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Des matériaux composites pas encore recyclés à hauteur de leur valeur

Date de publication
23 février 2018
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Matériaux composites

Le recyclage de ces matériaux composites est essentiel pour l’industrie. Or, encore 20% des déchets plastiques et composites sont mis en décharge.

Les matériaux composites, constitués d’une matrice polymère et de fibres de renfort, sont partout. Largement utilisés dans différents secteurs porteurs de la Wallonie, de la Flandre ainsi qu’en France – transports (automobile, ferroviaire), les sports et loisirs, le sanitaire, l’éolien ou encore l’aéronautique – la production de composites de grande diffusion est évaluée à 2,8 millions de tonnes, en Europe. Certains de ces composites, à haute performance, sont de très grandes valeurs : le seul marché des composites à fibres de carbone était évalué en Europe à 6,0 milliards de dollars en 2017. Le recyclage de ces composites reste donc un enjeu essentiel pour l’industrie. Or, pour encore 20% des déchets plastiques et composites, la seule « solution » reste la mise en décharge.

Pour aider les entreprises actives dans ce domaine à trouver de nouvelles solutions de recyclage et de valorisation, l’Europe a mandaté six équipes de recherche wallonnes, flamandes et françaises pour développer des solutions innovantes transférables vers le monde économique de la zone. Des recherches ont notamment été menées autour de bateaux de plaisance hors d’usage ou de la transformation de certains déchets en matériaux ignifuges.

Les matériaux composites : un marché gigantesque

A l’échelle mondiale, on retrouve les composites dans divers secteurs :

Matériaux compositesLe secteur automobile reste le secteur le plus important en volume pour les composites. Les constructeurs poursuivent leurs recherches de matériaux innovants pour compenser l’augmentation de masse des véhicules et atteindre les objectifs d’efficacité et de réduction d’émissions de CO2.
Le secteur du bâtiment est le deuxième secteur en volume, et a augmenté de 6,2% entre 2014 et 2015. Les logements neufs nécessitent des équipements et structures composites à fibres de verre : baignoires, portes, fenêtres, panneaux…
Aéronautique et spatial : c’était le secteur en plus forte croissance entre 2014 et 2015, et celle-ci devrait se poursuivre. Les plans de productions des plus importants avionneurs, comme Airbus, Boeing et Bombardier, prévoient des montées en cadence dans les prochaines années. Plusieurs programmes en cours incluent une proportion inédite de matériaux composites, jusqu’à 50% en masse.
Industrie pétrolière : la demande en matériaux composites dans ce secteur a fortement baissé en 2015 en raison de la chute des cours du pétrole et du gaz.
Éolien : aux États-Unis, le marché des composites dans le secteur éolien avait progressé de 24,5% en 2015. Le ministère américain de l’énergie avait subventionné à hauteur de 1,8 milliards de dollars la recherche et le développement pour améliorer la fabrication, le transport et l’assemblage de pales de plus de 60 mètres.

Un marché de 2,8 millions de tonnes en Europe

matériaux compositesLe marché mondial des matériaux composites était estimé à 8,5 millions de tonnes en 2014. En Europe, selon le rapport de la fédération allemande des plastiques renforcés AVK publié en septembre 2017, la production de composites de grande diffusion est évaluée à 2,8 millions de tonnes.

On y relève essentiellement deux types de matériaux composites :

• 1.118 kilotonnes de composites thermodurcissables renforcés de fibres de verre (46 et 112 kilotonnes au Benelux et en France respectivement) ;
• 1.360 kilotonnes de composites thermoplastiques fibres courtes.

Matériaux composites à fibres de carbone: valeur ajoutée très importante

matériaux compositesLes matériaux composites à fibres de carbone représentent, eux, des volumes beaucoup plus faibles (la demande mondiale était estimée à 101.000 tonnes pour 2016).

Cependant, ces matériaux composites à haute performance présentent une valeur ajoutée très importante. Pour l’Europe, située en seconde position derrière l’Amérique du Nord, le marché était évalué à 6,0 milliards de dollars en 2017.

Dans ce contexte, le recyclage des matériaux composites constitue un enjeu majeur afin de répondre à la volonté européenne d’aller vers une économie circulaire pour réduire la production de déchets et les recycler pour en faire une source de matières premières.

Traitement des déchets : 20% des déchets plastiques et matériaux composites en décharge

La hiérarchie des modes de traitement des déchets qui sous-tend la législation sur les déchets (directive-cadre 2008/98/EC) conduit à l’adoption de solutions privilégiées de prévention, réemploi et recyclage des déchets, en limitant la valorisation énergétique.

