'ordre de 1 500 à 2 000 MPa et des modules de l'ordre de 70 à 110 GPa. La famille des additifs utilisés selon l'invention est celle d'oligomères (oligomères, au vu de leur masse moléculaire moyenne en nombre, comprise entre 250 et 10 000, généralement entre 250 et 7 000, avantageusement entre 2 500 et 5 000) polyhydrosiloxanes. De tels oligomères - par le biais de leur masse moléculaire et de la présence des groupements méthyles et/ou phényles dans leur structure chimique, présentent une stabilité thermique adéquate (optimisée par rapport à celle de la cellulose, i.e. qu'ils sont stables jusqu'à la température de dégradation de la cellulose et susceptibles de réagir avec les produits de dégradation ladite cellulose à la température de dégradation de celle-ci) ainsi qu'une viscosité compatible avec leur utilisation ; - par le biais de la présence de fonctions réactives -SiH dans leur structure chimique, sont aptes à réagir via des réactions d'hydrosilylation, avec les produits de dégradation de la cellulose, au sein desquels des doubles liaisons se sont formées. Les propos développés dans le paragraphe ci-dessus, qui semblent fort logiquement expliquer les très bons résultats obtenus avec les additifs de cette famille, ont évidemment été développés a posteriori. Des polyhydrosiloxanes de ladite famille sont à ce jour disponibles sur le marché. Certains sont notamment commercialisés par la société Rhodia Silicones. Ces polyhydrosiloxanes interviennent avantageusement préalablement à la carbonisation ; les matériaux fibreux cellulosiques étant préalablement imprégnés de ceux-ci. Pour la mise en oeuvre d'une telle imprégnation, lesdits polyhydrosiloxanes interviennent généralement en solution dans un solvant, tel le perchloréthylène. Un tel solvant peut aisément être éliminé avant la carbonisation. On peut indiquer ici, de manière générale, que lesdits polyhydrosiloxanes, sélectionnés selon l'invention, interviennent, bien évidemment, en une quantité efficace, généralement à raison de 1 à 10 % en poids, par rapport au poids de matériaux cellulosiques. Il convient d'en mettre suffisamment pour observer l'effet escompté mais pas trop car alors on peut observer un effet de collage inopportun. L'homme du métier est à même d'optimiser la quantité d'intervention des composés organosiliciés dont l'utilisation est préconisée dans le cadre du procédé de l'invention. Les inventeurs ont également noté que l'effet bénéfique desdits composés organosiliciés pouvait encore être renforcé par l'intervention conjointe d'un additif minéral. Selon une variante préférée de mise en oeuvre du procédé de l'invention, les matériaux fibreux cellulosiques sont ainsi également imprégnés, avant leur carbonisation, d'au moins un additif minéral, acide ou base de Lewis. Ledit additif minéral peut notamment être choisi parmi les halogénures, les sulfates et les phosphates d'ammonium, de sodium, l'urée et leurs mélanges. Il consiste avantageusement en le chlorure d'ammonium (NH,C1) ou le phosphate diammonique [(NH,)_HPO,]. 11 peut ainsi être mis en oeuvre deux imprégnations successives du matériau fibreux cellulosique à carboniser (l'une avec un composé organosilicié, l'autre avec un additif minéral, dans un ordre quelconque). Avec intervention d'un tel additif minéral, il est possible d'obtenir des résultats très intéressants, notamment des résistances élevées pour les fibres de carbone et ce avec un rendement en carbone (de 25 à 30 %), amélioré par rapport à celui obtenu sans ledit additif (de 15 à 20 %). Comme déjà indiqué, les additifs de l'invention interviennent avantageusement, aussi bien dans des procédés de carbonisation mis en oeuvre en discontinu que dans des procédés de carbonisation mis en oeuvre en continu. On a vu qu'ils rendaient possibles la mise en oeuvre de certaines carbonisations en continu (carbonisations qu'il était seulement possible de mettre en oeuvre, selon l'art antérieur, en discontinu). Selon une variante de mise en oeuvre préférée, le procédé de l'invention est ainsi mis en oeuvre en continu. On rappelle enfin que le procédé de l'invention -carbonisation de matériaux fibreux cellulosiques en présence de composés organosiliciés spécifiques - est particulièrement intéressant, en ce qu'il permet de carboniser, efficacement, en discontinu et en continu, tout type de cellulose, conditionné sous différentes formes. Le matériau fibreux cellulosique peut notamment se présenter sous la forme de fils ou de surfaces textiles (tissus, tricots, feutres, nontissés, nappes unidirectionnelles, rubans unidirectionnels...). Ledit matériau fibreux cellulosique peut notamment consister en tout type de rayonne et de fibranne. Le procédé de l'invention est, en ceci, particulièrement intéressant : il conduit, mis en oeuvre avec des produits disponibles sur le marché, de grande diffusion, à des matériaux fibreux en carbone, de grande qualité. Selon l'art antérieur, de tels matériaux, de grande qualité ne pouvaient être obtenus qu'à partir de matériaux fibreux cellulosiques de types bien particuliers. On préconise donc la mise en oeuvre du procédé de l'invention l'intervention des composés organosiliciés décrits ci-dessus - dans la carbonisation de tels substrats cellulosiques, disponibles sur