Blends of lignin and polyamides, a renewable alternative for new organic fibers and carbon fiber precursors
Les mélanges polyamides et lignine, une alternative renouvelable pour la réalisation de nouvelles fibres organiques et de précurseurs pour fibres de carbone
Résumé
Carbon fibers (CF) are the essential reinforcing material in high performance composite industry. They are generally produced from polyacrylonitrile (PAN), a costly precursor from fossil origin, and are mainly used in high added-value sectors. Alternative bio-sourced and low-cost precursors are being considered in order to get rid of the PAN for weight reduction in automotive industry. Lignin, which has long been identified among the precursors of cheap renewable origin, is now available in industrial quantities and qualities. However, its variability and molecular complexity often require the production of hybrid precursors. Combination with other polymers makes it possible to retain the advantages of each of the constituents (cost, processability, mechanical properties, etc.). The work presented in this manuscript, stems from this observation and focusses on the use of blends of lignin and thermoplastic polyamides. Different types of polyamides (PA11, PA12, PEBA) are studied in a molten mixtures with a hardwood lignin extracted via the organosolv process. The materials are characterized by calorimetric, thermogravimetric, rheological and mechanical analyzes. It is shown that the hydrophilicity of the block copolymer PEBA leads to a total miscibility of the lignin; making it possible the integration of a high proportion of material from renewable sources. PA 11, although immiscible, has a high affinity with lignin molecules. These mixtures lead to blends with mechanical properties comparable to that of the neat polymer while containing a strong amount of renewable components. Moreover, the carbonization of these materials leads to the formation of carbon fibers, with modest properties but still comparable with the existing lignin based CFs.
La fibre de carbone (FC) est un matériau incontournable de l’industrie composite haute performance. Elaborée dans sa grande majorité à partir d’un précurseur couteux et d’origine fossile, le Polyacrylonitrile (PAN), elle est principalement utilisée dans des secteurs à forte valeur ajoutée. Des précurseurs bio-sourcés et peu couteux alternatifs sont envisagés afin de s’affranchir du PAN pour l réduction de poids dans l’industrie automobile. La lignine, depuis longtemps identifiée parmi les précurseurs d’origine renouvelable bon marché, est aujourd’hui disponible en quantité et qualité industrielles. Cependant, sa variabilité et sa complexité moléculaire, nécessitent bien souvent la réalisation de précurseurs hybrides. L’association avec d’autres polymères permet de garder les avantages de chacun des constituants (cout, mise en oeuvre, propriétés mécaniques…). Les travaux présentés dans ce manuscrit, découlent de ce constat et s’orientent sur l’utilisation d’alliage lignine et de thermoplastiques polyamides. Différents types de polyamides (PA11, PA12, PEBA) sont étudiés en mélange par voie fondu avec une lignine de feuillu extraite via le procédé organosolv. Les matériaux sont caractérisés par analyses calorimétriques, thermogravimétriques, rhéologiques et mécaniques. Il est montré que le caractère hydrophile du copobloc PEBA conduit à une miscibilité totale de la lignine permettant d’intégrer une forte part de matière d’origine renouvelable. Le PA 11, bien que non miscible, présente néanmoins une forte affinité avec les molécules de lignines. Ces mélanges conduisent à des alliages aux propriétés mécaniques comparables à celles de la matrice polymère tout en contenant une forte composante renouvelable. De plus, la carbonisation de ces matériaux conduit à la formation de fibre de carbone aux propriétés modestes mais comparables avec les FC exLignine existantes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)