A l’heure actuelle en Europe (d’après Plastics Europe, « Plastics – The Facts 2017 ») :

• 41% des déchets plastiques sont recyclés ;
• 39% partent en valorisation énergétique.

Par contre, 20% des déchets plastiques et composites sont encore mis en décharge.

Dans le périmètre transfrontalier, de nombreuses PME dispersées qui utilisent des composites ou se diversifient vers les composites ont besoin de soutien concret pour le recyclage de ces matériaux.

Le projet transfrontalier RECY-COMPOSITE, démarré au 1er avril 2016 (Interreg France-Wallonie-Vlaanderen) et doté d’un budget de 3.180.556,30€, avait pour ambition de répondre à ce besoin par une recherche appliquée dans la perspective de développer des solutions innovantes transférables vers le monde économique de la zone.

Les partenaires du projet Interreg RECY-COMPOSITE ont répondu au défi du recyclage des matériaux composites par une approche transfrontalière globale à trois niveaux : recyclage matière, recyclage thermochimique (pyrolyse, solvolyse) et valorisation énergétique uniquement si le recyclage n’est pas possible.

La recherche appliquée a été menée sur les déchets de production de composites thermodurcissables et sur les matériaux composites en fin de vie, thermodurcissables ou thermoplastiques. Cette approche globale et innovante a été rendue possible en rassemblant les compétences complémentaires des six partenaires RECY-COMPOSITE qui ont apporté une réelle valeur ajoutée au développement commun des actions transfrontalières.

La collaboration transfrontalière, grâce à la mutualisation des compétences et des moyens complémentaires des partenaires – Certech (Chef de file), CREPIM (France), CTP (Wallonie), Mines Douai – Armines (France), VKC-Centexbel (Vlaanderen) – a permis de maximiser l’impact du projet pour les industriels présents dans le périmètre transfrontalier.

Les échanges et le partage des savoirs spécifiques et des bonnes pratiques ont facilité l’avancement de la recherche pour le développement de nouveaux produits issus du recyclage des composites.

Le consortium collabore également de manière constructive avec les structures de valorisation régionales et notamment les pôles de compétitivité et les clusters afin d’augmenter les contacts avec les entreprises des secteurs du recyclage et des composites.

La recherche : des résultats concrets pour des bateaux de plaisance hors d’usage

Les équipes du projet ont travaillé sur deux familles de plastiques (thermodurcissables ou thermoplastiques) et deux familles de fibres (verre ou carbone).

La première étape de traitement des composites à recycler implique la réduction granulométrique. Sur ces produits difficilement fragmentables, cette étape est délicate à cause de l’échauffement produit par les technologies classiques.

D’autre part, le défi est de réduire la taille des morceaux tout en garantissant une dimension minimale des fibres qu’ils contiennent.

Broyer les matériaux composites et les réincorporer en matrice

matériaux compositesLe recyclage matière consiste à broyer les composites et à les réincorporer dans des matrices vierges. De par son expérience, le CTP s’est attaqué au broyage des composites thermodurcissables, couramment utilisés dans certains panneaux de signalisation ou les Bateaux de Plaisance Hors d’Usage (BPHU).

Différentes technologies de broyage ont été utilisées comme l’emploi de broyeur à percussions ou à couteaux qui s’est imposé. Il s’est avéré que ce type de broyage à impact, avec des paramètres corrects, permettait de broyer le matériau composite en conservant une partie des fibres avec une longueur convenable. Le tamisage de cette fraction, également avec des paramètres adaptés, permet de récupérer la fraction fibreuse.

matériaux compositesLes composites broyés ont également été caractérisés au niveau de la distribution des tailles, de la quantité de résine et de l’état de surface des fibres obtenus. Un protocole de caractérisation combinée des tailles et des formes des constituants des composites broyés est en cours d’élaboration afin de permettre de quantifier des proportions de fibres libérées et de matrice plastique dans un flux donné pour orienter sa valorisation.
Les pièces composites ne sont pas uniquement constituées de résine et de fibres, des éléments d’autres matières peuvent également y figurer.

Un exemple: une pièce automobile en composite thermoplastique dans lequel des éléments d’un filtre en papier, ainsi que des écrous en laiton sont trouvés.

La première étape a consisté à libérer les éléments, c’est-à-dire à faire en sorte que chaque élément constitutif soit indépendant l’un de l’autre.

