Alors que la fibre de carbone devient courante, comment sera-t-elle recyclée ?

Carbon fibre est un matériau léger et durable qui est devenu courant dans les industries automobile, de la production d’énergie éolienne, aérospatiale et robotique. Ce matériau composite avancé offre une résistance et peut être moulé pour s’adapter à presque toutes les applications. En conséquence, il est devenu une option très populaire. Notamment, cette popularité a engendré certains problèmes quant à la gestion des déchets de fibre de carbone provenant des produits une fois mis au rebut. Voici tout ce que vous devez savoir.

Polymères renforcés de fibre de carbone (CFRP)

Les fibres de carbone peuvent être disposées selon différents motifs et revêtues de résines matricielles pour créer des polymères renforcés de fibre de carbone. Ce matériau possède un excellent rapport résistance/poids qui a contribué à en faire un composant essentiel des équipements, de la fabrication et des processus de production d’énergie les plus avancés d’aujourd’hui.

Élimination de la fibre de carbone

Lorsqu’un produit contenant de la fibre de carbone devient des déchets, ce matériau durable et toujours précieux doit être extrait. La structure complexe des pièces en fibre de carbone et l’impossibilité de remodeler les époxydes une fois durcis continuent de rendre la gestion des déchets problématique. Ainsi, plusieurs méthodes de recyclage novatrices ont émergé au cours des dernières années.

Méthodes de recyclage traditionnelles

Malheureusement, de nombreuses méthodes de recyclage traditionnelles les plus répandues ne fonctionnent pas ou nécessitent une énorme quantité d’énergie pour être réalisées, éliminant ainsi tout avantage économique. L’utilisation de produits chimiques pour détacher l’époxy et extraire les fibres est inefficace. De plus, cela génère beaucoup de déchets environnementaux sous forme de produits chimiques dangereux.
D’autres méthodes exigent que le polymère de fibre de carbone soit soumis à 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 %, rendant le matériau inutilisable pour la plupart des applications.

Fragmentation électrohydraulique

Actuellement, la méthode la plus avancée pour récupérer les 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 de haute tension créent du plasma. Les ondes de plasma fonctionnent en impulsions microsecondes qui séparent les matériaux via des ondes de choc.
Cette approche est bien plus efficace et performante que les 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 les adhésifs et la résine. Cependant, elle présente certaines limites, comme la dégradation de la résistance à la traction des fibres de carbone.

Des options meilleures sont nécessaires

Bien que la méthode de fragmentation électrohydraulique représente un grand progrès par rapport aux procédés chimiques, elle reste insuffisante. Une solution meilleure permettrait de conserver la résistance des fibres, permettant ainsi de réutiliser les brins plusieurs fois sans diminuer leur durabilité. Idéalement, elle éliminerait tout résidu de résine et d’adhésif des brins. Heureusement, une équipe innovante de chercheurs de l’Université Waseda a présenté un nouveau procédé qui pourrait révolutionner le recyclage de la fibre de carbone, permettant à ce matériau d’être utilisé dans davantage d’applications sans risques environnementaux.

Étude des impulsions électriques à décharge directe pour le recyclage de la fibre de carbone

Des ingénieurs de l’Université Waseda ont présenté une méthode de recyclage plus efficace et moins coûteuse pour les polymères de fibre de carbone. L’approche, appelée Décharge Directe, a été détaillée dans un article publié dans le Scientific Journal. Dans le papier¹, l’équipe a présenté sa nouvelle méthode de recyclage de la fibre de carbone et l’a comparée à la méthode de fragmentation électrohydraulique.

Impulsions électriques à décharge directe

La méthode des impulsions électriques à décharge directe élimine la nécessité d’appliquer un courant à un bassin. Elle exploite plutôt le chauffage par effet Joule et l’expansion de la vapeur pour séparer le matériau de l’intérieur vers l’extérieur. Cette méthode génère du plasma le long des bords du matériau. À son tour, le stress thermique crée des forces d’expansion, séparant les fibres de l’époxy.

Source – Rapport scientifique

Test des impulsions électriques à décharge directe pour le recyclage de la fibre de carbone

Pour prouver l’efficacité de leurs nouvelles méthodes, plusieurs tests ont été réalisés. Les tests ont comparé en détail les deux méthodes de recyclage de la fibre de carbone. Plus précisément, les ingénieurs ont suivi des indicateurs clés, notamment la longueur des brins de fibre de carbone, leur résistance à la traction, la quantité de résine résiduelle non éliminée et leur dégradation globale. De plus, l’équipe a comparé les besoins énergétiques afin de bien comprendre les capacités de chaque méthode.

