Technologie de recyclage des composites en fibre de carbone : à la pointe d'une nouvelle ère de recyclage des matériaux
Nov 05, 2024
Les composites en fibre de carbone (CFRP) ont été largement utilisés dans les industries aérospatiale, automobile et éolienne en raison de leurs excellentes propriétés, telles que la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue, la résistance spécifique et le module spécifique élevés, ainsi que leur bonne aptitude à la conception. Cependant, une grande quantité de déchets de matériaux composites en fibre de carbone thermodurcissables occupe non seulement des terrains industriels, mais pollue également l'environnement, de sorte que sa technologie de recyclage est devenue un point chaud de la recherche au pays et à l'étranger.
1. Technologie de recyclage des matériaux composites en fibre de carbone
Les composites en fibre de carbone (CFRP) ont été largement utilisés dans les industries aérospatiale, automobile et éolienne en raison de leurs excellentes propriétés, telles que la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue, la résistance spécifique et le module spécifique élevés, ainsi que leur bonne aptitude à la conception. Cependant, une grande quantité de déchets de matériaux composites en fibre de carbone thermodurcissables occupe non seulement des terrains industriels, mais pollue également l'environnement, de sorte que sa technologie de recyclage est devenue un point chaud de la recherche au pays et à l'étranger.
La technologie de récupération du CFRP est principalement divisée en récupération mécanique, récupération par pyrolyse, récupération chimique et certains autres types de méthodes de récupération. Le développement ainsi que les avantages et les inconvénients de la technologie de recyclage des CFRP sont présentés dans la figure 1.
2.CF Nouvelle politique de remise en état
Outre les déchets CFRP, un autre type de déchet courant est celui des fibres sèches produites au stade de la fabrication. Ces fibres résiduelles proviennent principalement de chutes, de bouts de bobines et de bords de distribution partiels. On estime que les fibres sèches représentent environ 40 % du total des déchets CF. Puisqu’elles ne sont encore intégrées dans aucune matrice polymère, les fibres sèches présentent les mêmes propriétés que le vCF. Compte tenu de la production de cette grande quantité de déchets précieux, les chercheurs travaillent activement au développement de nouvelles stratégies de recyclage, y compris, mais sans s'y limiter, la filature des CF en fil, la fabrication de tissus non tissés et l'utilisation d'un mélange de CF recyclés et de CF natifs pour produire des non-tissés. -tissus préimprégnés à sertir.
1) Fils mélangés à base de rCF
Dans des conditions de cadre spécifiques, le matériau a été chauffé à 280 degrés C et maintenu pendant 30 minutes pour préparer avec succès le matériau composite requis. Des études ont montré que l'étape de mélange d'air dans le processus de mélange améliore efficacement l'uniformité du ruban et du fil. Cependant, ce processus de mélange provoque également des dommages plus importants à la fibre de carbone (CF), car la longueur totale de CF dans le fil est réduite. Une analyse approfondie des propriétés mécaniques du fil a révélé que les fils sans mélange d'air présentaient une ténacité plus élevée, principalement en raison de la réduction du nombre de fibres cassées et de la préservation de la longueur totale des fibres pendant la préparation. Des recherches plus approfondies montrent que la longueur initiale de la fibre a un effet négatif sur les propriétés du fil, car elle est directement liée à la longueur finale de la fibre après traitement dans la structure du fil. Plus précisément, les fils préparés avec 80 mm CF présentent la longueur moyenne de fibre la plus longue, ce qui leur confère une ténacité supérieure. De même, le composite unidirectionnel (UD) composé de CF et PA6 de 80 mm a une résistance à la traction allant jusqu'à 800 MPa, ce qui représente la meilleure performance dans la catégorie des fils préparés.
Hengstermann et coll. a étudié en profondeur les effets de la longueur initiale des fibres et du rapport de mélange sur les propriétés et les caractéristiques du fil après cardage. En ajustant les paramètres de la carde, y compris la distance entre les rouleaux de cardage et la taille des aiguilles, ils ont mélangé manuellement les fibres CF et PA6 en deux longueurs de 40 mm et 60 mm selon le rapport volumique de 30 %, 50 % et 70. %. Après le cardage, le treillis en fibre CF/PA6 est ensuite soumis à un processus tel que la combinaison et le filage avec une turbine volante pour finalement produire un fil mélangé. Au cours du processus de traitement, il est également nécessaire d'ajuster avec précision les paramètres d'étirage et de filage, tels que la vitesse d'alimentation, le rapport d'étirage, le matériau du rouleau et le nombre de torsion, afin de réduire les dommages possibles au CF. Les résultats montrent que la longueur initiale des fibres et la teneur en CF ont des effets significatifs sur les caractéristiques finales du filet de cardage, du ruban et du fil. Les fils fabriqués avec du CF plus long présentent un meilleur alignement, une pilosité plus faible, une ténacité plus élevée et un allongement plus faible que les fils fabriqués avec du CF de 40 mm.
