Dans une victoire pour la chimie, les inventeurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont conçu un chemin en boucle fermée pour synthétiser un polymère renforcé de fibres de carbone, ou CFRP, exceptionnellement résistant, et récupérer ensuite toutes ses matières premières.

Matériau composite léger, solide et résistant, le CFRP est utile pour réduire le poids et augmenter le rendement énergétique des automobiles, des avions et des engins spatiaux. Cependant, les CFRP conventionnels sont difficiles à recycler. La plupart sont des matériaux à usage unique, leur empreinte carbone est donc importante. En revanche, la technologie en boucle fermée d'ORNL, publiée dans Cell Reports Physical Science , accélère la résolution de ce grand défi.

"Nous avons incorporé une réticulation dynamique dans un polymère de base pour le fonctionnaliser. Ensuite, nous avons ajouté un agent de réticulation pour le rendre semblable aux matériaux thermodurcis", a déclaré Md Anisur Rahman, chimiste et inventeur de l'ORNL. "La réticulation dynamique nous permet de rompre les liaisons chimiques et de retraiter ou recycler les matériaux composites en fibre de carbone."

Un matériau thermodurci classique est réticulé de manière permanente. Une fois synthétisé, durci, moulé et mis en forme, il ne peut pas être retraité. Le système d'ORNL, quant à lui, ajoute des groupes chimiques dynamiques à la matrice polymère et à ses fibres de carbone intégrées. La matrice polymère et les fibres de carbone peuvent subir plusieurs cycles de retraitement sans perte de propriétés mécaniques, telles que la résistance et la ténacité.

Rahman a dirigé l’étude avec le chimiste ORNL Tomonori Saito, qui a été honoré par Battelle en 2023 en tant qu’inventeur ORNL de l’année. Rahman et Menisha Karunarathna Koralalage, boursière postdoctorale de l'ORNL, ont mené la plupart des expériences. Le trio a déposé une demande de brevet pour cette innovation.

"Nous avons inventé un composite de fibre de carbone résistant et recyclable", a déclaré Saito. "La fibre et le polymère ont une très forte adhésion interfaciale grâce à la présence de liaisons dynamiques." L'interface verrouille les matériaux ensemble via des interactions covalentes et les déverrouille à la demande en utilisant la chaleur ou la chimie. Saito a ajouté :"La fibre fonctionnalisée a une réticulation échangeable dynamique avec ce polymère. La structure composite est vraiment résistante en raison des caractéristiques de l'interface. Cela en fait un matériau très, très résistant."

Les polymères conventionnels comme les époxy thermodurcis sont généralement utilisés pour lier de manière permanente des matériaux tels que le métal, le carbone, le béton, le verre, la céramique et le plastique afin de former des matériaux à plusieurs composants tels que les composites. Cependant, dans le matériau ORNL, le polymère, les fibres de carbone et l'agent de réticulation, une fois thermodurcissables, peuvent être réincarnés dans ces matériaux de départ. Les composants du matériau peuvent être recyclés lorsqu'un alcool spécial appelé pinacol remplace les liaisons covalentes de l'agent de réticulation.

Le recyclage en boucle fermée à l’échelle du laboratoire n’entraîne aucune perte de matières premières. "Lorsque nous recyclons les composites, nous récupérons 100 % des matières premières :l'agent de réticulation, le polymère, la fibre", a déclaré Rahman.

"C'est l'importance de notre travail", a déclaré Saito. "Les autres technologies de recyclage des composites ont tendance à perdre les matières premières des composants au cours du processus de recyclage."

D'autres avantages des CFRP réticulés de manière réversible sont un thermodurcissement rapide, un comportement auto-adhésif et une réparation des microfissures dans la matrice composite.

À l'avenir, le recyclage en boucle fermée des CFRP pourrait transformer la fabrication à faible émission de carbone, à mesure que des matériaux légers et circulaires seront intégrés aux technologies d'énergie propre.

Les chercheurs se sont inspirés de la nature, qui utilise des interfaces dynamiques pour créer des matériaux robustes. La nacre, la nacre irisée contenue dans les coquilles des moules marines et autres mollusques, est exceptionnellement résistante :elle peut se déformer sans se briser. De plus, les moules marines adhèrent fortement aux surfaces mais dissipent de l'énergie pour les libérer lorsque cela est nécessaire.

