Les déchets issus de la production de papier pourraient contribuer à la fabrication de matériaux automobiles plus résistants et à plus faible empreinte carbone.
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Des « armatures » microscopiques renforcent un nouveau type de fibre de carbone composé de nanotubes de carbone monocouches fonctionnalisés. Des ingénieurs de l’Université Washington de Saint-Louis (WashU) ont mis au point un procédé de fabrication permettant de valoriser la lignine, un déchet, et de renforcer davantage la fibre de carbone pour des applications dans les secteurs de l’automobile et de l’énergie. Crédit : Laboratoire Yuan
La fibre de carbone est un composant essentiel de l’industrie automobile, de l’aérospatiale et des infrastructures énergétiques, mais sa production repose principalement sur des produits dérivés du pétrole, coûteux et sources d’émissions de carbone. Et si la fibre de carbone était fabriquée à partir d’un déchet gratuit et aussi résistante, voire plus, que les produits pétrochimiques ? Des ingénieurs de l’Université Washington de Saint-Louis explorent cette possibilité dans une étude récemment publiée dans la revue Matter .
« Pour la première fois, cela nous permet de créer une fibre de carbone renouvelable répondant aux normes de qualité élevées utilisées dans l’industrie automobile », a déclaré Joshua Yuan, professeur titulaire de la chaire Lucy & Stanley Lopata et directeur du département d’ingénierie énergétique, environnementale et chimique de la faculté d’ingénierie McKelvey de l’université Washington de Saint-Louis (WashU). M. Yuan est également directeur du centre de recherche en ingénierie CURB (Carbon Utilization Redesign for Biomanufacturing) de la Fondation nationale pour la science (NSF) à WashU.
Remplacer le pétrole par la lignine
L’élément clé de ce travail réside dans l’utilisation d’un déchet appelé lignine, le deuxième biopolymère naturel le plus abondant sur Terre. La lignine est produite comme sous-produit des industries de la pâte à papier et du bioraffinage, et les méthodes d’élimination classiques de la lignine engendrent un impact environnemental considérable.
Des ingénieurs de l’Université Washington de Saint-Louis (WashU) ont cherché à déterminer s’il était possible d’utiliser la lignine pour améliorer les méthodes de production de la fibre de carbone. Ce matériau synthétique est traditionnellement fabriqué à partir de polyacrylonitrile (PAN), un dérivé du pétrole mélangé à des produits chimiques, filé à travers de minuscules buses pour former des fibres, lavé et étiré. Ce procédé de fabrication de la fibre de carbone est appelé « filage humide ». Cependant, le PAN est coûteux ; il représente jusqu’à 50 % du coût total de fabrication des fibres de carbone, ce qui limite son utilisation aux produits haut de gamme, a souligné Yuan.
En intégrant de la lignine, un matériau abordable et abondant, au procédé, l’équipe de WashU a constaté qu’elle pouvait réduire de moitié la quantité de PAN utilisée, diminuer les coûts de production de 25 % et réduire considérablement les émissions de carbone. Cependant, le nouveau produit en fibre de carbone qu’elle a créé devait encore répondre aux normes de l’industrie automobile en matière de résistance à la traction et de module d’élasticité.
Les nanotubes guident l’alignement des cristaux
Les chercheurs ont donc mis au point un autre procédé qui améliore considérablement les performances. Ce procédé consiste à intégrer des nanotubes de carbone à paroi unique dans la matrice polymère, agissant comme des armatures pour orienter la chimie de cristallisation. Cette innovation a révélé un nouveau principe de conception pour le développement de matériaux carbonés.
« L’alignement des cristaux est essentiel à la qualité des fibres de carbone », a déclaré Yuan.
Les nanotubes de carbone ont permis aux chercheurs de préparer une solution précurseur de lignine et de PAN. Cette solution a ensuite été extrudée en fibres pour le filage humide, puis traitée thermiquement afin de renforcer le produit.
Weiwei Li, chercheuse postdoctorale au sein du laboratoire de Yuan et première auteure de l’étude, a décrit ce travail comme une innovation en trois étapes.
La première étape consistait à créer une matrice de nanotubes capable de se mélanger harmonieusement à la lignine et au PAN, et permettant une cristallisation ou une orientation élevée, explique Li. La deuxième étape impliquait le traitement de cette solution précurseur par filage humide et par traitement thermique sous tension.
Enfin, une carbonisation optimisée a permis de renforcer pleinement la fibre. Ensemble, ces trois étapes ont permis de maximiser la teneur en cristallites, tandis que les nanotubes de carbone ont guidé leur orientation, créant ainsi un effet de renforcement et conférant à la fibre des propriétés mécaniques exceptionnelles.
« L’ensemble de ces éléments nous permet de créer une fibre de carbone renouvelable à base de lignine présentant une structure cristalline hautement alignée », a déclaré Yuan.
Marchés autres que l’automobile
L’industrie automobile n’est que le point de départ des marchés de la fibre de carbone optimisée ; celle-ci est utilisée dans de nombreux secteurs, des équipements sportifs aux éoliennes.
« La fibre de carbone renforce les plastiques et a de très nombreuses applications », a déclaré Yuan.
https://source.washu.edu/2026/09/clearing-the-way-for-renewable-carbon-fiber-production/