Brevet FR3075227A1 — publié le 20190621

La pr6sente invention s'inscrit dans le domaine general de la fabrication de materiaux, notamment de materiaux composites, a base de fibres de carbone, a partir de materiaux biosources. Plus particulierement, la presente invention concerne un procede de fabrication d'une fibre de carbone, a partir d'un produit en coton, ainsi qu'une fibre continue a base de cellulose obtenue en tant que produit intermediaire lors de la mise en oeuvre d'un tel procede, et ainsi qu'une fibre de carbone et une nappe de fibres de carbone obtenues par un tel procede, et leur utilisation pour la fabrication d'un article en materiau composite. L'invention concerne egalement un procede plus global de fabrication d'un article en materiau composite a base de fibres de carbone distribuees dans une matrice de resine organique polymere, comprenant la mise en oeuvre d'un procede de fabrication d'une fibre de carbone selon ('invention, ainsi qu'un article en materiau composite obtenu par un tel procede. Les fibres de carbone sont utilisees dans de nombreux domaines, mettant a profit leurs proprietes mecaniques, electriques et thermiques particulierement avantageuses et leur faible poids. La fabrication de fibres de carbone a partir de matieres biosourcees renouvelables, afin de s'affranchir du probleme de l'epuisement programme des ressources fossiles, a fait ('objet de nombreuses recherches dans les dernieres decennies. II a en particulier 6t6 propose par l'art anterieur de fabriquer de telles fibres a partir de cellulose, un glucide macromoleculaire qui forme la paroi des cellules vegetales et qui constitue le principal composant du bois. La cellulose est la matiere organique la plus abondante sur la terre. Les fibres de carbone obtenues a base de cellulose presentent en particulier l'avantage d'une tres bonne structuration. Le coton en particulier represente l'un des types de fibres naturelles de cellulose les plus repandus. Les fibres de coton sont majoritairement constituees de cellulose, pour 92 a 95 % en masse. Elles constituent a ce titre la source naturelle la plus pure de cellulose. La cellulose y presente un haut 2 poids moleculaire, avec un degre de polymerisation compris entre 2 000 et 10 000. Depuis plusieurs decennies, it est consommé dans le monde une tress grande quantite de coton, cette quantite etant toujours croissante, en particulier 5 pour la fabrication de produits textiles divers, tels que les vetements, le linge de maison, les textiles d'ameublement, etc., mais aussi de produits d'hygiene ou a usage medical. Le recyclage du coton, notamment contenu dans les produits textiles usages, s'avere par consequent d'un grand interest, en particulier sur le plan ecologique. 10 II a ainsi ete propose par l'art anterieur de recycler le coton entrant dans la constitution de textiles usages pour diverses applications, et en particulier pour la fabrication d'articles en fibres de carbone. Une telle application du coton recyclee presente de nombreux avantages, d'un point de vue ecologique mais egalement d'un point de vue economique. Le prix de 15 revient du coton usage est en effet largement inferieur a celui des materiaux precurseurs classiques, tels que la cellulose purifiee, notamment issue de l'industrie papetiere, ou encore le polyacrylonitrile. Un tel art anterieur est notamment illustre par la publication de Jagdale et al., 2017, dans Manufacturing Rev. 4, 10: 1-9, qui propose de soumettre un 20 tissu en fibres de coton a un traitement par pyrolyse, pour former un tissu en fibres de carbone. II a maintenant ete decouvert par les presents inventeurs que les fibres de coton usagees issues de produits, notamment textiles, peuvent non seulement etre utilisees telles quelles pour la fabrication d'articles en fibres de 25 carbone, mais qu'elles peuvent egalement, et tress avantageusement, etre soumises a un procede de filage conventionnel, pour former des fibres a base de cellulose individuelles et continues qui peuvent etre mises en oeuvre pour de nombreuses applications, et qui sont particulierement adaptees pour une application en tant que precurseurs de fibres de carbone, notamment pour la 30 fabrication de materiaux composites a base de telles fibres. 3 La presente invention vise ainsi a proposer un procede permettant de recycler le coton contenu dans les produits en coton pour former, a bas prix, des fibres de carbone continues, qui soient utilisables pour de nombreuses applications, et en particulier pour la fabrication d'articles en materiaux 5 composites. A cet effet, it est propose selon la presente invention un procede de fabrication d'une fibre de carbone, a partir d'un produit en coton, tel qu'un produit textile, notamment un produit d'habillement, d'ameublement ou de lingerie de maison, par exemple un drap, un vetement de travail, un tee-shirt, 10 un polo, un pantalon, etc., ou un produit d'hygiene ou a usage medical, confectionne en coton. Le terme coton est ici utilise, de maniere classique en elle-meme, pour designer une fibre cellulosique naturelle, issue des poils seminaux a la surface des graines du cotonnier. 