Des matériaux avancés à base de fibres de carbone pourraient être utilisés dans des applications allant des pales d’éoliennes aux implants biomédicaux, grâce à la mise au point d’une matière première à base de fibres de carbone à faible coût.
Les fibres de carbone ont été filées à partir de mélanges synergiques d’huiles lourdes de faible valeur issues du raffinage du pétrole brut par des membres de la plateforme de recherche sur les énergies propres de la KAUST. Ces travaux pourraient non seulement faciliter l’adoption des fibres de carbone à plus grande échelle, mais aussi créer de nouvelles utilisations durables pour les huiles résiduelles, à mesure que le monde passe à des systèmes énergétiques alternatifs.
« Le pétrole brut est une ressource dont le potentiel dépasse largement celui des carburants », précise Edwin Guevara Romero, chercheur dans les laboratoires de Mani Sarathy, qui a dirigé les travaux. « L’utilisation des résidus pétroliers comme matières premières pour la fabrication de matériaux à base de carbone est une application innovante et de grande valeur des ressources dérivées du pétrole, qui ouvre la voie à la diversification économique », ajoute-t-il.
La fibre de carbone est de plus en plus demandée dans de nombreuses industries en raison de ses propriétés exceptionnelles, notamment sa résistance mécanique et sa durabilité élevées, son faible poids, sa stabilité thermique et sa conductivité électrique. L’un des facteurs limitants est son coût élevé, qui s’explique en grande partie par le coût élevé du précurseur de carbone, le polyacrylonitrile (PAN), utilisé pour la fabriquer.
Le coût élevé du PAN a incité à rechercher d’autres matières premières. « Les résidus pétroliers pourraient constituer une alternative rentable et abondante », explique M. Guevara. Pour ses recherches, l’équipe a ciblé les composants les plus lourds et les plus complexes – et traditionnellement les plus difficiles à traiter – des huiles résiduelles, à savoir les asphaltènes et les résines.
Auparavant, les asphaltènes ont été testés comme matières premières pour les fibres de carbone. Cependant, les efforts pour filer ces matériaux en fibres ont été limités par leur tendance à se casser, et le rendement en fibres de carbone de l’étape finale du traitement thermique de carbonisation était relativement faible.
« Des études antérieures sur les résidus pétroliers ont suggéré que les résines stabilisent les molécules d’asphaltènes, soulignant leur forte affinité moléculaire », explique M. Guevara. « Nous avons donc émis l’hypothèse que le mélange d’asphaltènes et de résines pourrait créer une matière première synergique pour la production de fibres de carbone. »
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L’équipe a montré que le mélange présentait plusieurs avantages par rapport aux asphaltènes seuls en tant que matières premières pour les fibres de carbone. Il présentait de meilleures caractéristiques d’écoulement et pouvait être filé à une température plus basse, ce qui réduisait la consommation d’énergie. L’équipe a également observé moins de ruptures de brins pendant le filage et a obtenu un rendement plus élevé après l’étape de carbonisation. « Cela améliore la viabilité du processus en maximisant la conversion du matériau précurseur en produit final de fibre de carbone », ajoute M. Guevara.
Les fibres de carbone obtenues sont également de grande qualité. Les propriétés de nos fibres sont comparables à celles des « fibres de carbone isotropes », qui sont couramment utilisées dans les applications nécessitant des performances mécaniques modérées à élevées.
« Traditionnellement, les résidus pétroliers sont utilisés dans des applications de très faible valeur telles que le revêtement des routes. En extrayant les asphaltènes et les résines les plus lourds pour la fabrication de fibres de carbone de grande valeur, les huiles résiduelles restantes peuvent également être traitées plus facilement pour produire des carburants plus propres ou de petites molécules précieuses, ce qui améliore encore l’aspect économique du processus », indique encore Mani Sarathy.
Les chercheurs peaufinent actuellement le mélange d’huiles résiduelles afin de maximiser l’interaction chimique entre les composants et d’améliorer encore les caractéristiques physiques des fibres. Ils collaborent également avec Saudi Aramco pour développer le processus. « Notre objectif premier est de produire des fibres de carbone de haute performance et de passer ensuite à un processus industriel », conclut M. Sarathy. « Cela permettra à l’Arabie saoudite de disposer d’un produit unique et économiquement compétitif qui pourra être commercialisé dans le monde entier. »
Guevara, E., Wehbe, N. AlAbbad, M., Cardenas Alvarez, A., Yuan, Y., Li, X., Lubineau, G. & Sarathy, S. M. On the effect of resins in asphaltenes-based carbon fibers. Fuel 385, 134154 (2025).| article
Légende illustration : Les fibres de carbone sont très demandées en raison de leurs propriétés exceptionnelles. En utilisant des résidus pétroliers, les chercheurs de KAUST ont mis au point une méthode peu coûteuse pour produire des fibres de carbone de haute qualité.
