La fibre de carbone devient de plus en plus courante. Comment sera-t-elle recyclée ?

La fibre de carbone est un matériau léger et durable, devenu courant dans les secteurs de l'automobile, de l'éolien, de l'aérospatiale et de la robotique. Ce matériau composite avancé offre une résistance et peut être moulé pour s'adapter à presque toutes les applications. Il est donc devenu une option très populaire. Cette popularité a notamment suscité des interrogations quant au traitement des déchets de fibre de carbone issus des produits mis au rebut. Voici tout ce que vous devez savoir.

Polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP)

Les fibres de carbone peuvent être disposées selon différents motifs et enrobées de résines matricielles pour créer des polymères renforcés de fibres de carbone. Ce matériau présente un excellent rapport résistance/poids, ce qui lui a permis de devenir un composant essentiel des équipements, des procédés de fabrication et des processus de production d'énergie les plus avancés d'aujourd'hui.

Élimination de la fibre de carbone

Une fois qu'un produit contenant de la fibre de carbone devient un déchet, ce matériau durable et toujours précieux doit être extrait. La structure complexe des pièces en fibre de carbone et l'incapacité à remodeler les époxydes une fois durcis continuent de faire de la gestion des déchets une préoccupation majeure. C'est pourquoi plusieurs nouvelles méthodes de recyclage ont vu le jour au cours des dernières années.

Méthodes de recyclage traditionnelles

Malheureusement, la plupart des méthodes de recyclage traditionnelles les plus populaires ne fonctionnent pas ou nécessitent une énorme quantité d'énergie pour être mises en œuvre, ce qui élimine tout avantage financier. L'utilisation de produits chimiques pour détacher l'époxy et éliminer les fibres est inefficace. De plus, cela entraîne beaucoup de déchets environnementaux sous forme de produits chimiques dangereux.

D'autres méthodes nécessitent de placer le polymère en fibre de carbone sous une chaleur extrême pour créer des séparations. Cette méthode est énergivore et dangereuse. De plus, les deux méthodes réduisent la résistance à la traction des brins de fibre de carbone récupérés jusqu'à 85 %, ce qui rend le matériau inutilisable pour la plupart des applications.

Fragmentation électrohydraulique

Actuellement, la méthode la plus avancée pour récupérer des brins de fibre de carbone à partir de polymères est la fragmentation électrohydraulique. Cette approche envoie des décharges à haute tension à travers un bassin d'eau. La fibre de carbone repose dans ce bassin tandis que les impulsions à haute tension créent du plasma. Les ondes de plasma fonctionnent par impulsions de l'ordre de la microseconde qui permettent de séparer les matériaux par ondes de choc.

Cette approche est bien plus efficace et efficiente que d’autres méthodes qui reposent sur la chaleur et les produits chimiques. De plus, elle n’utilise qu’environ un tiers de l’énergie des méthodes de recyclage traditionnelles et peut éliminer efficacement l’adhésif et la résine. Elle présente cependant quelques inconvénients, comme la dégradation de la résistance à la traction des fibres de carbone.

De meilleures options sont nécessaires

Bien que la méthode de fragmentation électrohydraulique représente une avancée majeure par rapport aux procédés chimiques, elle présente encore des lacunes. Une meilleure solution consisterait à conserver la résistance des fibres, ce qui permettrait de réutiliser les supports plusieurs fois sans réduire leur durabilité. Idéalement, elle éliminerait tous les résidus de résine et d'adhésif des brins. Heureusement, une équipe innovante de chercheurs de l'université Waseda a mis au point un nouveau procédé qui pourrait révolutionner le recyclage des fibres de carbone, permettant à ce matériau d'être utilisé dans davantage d'applications sans risques environnementaux.

Étude sur les impulsions électriques à décharge directe pour le recyclage des fibres de carbone

Les ingénieurs de l'Université Waseda ont mis au point une méthode de recyclage plus efficace et moins coûteuse pour le recyclage des polymères en fibre de carbone. L'approche, appelée Direct Discharge, a été expliquée en détail dans un article publié dans le Scientific Journal. papier¹, l'équipe a présenté sa nouvelle approche du recyclage de la fibre de carbone et l'a testée par rapport à la méthode de fragmentation électrohydraulique.

