Naarmate koolstofvezel alomtegenwoordig wordt, hoe zal het worden gerecycled?

Koolstofvezelversterkte kunststoffen (CFRP) bestaan uit sterke vezels in een polymeermatrix. Ze worden gebruikt in onder meer vliegtuigen, voertuigen en windturbines. Bij afgedankte producten is het lastig om de vezels van uitgeharde epoxy te scheiden. Een onderzoek in Scientific Reports uit 2024 vergelijkt twee methoden die elektrische pulsen gebruiken om de vezels terug te winnen.

Waarom zijn composieten lastig te recyclen?

Mechanisch vermalen kan vezels inkorten. Verhitting en chemische processen hebben ieder andere gevolgen voor energieverbruik, apparatuur, emissies en vezelkwaliteit. Voor hergebruik zijn vooral vezellengte, treksterkte en achtergebleven hars van belang. Geen enkele methode levert vanzelf voor iedere toepassing vezels die gelijkwaardig zijn aan nieuwe vezels.

Directe ontlading en elektrohydraulische fragmentatie

In de oorspronkelijke studie liep bij directe ontlading (DD) een elektrische puls via elektroden door het composietlaminaat. De warmte die in het materiaal ontstond, hielp hars en vezels te scheiden. Bij elektrohydraulische fragmentatie (EHF) vond de ontlading plaats in water. Drukgolven braken daar het laminaat uiteen. De twee processen beïnvloedden de teruggewonnen vezels verschillend.

Bron: Scientific Reports

Wat lieten de proeven zien?

De onderzoekers gebruikten CFRP-laminaten van acht millimeter dik. De vezels na DD hadden een gemeten treksterkte van ongeveer 5,1 GPa, tegenover 2,6 GPa na EHF en 6,3 GPa voor de oorspronkelijke vezels. Dat is circa 81 respectievelijk 40 procent van de oorspronkelijke sterkte. De harsresten bedroegen ongeveer 20 gewichtsprocent op de DD-vezels en 34 procent op de EHF-vezels; het uitgangslaminaat bevatte 36 procent hars. Onder de onderzochte omstandigheden leverde DD ook langere vezels op.

Proefstukken en aantal pulsen verschilden tussen de opstellingen, onder meer door de afmetingen van de EHF-apparatuur. De vergelijking toont een voordeel voor DD in deze tests. Ze bewijst niet dat industriële koolstofvezelrecycling in het algemeen slechts een derde van de energie kost; dat getal uit het oorspronkelijke artikel betrof eerdere proeven met andere materialen.

Van laboratorium naar hergebruik

Teruggewonnen vezels zijn niet doorlopend en kunnen verdere sortering en verwerking nodig hebben. Kosten, reststromen, elektrische veiligheid en constante kwaliteit moeten bij grotere processen worden beoordeeld. De resultaten betekenen niet dat alle DD-vezels zonder verdere kwalificatie in dragende vliegtuigonderdelen kunnen worden gebruikt.

Onderzoekers en bedrijf

Chiharu Tokoro is de eerste auteur van de studie. Clearway Energy is een afzonderlijk energiebedrijf en was volgens het onderzoek geen deelnemer aan de proeven. Het resultaat is geen voorspelling van zijn omzet of aandelenkoers.

Clearway Energy

(CWEN )

In deze laboratoriumproeven leverde directe ontlading langere en sterkere vezels met minder achtergebleven hars dan elektrohydraulische fragmentatie. Voor industrieel gebruik zijn verdere proeven nodig.

Onderzoek

Tokoro, C. e.a. (2024), ‘Efficient recovery of carbon fibers from carbon fiber-reinforced polymers using direct discharge electrical pulses’, Scientific Reports 14, 29762. doi:10.1038/s41598-024-76955-0.