Circularity of thermoplastic matrix composites and applications

Abstract

The concept of circularity in thermoplastic matrix composites refers to the ability to close the material loop by recycling and reusing these materials, thereby reducing waste and environmental impact. This thesis aims to be a relevant and new contribution to the study and analysis of the thermoplastic matrix composites' circularity and reuse. The demand for thermoplastic composites is continuously increasing because these materials offer many advantages over their thermoset counterparts, such as high toughness, long storage time, easy repair and recycling, and the ability to be thermoformed and heat welded. However, the manufacturing of thermoplastic composite parts using liquid moulding techniques (e.g., resin transfer moulding, vacuum-assisted resin infusion) is often impossible, and the melt processing, where high temperature and pressure are needed to impregnate the fibre reinforcement becomes also very complex and expensive due to the high viscosity of thermoplastics. These issues may be overcome using reactive processing where a fibrous preform is first impregnated by a low-viscosity mono or oligomeric precursor and the polymerization of the thermoplastic matrix then occursin-situ. In this thesis, continuous fibre reinforced composites were produced by using acrylic-based reactive thermoplastics as a matrix (e.g., polymethylmethacrylate (PMMA) such as Elium®), through VARI to obtain the composite plate. An appropriate recycling route consisting of grinding composite plate, compounding through extrusion and compression moulding, was established to experimentally validate the mechanical performance of recycled TPCs. Characterisation was performed by flexural, DSC, TGA , optical microscopy testing and capillary rheometry. The experimental properties of the recycled material were found to be in-line with theoretical predictions and good mechanical properties that are recyclable and can be reused as secondary applications such as brackets . The work carried out demonstrates that TPCs recycling is feasible and enables applications currently made by compounding CFRP with compatible thermoplastics. Conventional composites with thermoplastic matrix can be mechanically recycled obtaining materials with very good mechanical properties.

O conceito de circularidade em compósitos de matriz termoplástica refere-se à capacidade de fechar o ciclo do material reciclando e reutilizando estes materiais, reduzindo assim o desperdício e o impacto ambiental. Esta tese pretende ser um novo e relevante contributo para o estudo e análise da circularidade e reutilização dos compósitos de matriz termoplástica. Tem havido um aumento continuo da utilização de compósitos termoplásticos por eles oferecerem muitas vantagens relativamente aos seus homólogos termoendurecíveis, como sejam, maior tenacidade, período de armazenamento mais longo, maior facilidade de reparação e reciclagem e a possibilidade de serem termoformados e soldados usando calor. No entanto, a fabricação de peças em compósito termoplásticos usando técnicas de moldação por via líquida (por exemplo, a moldação por transferência ou a infusão de resina assistida a vácuo) é muitas vezes impossível e o processamento por fusão, com recurso a altas temperaturas e pressões para impregnar o reforço da fibra, torna-se também complexo e caro devido à alta viscosidade dos termoplásticos. Estes problemas podem-se superar usando o processamento reativo onde uma pré-forma fibrosa é primeiro impregnada por um precursor mono ou oligomérico de baixa viscosidade e a polimerização da matriz termoplástica ocorre então in situ. Nesta tese, produziram-se compósitos reforçados com fibras contínuas usando, como matriz, termoplásticos reativos à base de acrílico (por exemplo, polimetilmetacrilato (PMMA) como o Elium®), através de VARI para obter a placa composta. Uma rota de reciclagem apropriada que consiste em moagem, composição por extrusão e moldagem por compressão, foi estabelecida para validar experimentalmente o desempenho mecânico dos TPCs reciclados. A caracterização foi realizada por testes de flexão, DSC, TGA, microscopia óptica e reometria capilar. As propriedades experimentais do material reciclado foram encontradas em linha com as previsões teóricas e boas propriedades mecânicas que são recicláveis e podem ser reutilizadas como aplicações secundárias, como barquetes. O trabalho realizado demonstra que a reciclagem de TPCs é viável e viabiliza aplicações atualmente feitas através da combinação de CFRP com termoplásticos compatíveis. Compósitos convencionais com matriz termoplástica podem ser reciclados mecanicamente obtendo materiais com propriedades mecânicas muito bom.