Lignin fibres prepared by coagulation : a promising precursor for carbon fibres
Fibres de lignine préparées par coagulation : un précurseur prometteur pour fibres de carbone
Résumé
Carbon fibres are currently used in composite materials for the aerospace, transportation and energy sectors. Their application in mass markets however is hindered by the high cost of the fibre raw materials. Therefore, alternative and inexpensive precursor materials are in high demand. Especially lignin, a widely abundant natural resource containing high quantities of carbon, is considered as an important candidate. So far, lignin fibres have mostly been prepared by melt-spinning and by blending with thermoplastic polymers to enhance their spinnability and mechanical properties, but strongly lowering their carbonization yields and raising their price. We propose lignin-based precursor fibres obtained through a continuous wet-spinning process. In combination with only small ratios of polyvinyl alcohol, highly flexible and infusible composite fibres, containing up to 70-90 % of industrial lignin, can be obtained.Our development enables us to manufacture carbon fibres in high yields which exhibit promising properties. Until now, lignin-based carbon fibres reported in literature do not reach the mechanical properties required for high-performance applications due to their amorphous carbon structure. However, by incorporation of liquid crystalline graphene oxide flakes or cellulose nanocrystals into our lignin precursor fibres, we are able to improve the orientation of the carbon planes obtained after carbonization. Our lignin-based fibre systems with enhanced structuration thus represent an important step towards the industrial implementation of lignin as “green” precursor material for low-cost and high-strength carbon fibres.
Les fibres de carbone sont actuellement utilisées dans les matériaux composites pour les secteurs de l'aérospatiale, l’aéronautique et les sports de compétition. Leur application sur les marchés de grande consommation est toutefois entravée par le coût élevé des matières premières et le procédé de carbonisation, notamment l’étape de stabilisation. Par conséquent,les matériaux précurseurs alternatifs et peu coûteux sont très demandés. La lignine, une ressource naturelle très abondante contenant de grandes quantités de carbone, est considérée comme un bon candidat. Jusqu'à présent, les fibres de lignine ont été principalement préparées par filage en voie fondue et en mélange avec des polymères thermoplastiques pour améliorer leur aptitude au filage et leurs propriétés mécaniques, mais en réduisant fortement leurs rendements de carbonisation et en augmentant leur prix. Nous proposons dans cette thèse des fibres précurseur à base de lignine obtenues par un procédé de filage en continu par coagulation. En combinaison avec de petites proportions d'alcool polyvinylique, on obtient des fibres composites hautement flexibles et infusibles, contenant jusqu'à 70-90 % de lignine industrielle. Notre développement nous permet de fabriquer des fibres de carbone avec des rendements de l’ordre de 30 % qui présentent des propriétés prometteuses. Jusqu'à présent, les fibres de carbone à base de lignine mentionnées dans la littérature n'atteignent pas les propriétés mécaniques requises pour des applications à hautes performances en raison de leur structure de carbone amorphe. Cependant, en incorporant des cristaux liquides de feuillets d'oxyde de graphène ou des nanocristaux de cellulose dans nos fibres précurseurs de lignine, nous pouvons améliorer l'orientation des plans de carbone obtenus après la carbonisation. Nos systèmes de fibres à base de lignine avec une structuration améliorée représentent donc une étape importante vers la mise en oeuvre industrielle de la lignine en tant que matériau précurseur «vert» pour les fibres de carbone à faible coût et à haute résistance.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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