Laminés CFRP

Les scientifiques ont commencé leur phase de test en créant des laminés CFRP. Les laminés ont été conçus pour représenter des pièces d’avion courantes, ce qui en fait un moyen idéal d’évaluer l’efficacité dans un scénario réel. Les laminés ne mesuraient que 8 mm d’épaisseur et utilisaient une couche de tissage simple en fibre de carbone. Le matériau comportait des couches successives disposées avec des orientations alternées à 45 degrés. Cette configuration 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 et 30 mm de longueur. Les ingénieurs ont isolé l’échantillon à l’aide de pinces plaquées de caoutchouc afin de garantir une stabilité du flux de courant. Ensuite, l’ensemble a été placé dans de l’eau du robinet, et des impulsions ont été appliquées directement à l’échantillon.
Plus précisément, les ingénieurs ont testé le processus avec une tension de charge de 10 kV et une capacité de 80 µF. Ces données ont été recueillies à l’aide d’un réseau de capteurs et d’une caméra vidéo à haute vitesse. Les ingénieurs ont ensuite utilisé la tomographie par 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 de test plus réduits, facilitant ainsi le suivi des changements. Les échantillons ont été placés dans l’eau et un courant électrique a été appliqué à l’eau, plutôt qu’au polymère de fibre de carbone directement comme dans la méthode de décharge directe.

Mesure des fibres

Après les expériences, les chercheurs ont recueilli 100 brins de fibre de carbone pour chaque test. 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 afin de suivre la dégradation, et des tests de résistance à la traction sur fibre unique ont été réalisés avec un SHIMADZU EZ‑SX.

Résultats des tests de recyclage de la fibre de carbone

Les résultats de l’étude ont montré que la décharge directe est plus efficace pour la récupération de la CF comparée à la méthode de fragmentation électrohydraulique. Les chercheurs ont déterminé que leur nouvelle approche permettait de récupérer des fibres plus longues avec une résistance supérieure. De plus, elle a réussi à séparer complètement les brins plus longs et à éliminer les résidus. De façon impressionnante, l’équipe a constaté que cette méthode de récupération conservait 81 % de la résistance à la traction.

La décharge directe est plus efficace.

La méthode de décharge directe s’est avérée plus efficace dans tous les domaines. Lorsque les impulsions électriques ont été appliquées, l’équipe a observé des changements immédiats dès la première impulsion. Ces effets se sont produits rapidement parce que 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

Curieusement, les chercheurs ont découvert que la méthode de fragmentation électrohydraulique nécessitait au moins 100 charges avant de produire un effet sur le matériau. Ainsi, les coûts d’exploitation des processus de recyclage par fragmentation électrohydraulique sont beaucoup plus élevés que ceux des options de décharge directe. De plus, il restait davantage de résine sur les brins de CF comparativement au processus de décharge directe.

Avantages

Cette recherche apporte de nombreux avantages. Tout d’abord, elle ouvre la voie à davantage d’utilisations de la fibre de carbone et des polymères. Ces matériaux légers deviendront plus courants dans vos véhicules à mesure que des méthodes de fabrication plus efficaces apparaissent. Ainsi, il est essentiel de récupérer ce matériau précieux de manière efficace.

Efficace

Il existe plusieurs raisons pour lesquelles 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 microsecondes, offrant une séparation quasi instantanée. L’équipe a découvert que la méthode de décharge directe améliorait l’efficacité énergétique d’au moins dix fois.

Performant

Un autre avantage majeur de cette recherche est son efficacité accrue. La capacité à séparer avec précision les brins de carbone des résidus constitue une véritable révolution. Cette méthode réduit la fragmentation tout en conservant plus de 80 % de la résistance à la traction.

Respectueux de l’environnement

En termes d’impact environnemental, l’approche de décharge directe réduit tous les risques. Elle ne nécessite ni produits chimiques nocifs ni grande quantité de chaleur. Ainsi, les exigences de stockage et d’application sont minimales, permettant à cette méthode d’être déployée dans davantage de régions.

Chercheurs

La recherche sur le recyclage de la fibre de carbone a été menée à l’Université Waseda. Le professeur Chiharu Tokoro du Département des sciences et ingénierie créatives a dirigé l’étude. Keita Sato, Manabu Inutsuka et Taketoshi Koita ont également contribué à la recherche. Désormais, l’équipe élargira ses efforts afin d’améliorer davantage la méthode de décharge directe.

Entreprises qui peuvent bénéficier du recyclage de la fibre de carbone

Plusieurs entreprises possèdent les produits et le positionnement nécessaires pour tirer parti des résultats de cette étude. La fibre de carbone peut remplacer de nombreux matériaux différents et, à mesure que son prix diminue et que les capacités de fabrication augmentent, il y aura assurément des gagnants sérieux. Voici une entreprise bien positionnée pour profiter des avantages de cette étude.

Clearway Energy Inc.

Clearway Energy Inc. (CWEN ) (CWEN ) est un fournisseur leader de technologies et d’infrastructures renouvelables. L’entreprise est basée dans le New Jersey où elle fournit à une clientèle mondiale des solutions d’énergie éolienne, solaire et thermique. Notamment, Clearway est l’un des fournisseurs d’énergies renouvelables les plus réputés. Elle exploite actuellement plus de 350 produits d’énergie propre aux États-Unis.