15 Le procede de fabrication d'une fibre de carbone selon ('invention comprend des etapes successives de : a/ preparation d'une fibre a base de cellulose, comprenant : all la collecte d'un produit constitue en coton, de preference a ('exclusion de toute autre matiere. Un tel produit est notamment designe par 20 ('expression REVENDICATIONS1. Proc6d6 de fabrication d'une fibre de carbone, caracterise en ce qu'il comprend des etapes de : a/ preparation d'une fibre a base de cellulose, comprenant : al/ la collecte d'un produit en coton, a2/ le traitement mecanique dudit produit pour en extraire le coton sous forme de courtes fibres discontinues, dites fibres de recyclage, a3/ la dissolution desdites fibres de recyclage dans une solution solvant, pour former une solution dite de filage, a4/ la fabrication d'une fibre continue par un procede de filage en voie solvant, a5/ le cas echeant, l'etirage de la fibre continue a base de cellulose obtenue, b/ et la carbonisation de ladite fibre continue a base de cellulose pour former une fibre de carbone. 2. Procede de fabrication d'une fibre de carbone selon la revendication 1, selon lequel dans l'etape a3/ lesdites fibres de recyclage sont melangees a de la cellulose purifi6e. 3. Procede de fabrication d'une fibre de carbone selon l'une quelconque des revendications 1 a 2, selon lequel dans l'etape a3/ la concentration en fibres de recyclage, le cas echeant en mélange de fibres de recyclage et de cellulose purifiee, dissoutes dans la solution solvant, est comprise entre 1 et 50 % en poids, de preference entre 5 et 30 % en poids. 4. Procede de fabrication d'une fibre de carbone selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, selon lequel une charge carbonee de taille nanometrique, notamment choisie parmi les nanotubes de carbone et le 23 graphene, seuls ou en melange, est ajoutee a la solution de filage, de preference dans une concentration comprise entre 1 ppm et 5 % en poids par rapport au poids de fibres de recyclage, le cas echeant par rapport au poids du mélange de fibres de recyclage et de cellulose purifiee, dissoutes dans ladite 5 solution solvant lors de ladite etape a3/. 5. Procede de fabrication d'une fibre de carbone selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, comprenant une etape de formation d'une nappe de fibres a base de cellulose a partir d'une pluralite de fibres continues a base de cellulose obtenues a l'etape a4/ ou a5/, et selon lequel 10 l'etape b/ de carbonisation de ladite fibre continue a base de cellulose est realisee par carbonisation de ladite nappe de fibres continues a base de cellulose, pour former une nappe a base de fibres de carbone. 6. Fibre de carbone obtenue par un procede de fabrication d'une fibre de carbone selon l'une quelconque des revendications 1 a 4. 15 7. Fibre de carbone selon la revendication 6, caracterisee par une resistance a la contrainte superieure a 1 200 MPa et un module de Young superieur a 75 GPa. 8. Fibre continue a base de cellulose obtenue a ('issue de l'etape a/ d'un procede de fabrication d'une fibre de carbone selon l'une quelconque des 20 revendications 1 a 5. 9. Fibre continue a base de cellulose selon la revendication 8, caracterisee par un diametre compris entre 10 et 30 i.tm, une resistance comprise entre 20 et 40 cN/tex et un module de Young compris entre 15 et 30 GPa. 25 10. Nappe de fibres de carbone obtenue a partir de fibres de carbone selon l'une quelconque des revendications 6 a 7. 11. Nappe de fibres de carbone obtenue par un procede de fabrication d'une fibre de carbone selon la revendication 5. 24 12. Utilisation d'une fibre de carbone selon la revendication 6, d'une nappe de fibres de carbone selon la revendication 10 ou d'une nappe de fibres de carbone selon la revendication 11 pour la fabrication d'un article en materiau composite a base de fibres de carbone distribuees dans une matrice 5 de resine organique polymere. 13. Procede de fabrication d'un article en materiau composite a base de fibres de carbone distribuees dans une matrice de resine organique polymere, caracterise en ce qu'il comprend : - la mise en oeuvre d'un procede de fabrication d'une fibre de carbone 10 selon l'une quelconque des revendications 1 a 4 et la formation d'une nappe de fibres de carbone a partir d'une pluralite des fibres de carbone obtenues, ou la mise en oeuvre d'un procede de fabrication d'une fibre de carbone selon la revendication 5 pour former une nappe a base de fibres de carbone, - et la fabrication dudit article en materiau composite a partir d'une 15 pluralite de nappes de fibres de carbone ainsi obtenues. 14. Article en materiau composite a base de fibres de carbone distribuees dans une matrice de resine organique polymere obtenu par un procede de fabrication selon la revendication 13.