Le futur des matériaux composites : recyclables et ultra-résistants

Des chercheurs ont mis au point un matériau composite à la fois robuste et entièrement recyclable. Par exemple, l’industrie pourrait par cette innovation réduire l’empreinte carbone des matériaux composites utilisés dans les transports.

Les chercheurs du Laboratoire National d’Oak Ridge, relevant du Département de l’Énergie des États-Unis, ont élaboré un procédé en circuit fermé pour la synthèse d’un polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) exceptionnellement résistant. Plus remarquable encore, ce procédé permet de récupérer l’intégralité des matériaux de départ après utilisation.

Le CFRP, matériau composite léger, solide et résistant, est particulièrement prisé pour alléger le poids et augmenter l’efficacité énergétique des automobiles, avions et engins spatiaux. Toutefois, les CFRP conventionnels sont réputés difficiles à recycler, souvent utilisés une seule fois, ce qui accroît considérablement leur empreinte carbone. La technologie développée par l’ORNL, et publiée dans la revue Cell Reports Physical Science, propose une solution à ce défi majeur.

Un processus de recyclage en boucle fermée

« Nous avons intégré une réticulation dynamique dans un polymère de base pour le fonctionnaliser. Ensuite, nous avons ajouté un agent de réticulation pour lui conférer des propriétés similaires aux matériaux thermodurcissables », explique Md Anisur Rahman, chimiste et inventeur à l’ORNL. Cette réticulation dynamique permet de rompre les liaisons chimiques et de retraiter ou recycler les matériaux composites à fibres de carbone.

À l’inverse des matériaux thermodurcissables conventionnels, qui sont définitivement réticulés, le système de l’ORNL ajoute des groupes chimiques dynamiques à la matrice polymère et aux fibres de carbone intégrées. La matrice polymère et les fibres de carbone peuvent subir de multiples cycles de retraitement sans perte de propriétés mécaniques, telles que la résistance et la ténacité.

Des propriétés mécaniques préservées

Le chimiste Tomonori Saito, qui a été honoré par Battelle en 2023 en tant qu’inventeur de l’année de l’ORNL, a dirigé l’étude avec Rahman.

« Nous avons inventé un composite de fibres de carbone à la fois résistant et recyclable », déclare t-il. « La fibre et le polymère ont une adhésion interfaciale très forte en raison de la présence de liaisons dynamiques. »

La force de ce matériau réside dans son interface, qui verrouille les matériaux ensemble par des interactions covalentes et les déverrouille à la demande en utilisant la chaleur ou la chimie. « La fibre fonctionnalisée présente une réticulation échangeable dynamique avec ce polymère. La structure composite est vraiment robuste en raison des caractéristiques de l’interface. Cela crée un matériau extrêmement solide », ajoute le chimiste.

En synthèse

La recherche d’alternatives durables pour les matériaux composites prend une nouvelle dimension avec l’innovation de l’ORNL. La capacité de recycler intégralement et efficacement ces matériaux ouvre la voie à une fabrication à faible émission de carbone et à l’intégration de matériaux légers dans les technologies de l’énergie propre. Inspirés par la nature et ses interfaces dynamiques, les chercheurs ont optimisé la chimie interfaciale pour renforcer l’adhésion et la ténacité du CFRP, promettant ainsi un avenir plus durable pour les matériaux composites.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le CFRP et pourquoi est-il important ?

Le CFRP est un matériau composite renforcé de fibres de carbone, connu pour sa légèreté, sa solidité et sa résistance. Il est essentiel dans les industries où la réduction du poids est cruciale pour l’efficacité énergétique.

Comment fonctionne le recyclage en boucle fermée du CFRP ?

Le processus développé par l’ORNL permet de décomposer le matériau composite pour récupérer les fibres de carbone et la matrice polymère, qui peuvent ensuite être réutilisées sans perte de propriétés mécaniques.

Quelles sont les implications de cette innovation pour l’industrie ?

Cette avancée pourrait transformer la fabrication de matériaux composites, en réduisant leur empreinte carbone et en favorisant l’économie circulaire dans les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique et du spatial.

Quelle est la différence entre les matériaux thermodurcissables conventionnels et le CFRP recyclable ?

Contrairement aux matériaux thermodurcissables qui sont définitivement réticulés et ne peuvent être retraités, le CFRP recyclable de l’ORNL peut être retraité plusieurs fois grâce à ses liaisons chimiques dynamiques.

Quels sont les avantages des CFRP à réticulation réversible ?

Ils offrent une prise en masse rapide, un comportement auto-adhésif et la capacité de réparer les microfissures dans la matrice composite, tout en étant entièrement recyclables.

Références

Article : « Tough and recyclable carbon-fiber composites with exceptional interfacial adhesion via a tailored vitrimer-fiber interface » – DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101695

Légende illustration : Un polymère, des fibres de carbone fonctionnalisées et un réticulant sont mélangés et durcis. Les composants peuvent être récupérés par l’ajout d’un alcool, le pinacol. Crédit : Philip Gray et Anisur Rahman/ORNL, U.S. Dept. of Energy