Recycling of continuous fibre reinforced thermoplastic composites

Abstract

Due to the material’s intrinsic benefits, the volume of continuous fibre reinforced thermoplastic composites (TPCs) is growing and leading to a rise of industrial waste, though a high-quality recycling route is not yet available. TPC recycling enables reclaiming the high economic value, reducing the environmental impact and to be in-line with environmental directives. In this study a new TPC recycling route was developed and successfully validated allowing to achieve, maximum cost effectiveness and minimum environmental impact. The trade-off between mechanical performance and processability or degree of mixing for long and short fibres respectively, is optimised by developing a micromechanical model. The model was used to predict stiffness and strength and includes distributions for fibre length and the degree of mixing, by local fibre volume variation and fibres per bundle. An appropriate recycling route consisting of shredding, low-shear mixing and compression moulding, was established to experimentally validate the mechanical performance of recycled TPCs. G/PP and C/PPS at various fibre orientations, contents and length distributions and waste material consolidation stages were processed both without mixing and by different levels of low-shear mixing. Characterisation was performed by flexural, impact and cross-sectional microscopy testing. The experimental properties of the recycled material were found to be in-line with theoretical predictions and increase with degree of mixing. Three demonstrator products were designed, produced and tested to prove their technical and application feasibility; a bracket, a safety shoe nose cap and an aerospace access panel. While made of recycled material with inferior material properties, the panel was even lighter than the current solution and gave enough confidence to be flight tested. Life cycle analysis and cost assessment were used to compare the recycled material and demonstrators to currently used alternatives. A significant reduction in cost and environmental impact was found for both the panel and nose cap. The panel made from recycled material offered reductions of over 80% in greenhouse gases (GHG) and 60% in cost, when compared to the virgin C/epoxy benchmark. The work carried out demonstrates that recycling is feasible and enables applications currently made by using virgin materials at a significant reduction in costs and environmental impact and already led to the world’s first flying fully recycled thermoplastic composite application in aerospace*.

Face às suas vantagens intrínsecas, a aplicação de termoplásticos reforçados com fibras contínuas (TPCs) tem aumentado e contribuído para o crescimento do lixo industrial, dada a inexistência duma solução eficaz para a sua reciclagem. A reciclagem dos TPCs deve recuperar o alto valor económico do material, reduzir o impacto ambiental e estar em linha com as diretivas ambientais existentes. Este estudo desenvolveu e validou com sucesso um novo método de reciclagem de TPCs com máximo custobenefício e mínimo impacto ambiental. Desenvolveu-se um modelo micromecânico para otimizar o equilíbrio entre desempenho mecânico e processabilidade ou grau de mistura para, respetivamente, fibras longas e curtas. Sendo usado para prever da rigidez e a resistência mecânica, o modelo incorpora a influência que a variação da fração volúmica localizada de fibras e o seu número nas mechas têm na distribuição dos comprimentos de fibras e grau de mistura obtidos. Definiu-se uma reciclagem adequada envolvendo trituração, mistura com baixa taxa de corte e fabrico por compressão para validar o desempenho mecânico de TPCs reciclados. Fabricaram-se compósitos G/PP e C/PPS reciclados com diferentes teores, orientações, comprimentos e distribuição de comprimentos de fibras, estágios de consolidação de resíduos, sem mistura ou com diferentes níveis de mistura a baixa taxa de corte para caracterização por ensaios de flexão, impacto e microscopia da sua seção transversal. Os TPCs reciclados apresentaram propriedades em linha com as previsões teóricas e que aumentavam com o grau de mistura. Projetaram-se, fabricaram-se e testaram-se três produtos demonstradores para comprovar a sua viabilidade técnica e aplicação: um suporte, uma biqueira de sapato de segurança e um painel de acesso para a indústria aeroespacial. Embora usando material reciclado de propriedades inferiores, o painel mostrou ser ainda mais leve que a solução atualmente existente e ofereceu suficiente confiança para ter já sido testado em voo. A análise de ciclo de vida e a avaliação de custos foram usadas para comparar demonstradores com as suas alternativas atuais. Tanto o painel como a biqueira permitiram reduzir significativamente o custo e impacto ambiental. O painel reciclado, comparado à solução em material virgem, diminuiu as emissões de gases de estufa e o custo em mais de 80% e 60%, respetivamente. Este trabalho comprova que a reciclagem é viável e que a substituição de materiais virgem em muitas aplicações atuais pode reduzir significativamente custos e o impacto ambiental e já contribuiu para a realização do primeiro voo mundial integrando um produto destinado à indústria aeroespacial totalmente fabricado em TPC reciclado*.