Cela est principalement dû au fait que les fibres plus longues sont plus facilement alignées pendant le cardage et que le degré de dommage et de perte est moindre. De plus, la présence de CF plus longs dans le fil et l'augmentation du volume de PA6 favorisent la cohésion entre les fibres et améliorent la qualité du filage du ruban. On constate également que l'orientation du CF dans le fil, la longueur du CF et la torsion du fil ont des effets positifs sur la résistance à la traction finale du composite UD. En général, la longueur des fibres et la torsion du fil présentent une relation inverse avec la résistance globale du composite développé, principalement en raison de leur influence sur la teneur finale en CF et la longueur du composite, ainsi que sur la régulation de la pénétration du polymère lors du pressage à chaud.
Figure 2 : Processus de cardage pour la préparation du mélange rCF/PA6
Pour réduire davantage les dommages causés à la fibre de carbone (CF) pendant le filage, Xiao et al. rapportent le développement d'une feuille thermoplastique renforcée de fibres de carbone (CWT) à mailles verrouillées qui peut être directement appliquée au procédé Mosaic. La stratégie consiste à mélanger des déchets CF de 60 mm de longueur avec une fibre de polyamide (PA) avec une structure cœur-coque, où la coque est constituée d'un copolymère polyamide 6 (PA6)-polyéthylène (point de fusion 136 degrés C) et le matériau du cœur est polyamide 66 (PA66). Dans le processus de mélange, le mélange de fibres CF et PA est dosé avec la fraction volumique CF de 20 %, 30 % et 40 %, puis peigné pour former un réseau de peignage. À 110 degrés C, le treillis de cardage est stabilisé par des processus d'étirage et de calandrage, au cours desquels la couche externe de la fibre PA matricielle est fondue pour former une certaine structure adhésive dans le treillis fibreux, et enfin la feuille CWT est produite. Notamment, le processus d'étirement (30-60 %) a joué un rôle clé dans un meilleur alignement des fibres courtes CF dans la feuille CW-T. Dans des conditions de pression de 280 degrés et 5-9 MPa, la feuille développée est utilisée pour le formage de panneaux par méthode de formage par compression. Le module de traction de la feuille comprimée atteint 45,6 GPa. L'augmentation de la teneur en CF dans le CWT améliore la résistance à la traction et le niveau de module, et l'augmentation du rapport de traction contribue également à améliorer la résistance à la traction du longitudinal principal.
2) Non-tissés et préimprégnés à base de RCF
Un autre moyen efficace de recycler les déchets de fibres de carbone consiste à les appliquer à la production de filets en tissu non tissé, ce qui montre le grand potentiel de recyclage des déchets de fibres de carbone dans des produits à haute valeur ajoutée. EGL Carbon Fiber au Royaume-Uni a industrialisé et optimisé avec succès la production de feutre non tissé rCF d'une capacité annuelle de 250 tonnes pour une large gamme d'applications dans l'industrie automobile.
3.Conclusion et perspectives d'avenir
Dans cet article, les méthodes de recyclage des composites renforcés de fibres de carbone (CFRC) sont passées en revue et les stratégies de traitement des déchets de fibres de carbone générés lors de la fabrication à sec sont discutées en profondeur. C'est pourquoi la technologie de pyrolyse et d'usinage a suscité beaucoup d'intérêt en raison de son potentiel d'application industrielle. Cependant, les recherches actuelles s'attachent toujours à améliorer les performances des fibres recyclées, et s'efforcent d'avoir des propriétés pouvant être infiniment proches de la fibre de carbone originale.
Les recherches futures devraient se concentrer sur les aspects suivants : premièrement, explorer une nouvelle méthode d'utilisation des fibres recyclées pour produire des matériaux composites ; La seconde consiste à optimiser l’interaction d’interface entre la fibre et la matrice. Le troisième est d’améliorer continuellement le processus de recyclage. En outre, le développement de produits à valeur ajoutée tels que les non-tissés et les fils contenant des fibres recyclées comme matières premières constitue également une orientation clé pour l'avenir. Pour le traitement des déchets secs de fibres de carbone, le développement de fils et non-tissés mélangés présente de bonnes perspectives, mais l'amélioration des propriétés mécaniques des produits reste un défi majeur.
En résumé, le domaine du recyclage des produits à base de fibres de carbone se trouve dans une phase de développement rapide et jouera un rôle clé dans la promotion de la mise en place d'une approche d'économie circulaire des fibres de haute technologie. Par conséquent, davantage de recherches sont nécessaires à l’avenir pour améliorer la qualité des fibres et réduire l’impact environnemental négatif du processus de recyclage.
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