Un broyage au monorotor, une technique de broyage appliquée aux matériaux tendres, a permis cette libération. Un criblage a été utilisé pour récupérer le filtre papier qui n’avait peu ou pas été impacté par le broyage. Afin de retirer les éléments en laiton, une séparation par courant de Foucault a été entreprise : cette séparation fait appel aux « courants de Foucault » qui sont des micro-courants générés quand un matériau conducteur est placé dans un champ magnétique variable. Ces micro-courants génèrent un champ magnétique opposé au champ d’origine et le matériau conducteur est ainsi éjecté du flux de matière.

Recyclage chimique par solvolyse des matériaux composites

Matériaux compositesDans l’optique du recyclage des composites thermodurcissables, Certech investigue également la voie de recyclage chimique par solvolyse. Cette technique, pas encore appliquée à l’échelle industrielle, est prometteuse pour régénérer des fibres recyclées de haute qualité.

Elle consiste en un traitement du composite dans un solvant sous température et pression afin de dépolymériser la matrice et libérer les fibres.

Le but poursuivi dans le cadre du projet est de trouver des conditions de traitement (solvants, co-solvants, additifs, conditions opératoires) permettant de recycler différents types de matériaux composites en assurant la qualité des fibres recyclées et la valorisation des molécules issues de la dégradation de la matrice (récupérées en phase liquide dans le solvant en fin de traitement).

Des premiers essais sur un composite époxy / fibre de carbone ont montré qu’il était possible d’éliminer la totalité de la matrice moyennant un choix judicieux des solvants, additifs et conditions opératoires.

Transformer les déchets en matériaux ignifuges

Matériaux compositesUne voie innovante testée par le CREPIM est l’utilisation de matières recyclées ou des produits issus du recyclage chimique en tant qu’agents de charbonnisation (source de carbone) pour la mise au point de systèmes intumescents, c’est-à-dire de systèmes qui gonflent lorsqu’ils sont mis en contact avec une source de chaleur. Ce gonflement permet de protéger le matériau du feu, donc de le rendre ignifuge.

Différentes formulations seront élaborées afin d’évaluer le caractère ignifuge de ces nouveaux agents et de les confronter aux essais normalisés pour accélérer leur mise sur le marché. Les marchés visés en particulier seront les produits d’aménagement intérieurs ferroviaire et aéronautique ainsi que les produits de construction. Des premières formulations utilisant du polyamide issu de matériaux composites recyclés ont ainsi donné des résultats prometteurs.

Les recherches au sein de IMT Lille-Douai / Armines se sont concentrées sur l’analyse de l’impact du recyclage mécanique de biocomposites alliant une matrice polyamide (PA6) avec des fibres courtes de lin via un procédé innovant d’extrusion assistée par injection d’eau.

Pour simuler ce procédé de recyclage, des composites PA6/lin renforcés à hauteur de 20% ont été fabriqués par extrusion et injection, ceux-ci ont ensuite été soumis à un cycle de recyclage en les broyant et en réitérant les étapes d’extrusion, avec et sans eau, puis d’injection.

Les propriétés générales des composites ont été évaluées (mécaniques, thermiques, morphologiques, rhéologiques) ainsi que leur évolution à l’issue du premier cycle de recyclage avec et sans eau.
Ainsi l’impact du recyclage a pu être quantifié sur ces propriétés, de même que les avantages et inconvénients de l’injection d’eau lors du recyclage par rapport à un procédé de recyclage classique.

Un soutien concret aux PME

Ainsi, l’entreprise Vivatex (PME de la zone transfrontalière) collabore avec la société allemande A Composites qui fournit des matériaux à base de fibres longues thermoplastiques. Le partenaire VKC-Centexbel a pu apporter un soutien à Vivatex qui s’est traduit par une mise en contact avec Paneltim, PME de la zone Interreg qui fabrique des grands panneaux en plastique recyclé (PP et PE). Grâce au conseil reçu dans le contexte du projet Recy-Composite, une collaboration a démarré entre les deux entreprises. Les panneaux de Paneltim sont renforcés avec les fibres de Vivatex. Étant donné que le matériau est entièrement à base thermoplastique, il peut être recyclé sans problème. Dans le cas d’un renforcement classique avec des thermodurcissables, le recyclage aurait été beaucoup plus difficile.

De plus, il est intéressant de souligner que d’autres conseils Recy-Composite ont conduit à l’initiation de nouveaux projets collaboratifs en dehors du programme Interreg (par exemple Bel SME, VLAIO, SIM….).

Ces résultats impressionnants ont fait l’objet d’une conférence de presse organisée le 22 février 2018, par les différents partenaires du projet. Elle a été organisée avec le soutien d’InnovaTech.

Retrouvez les reportages des médias présents: JT de la RTBF, Notélé, RTLLe Courrier de l’EscautVivre Ici

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