Récyclage des plastiques renforcés de fibres de carbone par pyrolyse micro-ondes et applications

Les dépenses considérables liées aux diverses transformations pendant le processus de fabrication des fibres de carbone vierges limitent l'application des plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP) à des contextes de haute valeur plutôt qu'à des productions à grande échelle. Une approche alternative consiste à utiliser des fibres de carbone recyclées. Cette thèse est le fruit d’une collaboration industrielle multidisciplinaire dont un des objectifs était le développement d’un procédé de récupération de fibres de carbone à faible impact environnemental, à l’instar de la pyrolyse micro-ondes. Pour atteindre cet objectif, les travaux ont eu lieu en 4 étapes. La première étude consistait à déterminer les conditions idéales de dégradation thermique de CFRPs, au moyen d’une pyrolyse dans un four conventionnel. Les paramètres étudiés ont été la durée de réaction et la température, en atmosphère oxydante. Les expériences ont été menées à des températures allant de 450 °C à 600 °C. La durée de la pyrolyse variait de 1 à 6 heures pour chaque palier de température. Les résultats ont indiqué que les conditions optimales sont atteintes en 2.5 heures à une température de 500 °C. Ces conditions ont permis d’obtenir des fibres de carbone recyclées libres de toute résine, présentant 93 % du module en traction et 73 % de la résistance mécanique en traction de la fibre vierge. Une deuxième étude est faite en parallèle de cette première, pour valider la faisabilité du recyclage des CFRPs par pyrolyse micro-ondes. Le but de cette étude était d’identifier si les CFRPs sont un bon récepteur d’ondes. Cette seconde étude a eu lieu sous atmosphère inerte. Elle a permis de conclure que non seulement la fibre de carbone est un excellent récepteur d’ondes, mais qu’il était possible de se débarrasser de 99 % de la fraction massique de la matrice en seulement 7 minutes. Cependant aucun traitement post-pyrolyse n’a été expérimenté dans cette étude. En se servant des résultats des deux premières études, une troisième étude, avait pour objectif le développement de la pyrolyse micro-ondes. Cette troisième étude a impliqué la conduite de nombreuses expériences de pyrolyse assistée par micro-ondes, explorant l’influence sur le taux d’élimination de résine, des quatre paramètres suivants : le flux de gaz inerte, le niveau de puissance, la fréquence d’arrêt du réacteur en rotation et la durée. Pour concevoir les expériences, un Box-Behnken à 3 niveaux a été utilisé. Les résultats ont montré que le flux d’azote et la puissance ont une influence directe sur le taux d’élimination de résine tandis que la fréquence d’arrêt du réacteur et la durée ont une importance moindre. Le taux d’élimination maximal a été obtenu pour un flux d'azote maximal et une puissance maximale, qui étaient respectivement de 2,9 L/min et 914 watts pour une masse alimentée de CFRP de 15 grammes. Dans l’optique d’éliminer le noir de carbone résiduel après la pyrolyse micro-ondes, quatre traitements ont été expérimentés : (1) un traitement oxydatif thermique utilisant un applicateur à micro-ondes, (2) un traitement oxydatif thermique dans un four conventionnel, (3) une abrasion mécanique avec du sable de quartz et (4) une digestion chimique du noir de carbone. La pyrolyse micro-ondes avec du sable de quartz permet de se débarrasser de plus de 40 % du noir de carbone résiduel tandis que les trois autres traitements conduisent à une élimination complète du noir de carbone résiduel. Au terme de cette étude, il est possible de conclure qu’en utilisant un applicateur à micro-ondes, le processus complet de récupération des fibres de carbone peut être réalisé en seulement 16 minutes, soient 6 minutes pour la pyrolyse et 10 minutes pour l'oxydation thermique post-pyrolyse.

Abstract

The hefty costs associated to different transformations during the manufacturing process of virgin carbon fibers limit the application of carbon fiber-reinforced plastics (CFRP) to high-value applications rather than large-scale productions. An alternative approach is to use recycled carbon fibers. This thesis is the result of a multidisciplinary industrial collaboration, one of whose objectives was the development of a low environmental impact carbon fiber recovery process, such as microwave pyrolysis. To achieve this objective, the work was carried out in four stages. The first study aimed to determine the optimal conditions for the thermal degradation of CFRPs using pyrolysis in a conventional oven. The parameters studied were reaction time and temperature, in an oxidative atmosphere. Experiments were conducted at temperatures ranging from 450 °C to 600 °C. The duration of pyrolysis varied from 1 to 6 hours for each temperature. These experiments were conducted in air atmosphere, with the aim of eliminating the need for subsequent post-pyrolysis treatments. The results indicated that the optimal pyrolysis conditions are achieved in 2.5 hours at a temperature of 500 °C. These conditions allowed for the production of resin-free recycled carbon fibers, exhibiting 93 % of the tensile modulus and 73 % of the tensile strength of virgin fiber. A second study was conducted in parallel to the first study, to validate the feasibility of recycling CFRPs using microwave pyrolysis. The aim of this study was to determine whether CFRPs are good microwave absorber. This second study was conducted under inert atmosphere and concluded that carbon fiber is an excellent microwave absorber. It was also possible to eliminate 99 % of the mass fraction of the matrix in just 7 minutes. However, no post-pyrolysis treatment was experimented in this study. Using the results of the first two studies, a third study was designed in order to develop microwave pyrolysis. This third study involved conducting numerous microwave-assisted pyrolysis experiments, exploring the influence of the following parameters, on the resin elimination rate: inert gas flow rate, power level, reactor rotation stop frequency, and duration. To design the experiments, a three-level Box-Behnken response surface methodology was used. The results showed that nitrogen flow and power had a direct influence on the resin elimination rate, while reactor stop frequency and duration were of lesser importance. The maximum elimination rate was achieved with maximum nitrogen flow and power, which were 2.9 L/min and 914 Watts, respectively, for a CFRP feedstock mass of 15 grams. Following microwave pyrolysis, four treatments were experimented with the aim to remove the pyrolytic carbon from the surface of the recovered carbon fibers. The 4 experiments treatments are as follow: (1) a thermal oxidative treatment using a microwave applicator, (2) a thermal oxidative treatment in a conventional oven, (3) mechanical abrasion with quartz sand, (4) chemical digestion. Microwave pyrolysis combined with quartz sand removed more than 40 % of the residual pyrolytic carbon, while the other three treatments resulted in complete removal. At the end of this study, it can be concluded that using a microwave applicator, the entire process of recovering carbon fibers can be completed in 16 minutes: 6 minutes for pyrolysis and 10 minutes for thermal oxidation.