Les chercheurs visaient à optimiser la chimie interfaciale entre les fibres de carbone et la matrice polymère afin de renforcer l'adhésion interfaciale et d'améliorer la ténacité du CFRP. "La résistance de notre composite est presque deux fois supérieure à celle d'un composite époxy classique", a déclaré Rahman. "Les autres propriétés mécaniques sont également très bonnes."

La résistance à la traction, ou la contrainte qu'un matériau peut supporter lorsqu'il est tiré, était la plus élevée jamais rapportée parmi les matériaux composites similaires renforcés de fibres. Il était de 731 mégapascals, soit plus résistant que l'acier inoxydable et qu'un composite CFRP conventionnel à base d'époxy pour automobiles.

Dans le matériau ORNL, la liaison covalente dynamique entre l'interface de la fibre et le polymère présentait une adhésion interfaciale 43 % supérieure à celle des polymères sans liaisons dynamiques.

Les liaisons covalentes dynamiques permettent un recyclage en boucle fermée. Dans un matériau matriciel classique, les fibres de carbone sont difficiles à séparer du polymère. La méthode chimique d'ORNL, qui coupe les fibres au niveau des sites fonctionnels, permet de séparer les fibres du polymère pour les réutiliser.

Karunarathna Koralalage, Rahman et Saito ont modifié un polymère de base, appelé S-Bpin, avec l'aide de Natasha Ghezawi, étudiante diplômée au Centre Bredesen pour la recherche interdisciplinaire et l'enseignement supérieur de l'Université du Tennessee à Knoxville. Ils ont créé un copolymère styrène-éthylène-butylène-styrène recyclé, qui incorpore des groupes ester boronique qui se lient de manière covalente à un agent de réticulation et à des fibres pour générer le CFRP résistant.

Le CFRP étant un matériau complexe, sa caractérisation détaillée a nécessité une expertise et une instrumentation diverses. Chris Bowland d'ORNL a testé les propriétés de traction. Grâce à la cartographie Raman, Guang Yang de l'ORNL a montré la répartition des espèces chimiques et structurelles. Catalin Gainaru et Sungjin Kim, tous deux de l'ORNL, ont capturé des données rhéologiques, et Alexei Sokolov, président du gouverneur de l'UT-ORNL, les a élucidées.

La microscopie électronique à balayage réalisée par Bingrui Li, de l'ORNL et de l'UT, a révélé que la fibre de carbone conservait sa qualité après recyclage. Vivek Chawla et Dayakar Penumadu, tous deux de l'UT, ont analysé la résistance au cisaillement interlaminaire. Grâce à la spectroscopie photoélectronique à rayons X, Harry Meyer III de l'ORNL a confirmé quelles molécules étaient attachées aux surfaces des fibres. Amit Naskar de l'ORNL, un expert renommé en fibre de carbone, a examiné le document.

Les scientifiques ont découvert que le degré de réticulation dynamique est important. "Nous avons constaté qu'une réticulation à 5 % fonctionne mieux qu'à 50 %", a déclaré Rahman. "Si nous augmentons la quantité d'agent de réticulation, cela commence à rendre le polymère cassant. En effet, notre agent de réticulation possède trois structures volumineuses semblables à des mains, capables d'établir plus de connexions et de diminuer la flexibilité du polymère."

Ensuite, l'équipe de recherche souhaite mener des études similaires avec des composites de fibre de verre, qui maintiennent des performances élevées tout en réduisant le coût et l'empreinte carbone des applications dans les domaines de l'aérospatiale, de l'automobile, de la marine, du sport, de la construction et de l'ingénierie. Ils espèrent également réduire les coûts de la nouvelle technologie afin d'optimiser les perspectives commerciales d'un futur licencié.

"Cette étape ouvrira davantage d'applications, notamment pour les éoliennes, les véhicules électriques, les matériaux aérospatiaux et même les articles de sport", a déclaré Rahman.

Plus d'informations : Md Anisur Rahman et al, Composites en fibre de carbone résistants et recyclables avec une adhésion interfaciale exceptionnelle via une interface fibre vitrimer sur mesure, Cell Reports Physical Science (2023). DOI :10.1016/j.xcrp.2023.101695

Fourni par le Laboratoire national d'Oak Ridge