Impulsions électriques à décharge directe

La méthode d'impulsion électrique à décharge directe élimine le besoin d'appliquer du courant à une piscine. Au lieu de cela, elle exploite le chauffage par effet Joule et la dilatation de la vapeur pour séparer le matériau de l'intérieur vers l'extérieur. Cette méthode produit du plasma le long des bords du matériau. À son tour, la contrainte thermique crée des forces de dilatation, séparant les fibres de l'époxy.

Source – Rapport scientifique

Impulsions électriques à décharge directe pour le test de recyclage des fibres de carbone

Afin de prouver l'efficacité de leurs nouvelles méthodes, plusieurs tests ont été réalisés. Ces tests ont comparé en détail les deux méthodes de recyclage de la fibre de carbone. Plus précisément, les ingénieurs ont surveillé des paramètres clés, notamment la longueur du brin de fibre de carbone, sa résistance à la traction, la quantité de résidus de résine non éliminés et sa dégradation globale. De plus, l'équipe a comparé les besoins énergétiques afin de bien comprendre les capacités de chaque méthode.

Stratifiés CFRP

Les scientifiques ont commencé leur phase de test en créant des stratifiés CFRP. Les stratifiés ont été conçus pour représenter des pièces d'avion courantes, ce qui en fait un moyen idéal de vérifier l'efficacité à l'aide d'un scénario réel. Les stratifiés n'avaient qu'une épaisseur de 8 mm et utilisaient une couche de tissage simple en fibre de carbone courante. Le matériau comportait des couches consécutives disposées avec des orientations alternées à des angles de 45 degrés. Cette disposition est courante car elle offre une excellente résilience et durabilité.

Méthode de décharge directe

Pour tester la méthode de décharge directe, l'équipe a créé deux échantillons de CF de 100 mm de long et de 30 mm de long. Les ingénieurs ont isolé l'échantillon à l'aide de pinces recouvertes de caoutchouc pour garantir la stabilité du flux de courant. À partir de là, l'ensemble du dispositif a été placé dans l'eau du robinet et des impulsions ont été appliquées directement à l'échantillon.

Plus précisément, les ingénieurs ont testé le processus en utilisant une tension de charge de 10 kV avec une capacité de 80 µF. Ces données ont été capturées à l'aide d'un ensemble de capteurs et d'une caméra vidéo à grande vitesse. Les ingénieurs ont ensuite utilisé la tomographie à rayons X et des simulations de champ électrique pour suivre les résidus restants.

Méthode de fragmentation électrohydraulique

Pour tester la méthode électrohydraulique, l'équipe a créé des échantillons carrés de 20 mm. Les échantillons plus petits ont permis aux ingénieurs d'utiliser des récipients d'essai plus petits, ce qui leur a permis de mieux suivre les changements. Les échantillons ont été placés dans l'eau et un courant électrique a été appliqué à l'eau, plutôt qu'au polymère en fibre de carbone directement comme dans la méthode de décharge directe.

Mesure des fibres

Après l'expérimentation, les chercheurs ont prélevé 100 brins de fibre de carbone de chaque essai. Un microscope optique HiROX RX-100 a été utilisé pour comparer leurs longueurs. Ensuite, les brins ont été scannés pour vérifier leur intégrité structurelle à l'aide d'un microscope électronique à balayage TM4000 Plus. De plus, l'équipe a pesé les brins à différentes températures pour suivre la dégradation, et des tests de résistance à la traction de fibres individuelles ont été effectués à l'aide d'un SHIMADZU EZ-SX.

Résultats des tests de recyclage de la fibre de carbone

Les résultats de l’étude ont révélé que la décharge directe est plus efficace pour la récupération des fibres CF que la méthode de fragmentation électrohydraulique. Les chercheurs ont déterminé que leur nouvelle approche était capable de récupérer des fibres plus longues avec une résistance plus élevée. De plus, elle a réussi à séparer complètement les fibres plus longues et à éliminer les résidus. De manière impressionnante, l’équipe a constaté que cette méthode de récupération laissait intacte 81 % de la résistance à la traction.

La décharge directe est plus efficace.

La méthode de décharge directe s’est révélée plus efficace dans tous les domaines. Lorsque des impulsions électriques ont été appliquées, l’équipe a observé des changements immédiats dès la première impulsion. Ces effets se sont produits rapidement car des portions de résine se sont décomposées et sont devenues du plasma, créant une onde de choc interne qui a séparé les brins.