le marché, de grande diffusion tels les rayonnes à ce jour destinées au renforcement des pneumatiques. Bien évidemment, le champ d'application dudit procédé n'est pas limité à la carbonisation de ces substrats ... On se propose maintenant d'illustrer l'invention par les exemples ci-après. Exemple 1 Un fil de cellulose haute ténacité, 3680 dtex (type super 3), de résistance 50 cN/tex (diamètre des filament 12,7 Nm), est désensimé par le perchloréthylène puis imprégné de 2,5 % en poids d'un polyhydrophénylméthyl siloxane de viscosité 10 Pa.s, contenant 90 % de groupements -Si(CH,)2-, 5 % de groupements -Si(CH,)(C,HS)- et 5 % de groupements -Si(CH,) H- en plus des -S1(CH,)_H des bouts de chaine, de masse moléculaire moyenne en nombre 3 850, par passage dans une solution à 3 % en poids de ce polyhydrosiloxane dans le perchloréthylène. Après élimination du perchloréthylène, le fil de cellulose subit une pyrolyse en statique, jusqu'à 1 200 C, en retrait libre, suivant le profil thermique ci-après - à 170 C, pendant 90 min, sous air ; - à successivement: 230 C, 285 C, 315 C, 330 C, 400 C, 485 , 555 C et 655 C, pendant 5 min à chacune de ces températures, sous azote ; - à 1 200 C, pendant 2,5 min, sous azote. Cette pyrolyse mise en oeuvre en discontinu dans le cadre de l'exemple, peut tout à fait l'être en continu. Les filaments de carbone extraits du fil carbonisé ont une résistance à la rupture de 1 125 MPa et un module de 40 GPa, pour un diamètre de 5,8 Nm. Le retrait de carbonisation est de 40 % suivant l'axe des fibres. Le rendement de carbonisation est de 15,6 %. Exemple 2 Un fil de cellulose identique à celui de l'exemple 1 est désensimé par le perchloréthylène, puis imprégné de 2,5% en poids d'une résine polyhydrométhylsiloxane commercialisée par la société Rhodia Silicones (sous la référence : RHODORSIL RTV 141 B) par trempage dans une solution à 3 % en poids du produit dans le perchloréthylène. La pyrolyse se déroule en retrait libre suivant le profil thermique de l'exemple 1. Les filaments de carbone extraits du fil ont une résistance à la rupture de 1 100 MPa, un module de 40 GPa, un diamètre de 5,7 Nm. Le retrait de carbonisation est de 40 % suivant l'axe des fibres. Le rendement de carbonisation est de 15,2 %. Exemple 3 Un fil de cellulose identique à celui de l'exemple 1 est désensimé puis imprégné de l'additif organosilicié comme dans l'exemple 1. Il est ensuite également imprégné par 8 % en poids d'NH,Cl par passage dans une solution aqueuse à 13 % en poids dudit NH,CI. Le fil est séché à 100 C pendant 30 min et l'excès d'NH,CI est éliminé par un rinçage de quelques secondes à l'eau distillée. Ledit fil est séché à 100 C pendant 1 heure puis subit la pyrolyse jusqu'à 1 200 C comme dans l'exemple 1. La résistance à la rupture des filaments de carbone extraits dudit fil carbonisé est de 1 200 MPa et leur module de 45 GPa, pour un diamètre de 8,3 Nm. Le retrait en cours de carbonisation est de 32,3 %. Le rendement de carbonisation est de 30 %. Exemple 4 (exemple comparatif) Un fil de cellulose identique à celui de l'exemple 1 est désensimé au perchloréthylène puis, sans imprégnation par l'additif polyhydrosiloxane, il est pyrolysé suivant le profil thermique indiqué dans ledit exemple 1. La résistance à la rupture des filaments de carbone extraits des fils obtenus est de seulement 660 MPa, leur module est de 38 GPa. Le diamètre desdits filaments est de 5,8 Nm. Revendications 1. Procédé d'obtention de matériaux fibreux en carbone, par carbonisation en continu ou en discontinu, en présence d'au moins un composé organosilicié, de matériaux fibreux cellulosiques, caractérisé en ce que ledit composé organosilicié est choisi dans la famille des polyhydrosiloxanes, cycliques, linéaires ou ramifiés, substitués par des groupes méthyles et/ou phényles, dont la masse moléculaire moyenne en nombre est comprise entre 250 et 10 000, avantageusement entre 2 500 et 5 000. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, préalablement à ladite carbonisation, lesdits matériaux fibreux cellulosiques sont imprégnés dudit composé organosilicié. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, préalablement à ladite carbonisation, lesdits matériaux fibreux cellulosiques sont imprégnés d'au moins un additif minéral, acide ou base de Lewis. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit additif minéral est choisi parmi les halogénures, sulfates et phosphates d'ammonium, de sodium, l'urée et leurs mélanges et consiste avantageusement en le chlorure d'ammonium (NH4 Cl) ou le phosphate diammonique [(NH,),HPO,]. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite carbonisation est mise en oeuvre en continu. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite carbonisation est mise en oeuvre en discontinu. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que lesdits matériaux fibreux cellulosiques consistent en des fils ou en des surfaces textiles type tissus, tricots, feutres, nontissés, nappes unidirectionnelles ou rubans unidirectionnels. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits matériaux fibreux cellulosiques sont des produits disponibles sur le marché, de grande diffusion et notamment des rayonnes convenant au renforcement des pneumatiques.