Resumen

Los compuestos reforzados con fibra se están volviendo omnipresentes como una forma de aligerar el peso en las industrias eólica, aeroespacial y automotriz, pero las tecnologías de reciclaje actuales no alcanzan una economía circular. En este trabajo, los compuestos reforzados con fibra de carbono reciclados y sulfuro de polifenileno se reciclaron y remanufacturaron utilizando tecnologías de procesamiento comunes, como el moldeo por compresión y por inyección. Se utilizó una técnica de tamizado de tamaño exclusivo industrialmente viable para retener la longitud de la fibra y reducir la variabilidad en las propiedades mecánicas de los compuestos remanufacturados. La reducción de la longitud de la fibra por sí sola no podría explicar las reducciones de resistencia aparentes en los compuestos, que proponemos se deben a la falta de homogeneidad microestructural definida por la mala dispersión de las fibras. Los futuros esfuerzos de reciclaje deben centrarse en la retención de la longitud de la fibra y una buena dispersión para que la remanufactura de compuestos sea un camino viable hacia una economía circular.

Discusión

Las fibras de carbono generalmente constituyen la mayor parte de los costos de material para los polímeros reforzados con fibra de carbono, debido en gran parte a la energía requerida para su fabricación. A un costo típico de $33-66 por kg y suponiendo una tasa conservadora de chatarra del 30%, actualmente se pierden entre 10 y 20 dólares por kg de valor de fibra de carbono virgen como residuos de fabricación. Para la viabilidad económica, el costo de recuperación debe estar por debajo de este rango, incluidos los ahorros asociados con la evitación de vertederos. La energía necesaria para el reciclaje mecánico de materiales compuestos oscila entre 0,03 y 1,33 kWh por kg³. El costo de la electricidad industrial en Estados Unidos en agosto de 2023 fue de 0,0882 dólares por kWh, lo que arroja un costo de molienda de martillos de entre $0.0025 y 0.1173 por kg de material reciclado mecánicamente, excluyendo los gastos de mano de obra y capital.

El uso de energía para tamizar y lavar no está bien establecido, pero se espera que sea similar. El costo de mano de obra para recuperar la fibra de carbono de los desechos automotrices se estima en $ 1.71 por kg, que constituyen la mayor parte del coste del reciclaje. Se espera que los costos de transporte sean del orden de los costos de energía de reciclaje, una pequeña parte de los costos totales. Es probable que los costos totales resultantes del reciclaje sean económicos para la fibra de carbono si se cuenta con la logística necesaria para una recolección eficiente. Desde el punto de vista de la preparación tecnológica, se ha determinado que el rectificado mecánico de compuestos de fibra de carbono se encuentra en fase de demostración18, que se encuentra por debajo de otras técnicas de gestión de residuos como la pirólisis y el vertedero. Esto puede atribuirse en parte al valor relativamente más bajo de las fibras con una longitud muy reducida. Esto es un problema menor para las fibras recuperadas por procesos de pirólisis que pueden recuperar rutinariamente fibras de más de 10 mm de longitud, pero requieren sustancialmente más energía (2,9-9,9 kWh por kg o $0,26-0,87 por kg) y liberan dióxido de carbono a la atmósfera. La exclusión de tamaño por tamizado es un proceso de baja energía que se puede utilizar para mejorar las propiedades mecánicas de los compuestos de fibra reciclados mecánicamente, lo que puede hacer que esta sea una estrategia de reciclaje alternativa más viable.

El desarrollo de una economía circular para los compuestos reforzados con fibra debe tener en cuenta cómo se pueden conservar sus beneficios de rendimiento en vidas posteriores. Esto requiere consideraciones importantes con respecto a la retención de la longitud de la fibra y la homogeneidad del material. Aquí, hemos demostrado que la resistencia y la rigidez de los compuestos reforzados con fibra reciclada están fuertemente influenciadas por ambos. La longitud de la fibra influyó principalmente en el módulo, que también dependía en gran medida de la orientación de la fibra. La resistencia estuvo moderadamente influenciada por la longitud de la fibra para las muestras moldeadas por compresión orientadas al azar, pero más fuertemente influenciada por la longitud de la fibra en los compuestos moldeados por inyección altamente alineados. La falta de homogeneidad también jugó un papel importante en la resistencia de los compuestos, donde la mala dispersión condujo a una reducción significativa de la resistencia.

La variabilidad de los productos reciclados suele ser una de sus limitaciones más difíciles de superar. Esto es aún más importante en el caso de los compuestos reforzados con fibra, ya que estos materiales contienen flujos de residuos inherentemente mezclados. Redujimos con éxito la variabilidad de los compuestos reciclados mediante la exclusión de tamaño. Si bien el tamizado puede ser una solución industrialmente viable para reducir la variabilidad, no ofrece una solución para la retención de la longitud de la fibra. El reciclado más grande puede reciclarse nuevamente en pedazos más pequeños, pero la longitud de la fibra eventualmente se volverá insostenible, poniendo fin a la circularidad. Este trabajo ilustra la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías de reciclaje y remanufactura para compuestos reforzados con fibra. Dichas tecnologías deben centrarse en retener la longitud de la fibra en cada ciclo del producto, alinear las fibras durante la remanufactura y garantizar una dispersión homogénea de las fibras en los productos remanufacturados. A medida que los materiales compuestos se vuelven más omnipresentes en las industrias eólica, aeroespacial y automotriz, es imperativo que se desarrollen dichas tecnologías para garantizar que no intercambiemos ganancias de eficiencia a corto plazo por la generación de desechos a largo plazo.

Tomado y traducido de la Revista Nature.