La minimisation de la consommation d’énergie demeure un élément fondamental dans notre recherche de sociétés durables. Et, les matériaux de pointe jouent un rôle clé à cet égard. Les plastiques renforcés de fibres de carbone (PRFC) et les thermoplastiques renforcés de fibres de carbone (TPRFC) sont deux exemples de matériaux composites capables d’améliorer considérablement l’efficacité énergétique dans divers domaines d’application.
La gestion des déchets de ces matériaux pose en revanche un défi majeur. Une nouvelle étude propose une solution innovante pour récupérer les fibres de carbone à partir de ces déchets.
Les composites PRFC et TPRFC sont constitués de fibres de carbone intégrées dans une matrice polymère, comme la résine époxy. Grâce à leur faible poids et à leur force mécanique remarquable, ces composites peuvent réduire considérablement la consommation de carburant des avions, des engins spatiaux et des automobiles. De plus, ils sont durables et résistants à la corrosion, ce qui les rend adaptés aux applications d’énergies renouvelables, comme les éoliennes.
En raison de ces avantages, alors que la demande pour les PRFC et TPRFC a explosé ces dernières années, en parallèle la quantité de déchets a augmenté rapidement. Étant donné que la production de fibres de carbone est très énergivore, les chercheurs cherchent des moyens économiquement viables de les récupérer à partir des déchets de PRFC/TPRFC par un processus appelé «récupération».
La pyrolyse : une technique prometteuse mais perfectible
La technique de décomposition thermique, ou pyrolyse, semble être la plus efficace pour la récupération des fibres de carbone. La préservation des propriétés mécaniques des fibres récupérées s’avère encore difficile. C’est dans ce contexte que des chercheurs de l’Université Doshisha, au Japon, ont cherché à étudier les avantages de la réalisation de la pyrolyse des PRFC/TPRFC dans une atmosphère de vapeur surchauffée (VSC), par opposition à l’atmosphère standard.
Une nouvelle approche : la pyrolyse en atmosphère de VSC
La logique derrière la réalisation de la pyrolyse dans une atmosphère de VSC est relativement simple. Le Dr Obunai explique : « La VSC non seulement empêche l’oxydation des fibres de carbone en créant un environnement pauvre en oxygène, mais elle élimine également les résidus de polymère de la surface des fibres récupérées. »
Les chercheurs ont non seulement testé les caractéristiques mécaniques des fibres de carbone récupérées, mais ils ont également évalué les performances des composites PRFC réels fabriqués à partir de ces fibres.
Des résultats prometteurs
Les résultats de leurs expériences ont révélé plusieurs aspects attrayants de la récupération par pyrolyse en VSC. Tout d’abord, en utilisant des techniques de microscopie avancées, les chercheurs ont constaté que l’atmosphère de VSC supprimait la formation de défauts en forme de fossettes appelés «piqûres» dans les fibres récupérées, réalisant ainsi une surface lisse.
Lorsque la pyrolyse était réalisée à des températures élevées (≥ 873 K), les fibres récupérées dans une atmosphère d’air présentaient une résistance à la traction et une ténacité à la rupture considérablement réduites par rapport à celles des fibres « vierges ».
En revanche, ces propriétés mécaniques restaient relativement les mêmes dans les fibres récupérées dans une atmosphère de VSC, soulignant l’avantage de cette dernière pour préserver à la fois la ténacité à la rupture et la résistance à la traction des fibres récupérées.
En synthèse
En somme, ces résultats mettent en évidence le potentiel de la récupération par pyrolyse dans une atmosphère de VSC pour récupérer les fibres de carbone à partir de composites. En fournissant une méthode efficace de recyclage, cette approche pourrait être la clé pour introduire avec succès les PRFC/TPRFC dans une économie circulaire.
« Ce travail fournit potentiellement une méthode efficace pour la récupération des déchets de PRFC et contribue à la faisabilité de la réalisation des Objectifs de Développement Durable », conclut le Dr Obunai.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la pyrolyse ?
La pyrolyse est une technique de décomposition thermique utilisée pour récupérer les fibres de carbone à partir de déchets de PRFC/TPRFC.
Qu’est-ce que la vapeur surchauffée (VSC) ?
La VSC est une vapeur à une température supérieure à son point d’ébullition normal. Elle est utilisée dans cette étude pour créer un environnement pauvre en oxygène lors de la pyrolyse.
Quels sont les avantages de la pyrolyse en atmosphère de VSC ?
La pyrolyse en atmosphère de VSC permet de préserver les propriétés mécaniques des fibres de carbone récupérées et d’éliminer les résidus de polymère de leur surface.
Quelles sont les applications potentielles de cette recherche ?
Cette recherche pourrait contribuer à l’introduction des PRFC/TPRFC dans une économie circulaire, en fournissant une méthode efficace de recyclage des fibres de carbone.
Quelles sont les prochaines étapes de cette recherche ?
Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour confirmer l’efficacité de cette méthode à grande échelle et pour explorer d’autres applications potentielles des fibres de carbone récupérées.
Références
Article : « Mechanical characteristics of reclaimed carbon fibre under superheated steam atmosphere and its feasibility for remanufacturing CFRP/CFRTP » – DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107843
