Les piles à combustible, les membranes de filtration, les adhésifs, voire même les pneus, autant d'applications susceptibles d'être améliorées par la confection de matériaux nanofibreux par électrospinning. C'est autour de ce procédé émergent que Michelin, le CNRS et l'Université de Strasbourg unissent leurs compétences au sein du laboratoire commun SpinLab, dont l'inauguration a eu lieu le lundi 15 avril à Strasbourg. Sur une période de quatre ans, ces partenaires s'attelleront à l'élaboration d'une plateforme d’électrospinning dans le but de fabriquer des matériaux fibreux innovants et distinctifs, destinés à un large éventail d'applications dans les domaines du transport et de l'énergie.
Les techniques traditionnelles telles que le tissage, ou plus récemment le spunbond et le meltblown pour l’obtention de textiles non tissés les textiles non tissés tels que le spunbond et le meltblown, montrent leurs limites en matière de taille diamètre des fibres, de maîtrise de la morphologie, de consommation énergétique et de gamme de matériaux utilisables. « Par exemple, le tissage permet une fabrication rapide des fibres, mais il ne permet la manipulation de fibres de taille relativement importante, ce qui restreint les applications nécessitant des fibres ultrafines telles que les filtres, commente Guy Schlatter, directeur du laboratoire SpinLab et professeur à l’Université de Strasbourg. Les technologies pour produire des textiles non tissés ont progressé pour produire des matériaux fibreux dont le diamètre est de l’ordre du micron. Cependant, celles-ci sont énergivores, offrent un contrôle limité sur la morphologie des fibres produites, et surtout sont restreintes en termes de types de polymères utilisables. »
Alors que ces techniques textiles recourent à l'action de forces mécaniques pour former et déposer les fibres, un procédé alternatif a émergé depuis les années 2000 : l’électrospinning, qui exploite les forces électrostatiques pour élaborer des fibres continues dont le diamètre est de 100 à 1000 fois plus fin que celui d'un cheveu, et les assemble sous forme d'un mat non tissé, dont l'architecture peut être contrôlée avec des fonctionnalités améliorées pour différentes applications. Une voie explorée par Michelin depuis 2023 en collaboration avec l'Institut de Chimie et Procédés pour l'Énergie, l'Environnement et la Santé (ICPEES) de l'Université de Strasbourg, dans le cadre de SpinLab.
Une fibre plus fine et structurée
L'électrospinning permet l'élaboration de membranes nanofibreuses à partir de solutions polymériques. Concrètement, sous l'influence d'un champ électrique intense, généré par des tensions pouvant atteindre plusieurs dizaines de kV, un jet de polymère en solution est émis depuis l'extrémité d'une goutte pendante. Chargé électriquement en surface, ce jet est promptement accéléré et étiré. Le solvant, lors de la propagation du jet dans l'air, s'évapore, laissant place à une fibre nanométrique de polymère, recueillie sur un substrat.
Cette procédure permet la conception de membranes constituées de fibres de diamètres variant de l'échelle nano à microscopique (de l'ordre de 50 nm à 1 μm). Elle offre également la possibilité de structurer le dépôt des fibres de manière précise, en exploitant astucieusement le champ électrique. Enfin, son troisième avantage réside dans sa polyvalence quant aux matériaux employés. « Tous les polymères peuvent être mis en oeuvre par cette technique, et l'on peut même envisager la création de matériaux inorganiques tels que des fibres de carbone ou des oxydes métalliques, souligne l’enseignant-chercheur. Cette capacité à manier une variété étendue de matériaux offre des perspectives innovantes pour de nombreuses applications, incluant la conception de fibres métalliques, ouvrant ainsi de nouveaux horizons dans le domaine des matériaux fonctionnels. »
Une plateforme unique en France
Afin de contribuer à son déploiement à l'échelle nationale, le géant mondial de la pneumatique s'est entouré de l'équipe « Electrospinning et Nanofabrication pour la Santé et l'Énergie », dirigée par Guy Schlatter, au sein de l'ICPEES. Cette équipe, œuvre depuis plus de quinze ans au développement de nouveaux procédés d'électrospinning permettant de régir les structures tant au niveau de la nanofibre que de la membrane nanofibreuse.
