Le plastique renforcé de fibres de verre (GFRP), un matériau composite solide et durable, est largement utilisé dans tous les domaines, des pièces d'avion aux pales d'éoliennes. Pourtant, les qualités mêmes qui le rendent suffisamment robuste pour être utilisé dans de nombreuses applications différentes rendent son élimination difficile. Par conséquent, la plupart des déchets de GFRP sont enfouis dans une décharge une fois qu'ils atteignent leur fin de vie.

Selon une étude publiée dans Nature Sustainability , des chercheurs et collaborateurs de l'Université Rice ont développé une nouvelle méthode de recyclage économe en énergie pour transformer le plastique renforcé de fibres de verre (GFRP) en carbure de silicium, largement utilisé dans les semi-conducteurs, le papier de verre et d'autres produits.

"Le GFRP est utilisé pour fabriquer de très grandes choses, et pour la plupart, nous finissons par enterrer les structures des ailes des avions ou les pales d'éoliennes dans une décharge", ont déclaré James Tour, du T.T. et W.F. Professeur Chao et professeur de chimie, de science des matériaux et de nano-ingénierie. "Éliminer le GFRP de cette manière n'est tout simplement pas durable. Et jusqu'à présent, il n'existait aucun moyen efficace de le recycler."

Avec la pression croissante des agences de réglementation pour réviser et améliorer les pratiques de recyclage des véhicules en fin de vie, il existe un besoin urgent de meilleures méthodes pour gérer les déchets GFRP.

Alors que certains ont essayé de développer des approches utilisant l'incinération ou la solvolyse pour se débarrasser du GFRP, Yi Cheng, associé de recherche postdoctoral et chercheur junior de la Rice Academy qui travaille dans le laboratoire Tour, a déclaré que de tels processus sont loin d'être idéaux car ils nécessitent beaucoup de ressources et entraîner une contamination de l'environnement.

"Ce matériau contient du plastique à la surface de la fibre de verre, et l'incinération du plastique peut générer beaucoup de gaz toxiques", a déclaré Cheng. "Essayer de dissoudre le GFRP est également problématique car cela peut générer beaucoup de déchets acides ou basiques à partir des solvants. Nous voulions trouver un moyen plus respectueux de l'environnement de traiter ce matériau."

Le laboratoire de Tour a déjà fait la une des journaux pour le développement de nouvelles applications d'élimination et de recyclage des déchets utilisant le chauffage flash Joule, une technique qui fait passer un courant à travers un matériau modérément résistif pour le chauffer rapidement à des températures exceptionnellement élevées et le transformer en d'autres substances.

Tour a déclaré que lorsqu'il a appris les problèmes liés à l'élimination du GFRP par des collègues de la Defense Advanced Research Projects Agency, il a pensé que ce type de turbochauffage pourrait transformer le GFRP en carbure de silicium, largement utilisé dans les semi-conducteurs et le papier de verre.

"Nous savions déjà que si nous chauffions le mélange de chlorure métallique et de carbone par chauffage Flash Joule, nous pourrions obtenir du carbure métallique - et lors d'une démonstration, nous avons fabriqué du carbure de silicium", a déclaré Tour. "Nous avons donc pu tirer parti de ce travail pour mettre au point un processus permettant de transformer le GFRP en carbure de silicium."

Ce nouveau procédé broie le GFRP en un mélange de plastique et de carbone et consiste à ajouter davantage de carbone, si nécessaire, pour rendre le mélange conducteur. Les chercheurs lui appliquent ensuite une haute tension à l'aide de deux électrodes, portant sa température à 1 600-2 900 degrés Celsius (2 912-5 252 Fahrenheit).

"Cette température élevée facilite la transformation du plastique et du carbone en carbure de silicium", a expliqué Tour. "Nous pouvons fabriquer deux types différents de carbure de silicium, qui peuvent être utilisés pour différentes applications. En fait, l'un de ces types de carbure de silicium présente une capacité et des performances supérieures en tant que matériau d'anode de batterie."

Bien que cette étude initiale soit un test de validation de principe à l'échelle du laboratoire, Tour et ses collègues travaillent déjà avec des sociétés extérieures pour étendre le processus en vue d'une utilisation plus large. Les coûts d'exploitation pour recycler le GFRP sont inférieurs à 0,05 $ par kilogramme, ce qui est beaucoup moins cher que l'incinération ou la solvolyse, et plus respectueux de l'environnement.

Il faudra du temps – et une bonne ingénierie – pour développer de manière appropriée cette nouvelle méthode de recyclage flash, a déclaré Tour. Il s'est dit ravi que son laboratoire ait pu développer un moyen durable de transformer les déchets GFRP en trésor de carbure de silicium.

"Ce GFRP est un déchet qui finit généralement dans une décharge, et vous pouvez désormais le transformer en un produit utilisable qui peut aider l'humanité", a-t-il déclaré. "C'est exactement le genre d'approche dont nous avons besoin pour soutenir une économie circulaire. Nous devons trouver des moyens de récupérer les déchets provenant d'une grande variété d'applications différentes et de les transformer en de nouveaux produits."

Plus d'informations : Yi Cheng et al, Valorisation éclair de déchets de plastiques renforcés de fibres de verre en carbure de silicium, Nature Sustainability (2024). DOI :10.1038/s41893-024-01287-w

Fourni par l'Université Rice