Méthode de fragmentation électrohydraulique

Il est intéressant de noter que les chercheurs ont découvert que la méthode de fragmentation électrohydraulique nécessitait au moins 100 charges avant de montrer un effet sur le matériau. Par conséquent, les coûts d'exploitation des processus de recyclage par fragmentation électrohydraulique sont bien plus élevés que ceux des options de décharge directe. De plus, il restait plus de résine sur les brins CF par rapport au processus de décharge directe.

Avantages sociaux

Cette recherche présente de nombreux avantages. Elle ouvre notamment la voie à de nouvelles utilisations de la fibre de carbone et des polymères. Ces matériaux légers se généraliseront dans vos véhicules grâce à l'apparition de méthodes de fabrication plus performantes. Il est donc essentiel de récupérer efficacement ce précieux matériau.

Efficace

Plusieurs raisons expliquent pourquoi l’approche de recyclage par décharge directe est plus efficace que les options de fragmentation électrohydraulique. D’une part, le chauffage par effet Joule peut être généré en quelques microsecondes, ce qui permet une séparation quasi instantanée. L’équipe a découvert que la méthode de décharge directe améliorait l’efficacité énergétique d’au moins 10 fois.

Efficace à partir de

Un autre avantage majeur de cette recherche est qu'elle est plus efficace. La capacité à séparer avec précision les brins de carbone des résidus change la donne. Cette méthode réduit la fragmentation tout en conservant une résistance à la traction de +80 %.

Écologique

En termes d'impact environnemental, l'approche de rejet direct réduit tous les risques. Elle ne nécessite pas de produits chimiques nocifs ni beaucoup de chaleur. Les exigences de stockage et d'application sont donc minimales, ce qui permet de déployer cette méthode dans davantage de régions.

Chercheurs

Les recherches sur le recyclage des fibres de carbone ont été menées à l'université Waseda. Le professeur Chiharu Tokoro du département des sciences créatives et de l'ingénierie a dirigé l'étude. Keita Sato, Manabu Inutsuka et Taketoshi Koita ont également contribué à la recherche. L'équipe va maintenant étendre ses efforts pour voir comment améliorer davantage la méthode de décharge directe.

Les entreprises qui peuvent bénéficier du recyclage de la fibre de carbone

Plusieurs entreprises disposent des produits et du positionnement nécessaires pour tirer profit des résultats de cette étude. La fibre de carbone peut remplacer de nombreux matériaux et, avec la baisse de son prix et l'augmentation des capacités de production, de sérieux gagnants sont à prévoir. Voici une entreprise bien placée pour tirer profit de cette étude.

Clearway Énergie Inc.

Clearway Énergie Inc. (CWEN + 0.66%) est un fournisseur leader de technologies et d'infrastructures renouvelables. La société a son siège social dans le New Jersey, où elle fournit à sa clientèle mondiale des solutions d'énergie éolienne, solaire et thermique. Clerway est notamment l'un des fournisseurs d'énergies renouvelables les plus réputés. Elle exploite actuellement plus de 350 produits d'énergie propre aux États-Unis.

Les investisseurs considèrent Clearway comme une option attractive en raison de sa stabilité et de son engagement en faveur de la transparence et de l'innovation. Si Clearway Energy Inc. intègre de la fibre de carbone recyclée à ses produits, elle pourrait réaliser des économies substantielles. Ces économies pourraient être répercutées sur les consommateurs, favorisant ainsi l'adoption des énergies renouvelables et augmentant le retour sur investissement de Clearway Energy.

Le recyclage de la fibre de carbone est la clé de nombreuses industries

Lorsque l’on examine les résultats de l’étude sur le recyclage de la fibre de carbone, il est facile de voir que la nouvelle méthode ouvrira la voie à une fibre de carbone moins chère et plus accessible. À l’avenir, les pièces de votre voiture qui pesaient auparavant des kilos pourraient devenir aussi légères que des onces tout en conservant leur résistance. Tous ces facteurs et bien d’autres sont possibles grâce aux chercheurs innovants qui œuvrent pour des méthodes de recyclage de la fibre de carbone plus efficaces.

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Référence de l'étude :

^{1. Tokoro, C., Sato, K., Inutsuka, M. et al. Récupération efficace de fibres de carbone à partir de polymères renforcés de fibres de carbone à l'aide d'impulsions électriques à décharge directe. Sci Rep 14, 29762 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76955-0}