Recyclage des composites : valoriser les déchets de fibre de carbone

En avril 2016, j'ai écrit une chronique intitulée « Peut-on rendre la fibre de carbone recyclée sexy ? ». Elle était écrite après avoir vu un panneau de toit sur une BMW i8 au Salon international de l'auto d'Amérique du Nord à Detroit, fabriqué à partir d'un tapis de fibre de carbone visible, verni, récupéré et réutilisé à partir de chutes du processus de fabrication de composites de BMW. Cela démontrait une réflexion prospective significative à l'époque, car tous les autres exemples de fibre de carbone visible au salon étaient des tissus tissés, offrant le classique « look » fibre de carbone sous leurs finitions transparentes.

Beaucoup de choses se sont passées depuis, alors que diverses technologies de recyclage des composites ont mûri et engendré de nombreux acteurs. Le recyclage des composites a également attiré des investissements de fonds de capital-risque ainsi que d'investisseurs stratégiques, comme Hexcel (Stamford, CT, États-Unis) prenant une participation dans Carbon Conversions Inc. (Lake City, SC, États-Unis) en 2016, et l'annonce de décembre 2018 de Mitsubishi Corp. (Tokyo, Japon) prenant une participation de 25 % dans ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, Royaume-Uni). Peut-être le plus significatif est la liste croissante d'applications finales incorporant des matériaux composites recyclés, des couvercles de regard aux bancs de parc en passant par les matériaux pour l'impression 3D, entre autres.

À la conférence Carbon Fiber de CompositesWorld en décembre 2018, des intervenants d'ELG, Vartega Inc. (Golden, CO, États-Unis) et du Centre de technologie de recyclage des composites (CRTC, Port Angeles, WA, États-Unis) ont présenté les propriétés des matériaux composites recyclés (qui sont, disent-ils, comparables à celles des matériaux vierges) ainsi que des applications finales déjà créées qui pourraient générer une demande significative.

Il y a deux objectifs principaux au recyclage des composites et des déchets de matériaux composites : le premier est d'éviter de mettre les déchets en décharge, et le second, et peut-être le plus important, est de trouver des moyens de récupérer et de réutiliser ces matériaux dans des applications utiles (et rentables). Mais quelles méthodes atteignent quels objectifs, et lesquelles ont du sens pour diverses matières premières ? Pour entamer un dialogue à ce sujet, je propose une méthode pour classer les diverses technologies de recyclage sur six niveaux :

Niveau 0 est la minimisation des déchets envoyés en décharge, menée par l'amélioration de l'utilisation des matériaux et la réincorporation des chutes dans d'autres produits à l'intérieur de la même usine de fabrication de composites. Cela inclut l'utilisation de procédés à faible gaspillage comme le dépôt de bande automatisé (ATL) et le placement de fibre automatisé (AFP) de fibre sèche et de préimprégnés, et le rebroyage ou le hachage de pièces de rebut et leur utilisation en combinaison avec des matériaux continus ou discontinus dans les couches centrales, ou le moulage par injection ou compression. Cela s'applique aux thermodurcissables et thermoplastiques et devrait être une priorité pour tous les fabricants.

Niveau 1 est la réutilisation de matériaux de rebut destinés à la décharge. Cela inclut les formes broyées, hachées et en nappe de fibre sèche, ainsi que la prise de préimprégnés non durcis qui peuvent être périmés ou hors spécifications et leur moulage en produits aux exigences de performance moins strictes. Il existe de nombreux processeurs de fibre de rebut, et plusieurs entités de « réutilisation » pour préimprégnés, comme le CRTC.

Niveau 2 consiste à prendre des composites durcis ainsi que de la fibre de rebut et du préimprégné non durci, les broyer et les combiner avec des résines supplémentaires pour tout lier ensemble en divers panneaux et produits remplaçant le métal, le bois et le béton. La matière première peut inclure des pales d'éoliennes en fin de vie, bateaux, pièces d'avion et composants automobiles, et peut être en fibre de verre, fibre de carbone ou mousse à âme. Global Fiberglass Solutions Inc. (Bothell, WA, États-Unis) et GreenTex Solutions LLC (Charleston, SC, États-Unis) sont deux entreprises à ce niveau.

Au Niveau 3, les fibres sont récupérées à partir de formes de produits intermédiaires tels que les préimprégnés thermodurcissables et thermoplastiques non durcis, produisant des fibres avec des propriétés essentiellement équivalentes aux fibres d'origine, bien que principalement sous forme discontinue « flocons » ou granulée, ou en format non-tissé. ELG et Carbon Conversions (tous deux par pyrolyse) et Vartega (par solvolyse) offrent des fibres de carbone à ce niveau.

La récupération de fibres au Niveau 4 (rebuts de composites durcis et pièces rejetées) et Niveau 5 (pièces en fin de vie) est le « saint graal » du recyclage des composites. Les technologies disponibles incluent la pyrolyse à haute température (ELG et Carbon Conversions), la décomposition chimique humide du polymère (Adherent Technologies, Albuquerque, NM, États-Unis) et une méthode pyrolytique à double production d'énergie/récupération de fibres développée par CHZ Technologies (Auburn, AL, États-Unis). La mise à l'échelle économique de ces technologies sera essentielle pour atteindre un succès à long terme.

Compte tenu des options disponibles, les fabricants de composites doivent envisager d'inclure les entreprises de recyclage dans la chaîne d'approvisionnement composites au même titre que les fournisseurs de fibres, résines et préimprégnés. Ce faisant, ils doivent être prêts à investir des fonds R&D pour aider ces technologies en évolution à atteindre la maturité. En décembre, Boeing a annoncé un accord de cinq ans avec ELG pour envoyer ses déchets composites, durcis (Niveau 4) et non durcis (Niveau 3), de 11 sites de fabrication vers ELG pour la récupération de fibre de carbone. C'est un début, et il est temps que d'autres fabricants emboîtent le pas. Aucune excuse n'est permise.