Traitement des déchets composites et valorisation dans l’industrie automobile

Les matériaux composites ont connu un grand essor durant ces dernières années, dans des industries variées comme l’aéronautique, l’automobile, le bâtiment  ou encore le sport. Ces matériaux se distinguent de par leurs structures et leurs propriétés. En effet, ils présentent une structuration complexe. Ils intègrent différents composants (renforts et matrices) dans le but d’en associer les propriétés pour atteindre des performances inédites. La matrice du composite agit comme un liant et assure la cohésion du matériau.  Les renforts (comme leur nom l’indique) viennent quant à eux renforcer le matériau. Ils sont donc sélectionnés en fonction des propriétés visées.

On catégorise généralement les matériaux composites selon le type de matrice utilisée (Figure 1)

• Tout d’abord, la matrice métallique : ce type de composite est utilisé principalement pour des applications dans le secteur aérospatial, grâce à ses propriétés mécaniques intéressantes.
• Mais aussi, la matrice céramique : ces matériaux sont très peu répandus de par leur coût. Ils sont utilisés dans des domaines de pointe. Par exemple, l’industrie nucléaire ou spatiale, où des températures élevées sont atteintes.
• Et enfin, la matrice organique : ces composites sont les plus répandus. On en retrouve différents types, selon la nature de la matrice qui peut être thermoplastique ou thermodurcissable et conditionnera les propriétés du composite final. Ces matériaux sont relativement bon marché, ce qui a participé à leur essor.

Figure 1 : Types de matrices de matériaux composites.

Le prix des matériaux composites et donc, par extension, leur attrait pour certaines industries, est grandement dépendant de celui des renforts.

Ainsi, il est intéressant d’employer à nouveau ces renforts lorsque le matériau arrive en fin de vie et que le recyclage est possible. Par exemple, les fibres de carbone pouvant être trouvées dans certains déchets composites peuvent être revalorisées à des prix bien supérieurs aux fibres de verre « neuves ». En outre, des efforts sont consentis par les industriels pour le recyclage et la valorisation des matériaux composites. Notamment face à une pression réglementaire de plus en plus importante. Cela aboutit à la mise en place de nouvelles filières de traitement des composites. Ainsi qu’à d’importants efforts de recherche dans ce domaine. Principalement pour des matrices organiques et des renforts en fibre de carbone.

En effet, le recyclage des composites à matrices organiques plastiques est problématique. Afin d’assurer une cohésion maximale des fibres avec la matrice, ce qui permet par exemple une transmission optimale des efforts mécaniques, des traitements de surface (oxydation, dépôt d’ensimage) sont appliqués aux fibres. Des charges peuvent également être ajoutées à la formulation de la matrice. De par leur objectif même, ces différents traitements et ajouts ont un impact négatif sur la capacité du composite à être recyclé. En effet, il est alors nécessaire de rompre les liaisons entre la matrice et les renforts.

Dans ce contexte, plusieurs voies peuvent être envisagées pour la valorisation des déchets composites. Et plus particulièrement de ceux à matrice organique (Figure 2) :

• La voie mécanique. Elle consiste principalement à broyer le composite pour obtenir une poudre. Celle-ci pourra être utilisée comme renfort dans un autre composite. Toutefois, ce traitement endommage la structure des fibres, ce qui a un impact négatif considérable sur leurs propriétés mécaniques.
• Des procédés thermiques. Selon la voie qui est choisie, l’efficacité du procédé et les matériaux obtenus en sortie de procédé peuvent grandement varier. En effet, certains procédés thermiques permettent seulement une valorisation énergétique du composite, comme l’incinération. D’autres permettent de valoriser à la fois de l’énergie (par combustion de gaz par exemple) et les fibres récupérées.
• Les procédés chimiques concentrent les principaux développements de ces dernières années, notamment grâce à leurs avantages. Ils permettent en effet à la fois de valoriser les renforts, mais également les monomères de la matrice, les charges, etc. Ces procédés sont néanmoins techniquement complexes et sont actuellement déployés à l’échelle du laboratoire ou du pilote.
• Des procédés biologiques peuvent être rencontrés. Cependant leur application est limitée à certains types de composites biodégradables, ce qui n’est pas le cas de la majeure partie des composites utilisés dans l’industrie.

