Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet de recherche européen IMS&CPS (Innovative Material Synergies & Composite Processing Strategies), et vise à développer de nouvelles fibres à base d’un polymère thermoplastique thermostable : le polyéthersulfone (PES) chargé en nanotubes de carbone (NTC). Le principal objectif du projet est l’alignement, l’orientation et l’intégration des NTC dans des matériaux composites structuraux afin d’obtenir des propriétés mécaniques, thermiques et électriques améliorées, en vue de la protection des pièces contre les interférences électromagnétiques (EMI) et la foudre. L’utilisation des NTC comme charges conductrices permettra d’intégrer la fonction de conductivité électrique dans les fibres PES, puis dans le composite final par dissolution de ces dernières et migration des NTC dans la matrice composite époxy. Une première partie de cette étude concerne la conductibilité et les propriétés de tenue au feu des nanocomposites PES/NTC après extrusion. Dans une seconde partie, deux procédés pour la mise en œuvre des fibres sont étudiés : le filage en voie fondue et le filage en voie solvant. Le procédé en voie fondue du PES nécessite l’introduction d’un plastifiant et l’adaptation de panneaux radiants afin d’améliorer la filabilité et de réduire les températures de mise en œuvre de ce polymère thermostable. Des fibres de PES contenant jusqu’à 1,5 % de NTC en masse ont ainsi pu être obtenues. Une pré-orientation et un alignement des NTC sont observés dans l’axe de production des fibres. Un procédé de tissage a ensuite permis une orientation en 2D des NTC. Le filage en voie solvant du PES permet une incorporation d’un taux plus élevé de NTC (2 % en masse). Des fibres semi-conductrices sont obtenues avec un seuil de percolation électrique situé aux alentours de 1 % de NTC en masse. Dans les deux méthodes de mise en œuvre, une corrélation entre le procédé utilisé, la morphologie, la tenue mécanique et la conduction électrique de chacune des fibres est effectuée. L’évolution de la morphologie et des propriétés électriques des fibres après dissolution du PES dans la résine époxy est aussi abordée montrant une amélioration significative de la conductivité électrique dans la matrice composite. / This study falls within the framework of the European project IMS&CPS (Innovative Material Synergies & Composite Processing Strategies) and aims at developing new carbon-nanotubes-based thermostable polyethersulfone (PES) fibres. The main goal of this project is the alignment, orientation and integration of carbon nanotubes (CNT) in structural composite materials in order to obtain improved mechanical, thermal and electrical properties, for shielding against electromagnetic interference (EMI) and protection against lightning strike. Using CNT as conductive fillers allows the improvement of electrical conduction inside the fibres and then in the composites by the fibres’ dissolution and the CNT migration in the epoxy composite matrix. A first part focuses on the conductibility and the fire behaviour of the nanocomposites PES/CNT. In a second part, melt and wet spinning were studied as methods for producing nanocomposite fibres. To process PES/CNT by melt spinning it was necessary to add a plasticizer and adapt the heating panels, and this allowed PES melt-spun fibres containing up to 1.5 wt. % CNT to be obtained. CNT pre-orientation and alignment in the production axis of the fibres was also noticed. Then, a weaving process permitted CNT orientation in different directions. Using the wet spinning process, a higher CNT content (2 wt. %) was incorporated in the PES fibres. An electrical percolation threshold of around 1 wt. % CNT incorporated in the PES wet-spun fibres was reached. In both spinning methods, a correlation between processing, morphologies, mechanical and electrical properties of the elaborated fibres was established. The evolution of the fibres’ morphologies and electrical properties after their dissolution in epoxy resins is also mentioned and reveals a significant improvement of their electrical conductivity in the composite matrix.

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. / 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.