Low environmental impact recycling process of continuous carbon fibers from epoxy/unidirectional carbon fibers structural composites
Recyclage à faible impact environnemental de fibres de carbone continues, issues de composites structuraux époxy/nappes de carbone
Résumé
The aim of this thesis is the tailoring and implementation of a low
environmental impact recycling process of structural epoxy / unidirectional continuous carbon
fibers (CF). Thermogravimetric and turbidimetric analysis, allowed us to assess the efficiency
of the reactive formulas developed in the laboratory. The reaction medium made with
propylene carbonate, hydrogen peroxide and citric acid was optimized by quantitative
structure-property relationships (QSPR). The reactive formulation can depolymerize the
epoxy matrix of a one-ply composite in less than 24 hours at 60 °C under atmospheric
pressure. The process recovers continuous carbon fibers; their length only depends on the
shape of the reactor.
By using different models of epoxy matrices, the selectivity of the solution was determined,
and a reaction mechanism was proposed. The latter shows the cleavage of C-N bonds due to
network oxidation and the formation of N-H reactive functions, allowing chemical reactions
to revalorize the depolymerized matrix.
Recycled carbon fibers were analysed by scanning electron microscopy (SEM) and tensile
tests. They exhibit a clean surface and 89 % of the Young Modulus of virgin sized carbon
fibers was maintained.
Recycled continuous carbon fibers were used to develop biobased epoxy matrix composites.
Virgin carbon fibers composites using the same biobased matrix were used as reference. SEM
analysis of cryo-fractured composites show a similar CF/matrix continuity. At glassy state,
the shear conservative modulus was measured by dynamic mechanical analysis (DMA) with a
value of 3.2 GPa for recovered carbon fibers composites and 4.1 GPa for original carbon
fibers composites. This deviation is due to lack of sizing of the recycled CF. The results show
the performance and the significance of continuous CF recycling for the development of
technical composites.
Ces travaux de thèse concernent la conception et la mise en œuvre d’un procédé
chimique de recyclage de composites structuraux époxy / fibres de carbone continues à faible
impact environnemental. L’efficacité de différentes formulations réactives oxydantes,
développées au sein du laboratoire, a été évaluée par Analyse Thermogravimétrique et
Turbidimétrie. La solution retenue, constituée de carbonate de propylène, de peroxyde
d’hydrogène et d’acide citrique a été optimisée par étude de relations quantitatives structure-
propriété (QSPR). Le milieu réactionnel formulé permet de dépolymériser la matrice
polyépoxy d’un composite monopli en moins de 24 heures à 60 °C et à pression
atmosphérique. Il permet également la récupération de fibres continues dont la longueur n’est
limitée que par la morphologie du réacteur utilisé.
A partir de la mise en œuvre de matrices polyépoxy modèles, la sélectivité du milieu a été
déterminée, et un mécanisme réactionnel a pu être proposé. Ce dernier met en évidence la
rupture des liaisons C-N lors de l’oxydation du réseau et la formation de fonctions réactives
N-H, dont la nature permet d’envisager des voies chimiques de revalorisation de la matrice
dépolymérisée.
Les fibres de carbone recyclées, analysées par microscope électronique à balayage et essais de
traction, présentent une surface de fibre propre et conservent 89 % de la valeur du module
d’Young des fibres initiales désensimées.
Les fibres de carbone continues récupérées ont été utilisées pour la mise en œuvre de
composites à matrice polyépoxy biosourcée. Des composites élaborés avec la même matrice,
mais avec des fibres de carbone initiales, ont été utilisés comme référence. L’analyse MEB
des cryofractures de ces matériaux montre une continuité fibre / matrice analogue. Le module
conservatif en cisaillement du composite à l’état vitreux, a été mesuré par analyse mécanique
dynamique. Sa valeur est de 3,2 GPa pour le composite avec fibres recyclées contre 4,1 GPa
pour un composite avec fibres initiales ensimées. Cet écart s’explique par l’absence
d’ensimage des fibres recyclées. Ces résultats montrent les performances et l’intérêt du
recyclage des fibres de carbone continues pour la mise en œuvre de composites techniques.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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