Dans SpinLab, les travaux se concentreront tout d'abord sur la mise en place d'une plateforme d'électrospinning « inédite en France, voire en Europe ». Occupant une superficie d'environ cinquante mètres carrés, au sein de l'université de Strasbourg, elle complètera les équipements originaux d’electrospinning déjà disponibles à l’ICPEES. Elle sera dotée de deux lignes pilotes d’électrospinning permettant de produire en continu des membranes nanofibreuses de 30 cm de large avec une uniformité et un rendement représentatifs de la fabrication à l'échelle industrielle. L’une de ces deux lignes sera un système « fait maison », il est actuellement en cours de développement entre les équipes de l’ICPEES et de Michelin. Cette machine « SpinLab », unique en son genre, sera, en outre, équipée de caméras rapides et d’instruments de mesures qui permettront l’étude fines des interactions entre les nanofibres afin de pouvoir manipuler ces dernières grâce à l’action des forces électrostatiques au moment de leur dépôt. Il sera alors possible de produire des assemblages fibreux avec des motifs variés.
Une recherche transversale
Cette plateforme offrira à une quinzaine de chercheurs l'opportunité de travailler, au cours des quatre prochaines années, sur deux axes fondamentaux au sein de SpinLab. Le premier axe de recherche est théorique, il se concentre sur les paramètres du procédé et la caractérisation des fibres produites. Les chercheurs recrutés se pencheront de manière approfondie et transversale sur les mécanismes physiques et physico-chimiques permettant d'obtenir des matériaux nanofibreux multi-composants, dont la morphologie et la composition fibreuse sont rigoureusement contrôlées.
« Notre objectif est de maîtriser l'agencement des nanofibres dans le matériau final. Cette microstructuration permet de réguler la porosité, l'anisotropie du dépôt des fibres (qu'il s'agisse de structures alignées, en étoile, ou autre), ainsi que la composition chimique à l'échelle de quelques dizaines de micromètres, afin de conférer à ces matériaux des propriétés mécaniques et physiques spécifiques. Cela ouvre la voie à de nouvelles applications telles que l'ingénierie tissulaire, les matériaux composites, les capteurs et la filtration », souligne Guy Schlatter.
Les chercheurs s'attacheront également à surmonter l'un des principaux obstacles techniques : l'utilisation de solvants. « Pour leur mise en œuvre par électrospinning, les polymères sont dissous dans un solvant qui peut présenter une toxicité. Ce dernier s'évapore au cours de la fabrication des nanofibres, ce qui nécessite de protéger les opérateurs et de récupérer les vapeurs de solvant pour éviter toute pollution de l’air, pointe-t-il. Notre objectif est de développer des alternatives à l’emploi de ces solvants toxiques. Différentes approches physico-chimiques sont en cours de recherche et permettront, dans certains cas, de pouvoir substituer les solvants par de l’eau. »
Etudier les applications de l’électrospinning
Le deuxième axe de recherche sera structuré autour de deux domaines d'application spécifiques. Le premier concerne les piles à combustible à hydrogène. « L'intégration de fibres présentant des architectures maîtrisées peut avoir une incidence significative sur certains des éléments d’une pile à combustible, dont la partie active est constituée d’une structure multicouche d'une épaisseur de quelques dizaines de microns. Par conséquent, l'utilisation de fibres fines pourrait améliorer certaines des propriétés de ces éléments », précise le professeur. Une autre thèse est consacrée à l’utilisation de nanofibres fonctionnelles afin d’améliorer les propriétés d’adhésifs.
À terme, ce laboratoire commun a vocation à être renouvelé et devrait permettre à Michelin d'appliquer ce procédé à la fabrication de matériaux composites et architecturés pour ses pneumatiques, mais aussi d'étendre ses compétences aux matériaux composites à haute valeur ajoutée par électrospinning, pour des applications dépassant le cadre de son secteur d'activité historique.
