Procédé de pré-oxydation et de carbonatation des fibres de carbone
Le précurseur de fibre de carbone, la fibre de polyacrylonitrile (PAN) provenant de la zone de déroulage, est relativement sec. Après humidification par pulvérisation atomisée, il est moins susceptible de s'agglomérer, ce qui lui permet de pénétrer dans le système. Four de pré-oxydation pour une meilleure série de réactions.
La pré-oxydation est une étape clé de la production de fibres de carbone. Après cette étape, le précurseur passe d'une chaîne moléculaire linéaire à une structure en échelle résistante à la chaleur, qui fixe l'oxygène et le carbone pour la carbonisation ultérieure. Ce processus comprend une série de réactions telles que la cyclisation, l'oxydation et la déshydrogénation. La structure linéaire initiale, dominée par les liaisons σ, génère un grand nombre d'électrons π délocalisés, formant une structure conjuguée responsable de la couleur. Le précurseur passe progressivement du blanc pur au noir : blanc → ambre clair → beige → brun clair → brun → noir. Au cours de ce processus, le PAN subit une réaction chimique qui élimine de nombreuses petites molécules et entraîne des modifications structurales. Une force d'étirement est nécessaire pour éviter la désorientation de la structure de la fibre et garantir sa résistance. La température de pré-oxydation se situe entre 200 °C et 300 °C. Aux alentours de 240 °C, la teneur en oxygène augmente rapidement et une réaction chimique se produit. Durant ce processus, la température du four est maintenue uniforme et l'air de circulation élimine les petites molécules et autres impuretés ainsi que la chaleur générée par la réaction, assurant ainsi la continuité de la pré-oxydation. Ce processus, long (80 à 100 minutes), limite la productivité de la production de fibres de carbone. L'atelier utilise trois fours de pré-oxydation pour pré-oxyder les fibres simultanément, leur offrant ainsi un temps de réaction suffisant pour une alimentation continue de la chaîne de production.
La fibre brute PAN est transformée en fibre pré-oxydée avec 8 à 10 % d'oxygène par pré-oxydation, puis entre dans le Four de carbonisation Pour la carbonisation, la température du four de carbonisation à basse température se situe entre 300 °C et 800 °C, divisée en plusieurs intervalles. La fibre pré-oxydée est carbonisée progressivement sous atmosphère inerte pour former une structure de graphite turbostratique primaire. Lors de la pré-oxydation, la fibre subit des réactions de pyrolyse et de polycondensation, générant une grande quantité de gaz résiduaires et de goudrons. Ces derniers doivent être évacués rapidement par l'orifice d'échappement afin de garantir une production stable. La température de carbonisation à haute température se situe entre 1000 °C et 1600 °C, généralement autour de 1400 °C. Au cours de ce processus, la fibre pré-oxydée subit des réactions supplémentaires pour former une structure de graphite turbostratique et libérer de petites molécules. La carbonisation induit une modification de la structure moléculaire, et une force d'étirement doit être appliquée pour assurer l'orientation de cette structure.
Afin d'optimiser l'utilisation des fibres de carbone dans la production de matériaux composites, il est nécessaire de traiter leur surface pour améliorer le contact. Ce traitement, réalisé par oxydation anodique, utilise une alimentation électrique pulsée pour graver la surface des fibres et y créer des groupements fonctionnels oxygénés. Une tension d'environ 10 V est appliquée, générant un courant d'environ 25 A. Un électrolyte neutre de bicarbonate d'ammonium est utilisé.
Les filaments de carbone sont nettoyés par immersion lors du lavage à l'eau afin d'éliminer les impuretés, telles que l'électrolyte, présentes à leur surface, en vue de l'étape d'emboutissage ultérieure. La température de l'eau est maintenue à environ 50 °C pendant le lavage, puis un séchage à environ 100 °C est effectué.
La fibre de carbone est un matériau fragile, sujet à des phénomènes indésirables tels que le peluchage lors des étapes de transformation ultérieures. L'apprêtage permet d'améliorer significativement les propriétés de surface de la fibre de carbone. Après apprêtage, une couche protectrice se forme à la surface du filament, assurant un bon regroupement des filaments, une meilleure résistance à l'usure, une réduction du peluchage lors des transformations ultérieures et une diminution de l'absorption d'eau. La fibre ainsi préparée est plus facile à ouvrir et à dilater, ce qui améliore sa stabilité, les propriétés de la surface de contact dans le matériau composite et sa résistance. L'apprêtage utilise une méthode d'imprégnation pour déposer une couche d'agent d'apprêt sur chaque monofilament. Après séchage, une fine couche protectrice se forme, achevant ainsi l'apprêtage. Durant ce processus, l'agent d'apprêt doit être réparti uniformément sur la surface de la fibre, sans zones mortes ni zones surchargées, afin de garantir un apprêtage homogène. Après l'encollage, après séchage (environ 180℃), la fibre de carbone finie peut être obtenue en collectant les filaments.
Mots clés : fibre de carbone, fibre de polyacrylonitrile, PAN, pré-oxydation, carbonatation