Figure 2 : Différents procédés pouvant être employés pour le recyclage des composites à matrices organiques .

Dans le cas de procédés thermiques et chimiques, une fois que les renforts ont été séparés de la matrice, il est possible de les réutiliser dans d’autres matériaux composites. Pour les fibres de carbone, des travaux ont ainsi été entrepris pour étudier l’impact de certains procédés thermiques et chimiques sur les propriétés mécaniques des fibres. Mais également sur leur état de surface, conditionnant les propriétés du matériau composite à fibres recyclées.

Ainsi, des essais réalisés ont permis de mettre en évidence qu’il était possible pour les fibres de retrouver leurs propriétés mécaniques initiales. Il a aussi été mis en évidence leur capacité à retrouver un état de surface propre, selon les procédés employés. Cela a permis aux industriels du secteur automobile de développer de nouvelles pièces en composites à fibres de carbone recyclées.

Plastic Omnium a par exemple lancé la production de pièces de structure en matériau composite à base de fibres de carbone recyclées pour un grand constructeur automobile européen. Il a ainsi mis en évidence le potentiel des fibres recyclées pour des applications de haute technicité. De la même manière, ELG Carbon Fibre a collaboré avec Gordon Murray, designer renommé du secteur de la F1, pour développer un châssis entièrement en composites à renforts carbone, intégrant des panneaux composites à fibres de carbone recyclées (Figure 3) .

Figure 3 : Châssis développé par ELG Carbon Fibre et Gordon Murray. Crédit photo : Gordon Murray Design.

Les composites issus de matériaux recyclés ont donc de beaux jours devant eux.

Notamment de par la conservation des propriétés mécaniques intéressantes des renforts, et de par l’importance des investissements consentis par les différents acteurs du secteur. Le recyclage des composites attire même des investissements d’entreprises spécialisées dans le recyclage complexe d’autres pièces automobiles. Par exemple, les pneus avec Pyrum Innovations, en adaptant leurs procédés aux matrices et renforts. Ces efforts permettront de limiter l’impact environnemental de l’utilisation de ces composites. Vers une mise au vert toujours plus importante du secteur automobile et sa participation grandissante l’économie circulaire.

Références :

1. FOTI, « Effect of the Environment on the Fatigue Behaviour of Textile Organic Matrix Composite Materials for Aircraft Applications », Thèse de doctorat, ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechique – Poitiers, 2017.
2. BHANAGE et K. PADMANABHAN, « Design for fatigue and simulation of glass fibre/epoxy composite automobile leaf spring », ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 9, N° 3, 2014.
3. SANGRUTSAMEE, P. SRICHANDR et N. POOLTHONG, « Re-Pulped Waste Paper-Based Composite Building Materials with Low Thermal Conductivity”, Journal of Asian Architecture and Building Engineering, Vol. 11, N° 1, 2012.
4. J. DOJAN, D. A. JOHNSON, S. S. KOHATSU, C.-C. HUANG, “Shoe with composite upper and foam element and method of making same », Brevet n° US9572404, 2009.
5. Y. YE, « Valorisation de déchets composites à renfort de fibres de carbone par un procédé de vapo-thermolyse », Thèse de doctorat, Université de Toulouse, 2012.
6. Council Directive 1999/31/EC of 26 April 1999 on the landfill of waste.
7. Krawczak, « Recyclage des composites », Techniques de l’ingénieur, Plasturgie : procédés spécifiques aux composites, 2012.
8. BOULANGHIEN, « Formulations de composites thermoplastiques à partir de fibres de carbone recyclées par vapo-thermolyse », Thèse de doctorat, Ecole des Mines d’Albi-Carmaux, 2014.
9. Plastic Omnium, « Plastic Omnium primé pour ses innovations dans les matériaux composites avec PSA Peugeot Citroën et Hyundai Motor Europe », 2015.
10. MILBERG, « Making Green by Going Green », Composites Manufacturing, 2017, lien : http://compositesmanufacturingmagazine.com/2017/05/industry-develops-business-case-for-composites-recycling/6/.

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    Par Ahmed KARIMINE, consultant en financement de l’innovation ACIES | ABGI