Il va bien falloir recycler les composites. Avec un marché mondial en croissance de 8,8 % par an d’ici à 2025, selon les projections du cabinet MarketsandMarkets, ces matériaux résistants et légers ont le vent en poupe dans l’industrie. Qu’ils soient utilisés pour réduire la consommation de carburant dans l’aéronautique en allégeant les pièces de structure, améliorer les performances des réservoirs des véhicules à hydrogène ou créer des pales d’éoliennes légères et résistantes à la corrosion, les composites participent à l’essor des technologies vertes. Cependant, ces matériaux posent un problème dans le contexte de l’économie circulaire. Leur structure complexe, associant un renfort fibreux et une matrice polymère, rend difficile le recyclage des produits en fin de vie. Les composites à matrice thermodurcissables, qui représentent près de 90 % du marché et dont la polymérisation est irréversible, sont pointés du doigt.
Aujourd’hui, la majeure partie des 17,7 millions de tonnes de composites produites dans le monde est condamnée à finir à l’enfouissement. En Europe, la filière estime que 80 000 tonnes de déchets composites seront produits chaque année à partir de 2025. En cause : l’arrivée en fin de vie de la première génération de pales d’éoliennes et d’aéronefs en composites. Ce gisement pourrait même être revu à la hausse avec l’arrivée des chutes de production associées au développement des véhicules électriques et hydrogène. Avec l’objectif de la loi Agec de diminuer de moitié les mises en décharge d’ici à 2025, le développement de technologies de recyclage efficaces est désormais une nécessité pour faire des composites un matériau compatible avec l’économie circulaire. Les travaux sont déjà bien engagés et trois voies se dessinent.
Traitement mécanique : la technologie la plus économe
Le recyclage mécanique consiste à alterner des étapes de broyage et de criblage pour aboutir à un matériau à la composition et à la granulométrie contrôlées. Ces recyclats sont incorporés comme additifs dans une nouvelle matrice thermodurcissable ou thermoplastique, ou comme charge dans des matériaux de construction. Après concassage de la pièce sur le site de collecte, les morceaux sont broyés à grande vitesse. La taille des recyclats varie de 10 mm pour des particules incorporant de la fibre à 50 m pour les poudres micronisées. Ce broyage est généralement réalisé à très basse température (cryobroyage) afin de limiter les dégradations thermomécaniques subies par la matière à cause des frottements dans les broyeurs.
Des opérations de séparation des éléments interviennent après les phases de broyage : le criblage et le tamisage permettent d’obtenir des particules de taille homogène, tandis que des techniques de séparation par flottaison ou électrostatiques (courants de Foucault ou séparateurs triboélectriques) discriminent les éléments riches en fibres des poudres issues de la matrice polymère qui peuvent entrer dans des usages différents. « Ces traitements mécaniques sont relativement aisés à mettre en œuvre et ne nécessitent pas d’investissements très lourds », estime Marie-France Lacrampe, chercheuse au département technologie des polymères et composites de l’IMT Lille-Douai. « Mais malheureusement, nous perdons beaucoup de la valeur des composites. » Le procédé aboutit à des fibres trop courtes pour conserver des propriétés mécaniques intéressantes pour des applications industrielles. « Le recyclage mécanique des thermodurcissables offre des applications limitées, renchérit Éric Lafranche, enseignant-chercheur à l’IMT Lille-Douai. Les recherches se poursuivent. Des résultats ont été récemment obtenus dans la mise au point de matériaux intumescents incorporant des recyclats issus du traitement des composites à fibre de verre. »
Procédés chimiques : des résultats prometteurs
Pyrolyse, vapothermolyse ou encore solvolyse… Ces procédés chimiques sont actuellement explorés par l’industrie. L’avantage : récupérer des fibres d’une longueur suffisante pouvant être réutilisées en tant que renfort, comme dans la pièce originale. La pyrolyse est le procédé le plus ancien. Il consiste à placer des morceaux de composites concassés dans un four rotatif et à les maintenir à 500 °C dans une atmosphère anaérobie. Dans ces conditions, la matrice thermodurcissable se gazéifie en partie. Les gaz produits peuvent directement alimenter en énergie le procédé ou être distillés pour récupérer des huiles d’hydrocarbures pouvant être valorisées. La réduction des propriétés mécaniques des fibres est relativement faible (inférieure à 10 %), ce qui permet leur utilisation dans de nouvelles pièces industrielles. La vapothermolyse, développée en France par Alpha Recyclage Composites, utilise la vapeur d’eau en tant que catalyseur de la thermolyse. Les transferts thermiques sont alors plus efficaces. Le procédé est cependant peu adapté au recyclage des fibres de verre car leurs propriétés mécaniques chutent de 50 %. En revanche, les fibres de carbone – les plus onéreuses – conservent leurs caractéristiques (95 % par rapport aux fibres vierges).
La solvolyse a connu récemment des résultats intéressants dans le cadre du projet européen Recy-Composite, finalisé en septembre. Piloté par le Certech, centre de recherche belge sur les polymères, le procédé utilise de l’eau subcritique en tant que solvant pour dissoudre la matrice polymère. Sur le site pilote de Seneffe (Belgique), la solvolyse s’opère dans un autoclave rempli au tiers d’eau, sous 350 °C et 100 bars. « Ce procédé permet de récupérer des fibres longues intactes pour être réutilisées dans des applications exigeantes », souligne Bénédicte Goffin, la coordinatrice du projet. « Lamatrice, elle, est récupérée sous la forme de phénols, d’amines et de cétones dont nous explorons encore les voies de valorisation. »
Composites thermoplastiques : un avenir radieux
Si les thermodurcissables représentent encore la plus grande part du marché des composites, les thermoplastiques gagnent en performances et trouvent leur place dans certaines applications. Leur structure polymère est réversible à partir d’une certaine température. Les projets fleurissent, à l’instar du programme Zebra. Lancé en septembre et piloté par l’IRT Jules Verne, il réunit des industriels comme Arkema, Engie ou Owens Corning, afin de mettre au point, d’ici à 2025, des pales d’éolienne en composites thermoplastiques intégralement recyclables. Le projet est doté d’un budget de 18,5 millions d’euros.
Le Cetim Grand Est a, lui, déployé à Mulhouse la ligne pilote Thermosaïc dédiée au recyclage de ces matériaux par voie thermomécanique. « Les broyats de composites thermoplastiques passent par deux presses : l’une sert au précompactage, l’autre, équipée d’une surface chauffante, vient fondre le thermoplastique et refusionner les particules entre elles », détaille Clément Callens, le responsable du pôle procédés thermoplastiques au Cetim Grand Est. En bout de ligne ressort un panneau composite conservant des longueurs de fibres allant jusqu’à 200 mm. « Nous ne cherchons pas à obtenir les mêmes performances que le composite d'origine, précise Christophe Cornu, responsable de la recherche au Cetim. Notre objectif est d’obtenir un matériau isotrope, possédant les mêmes propriétés dans toutes les directions. »
De son côté, Arkema est partenaire du projet européen MMATwo pour le recyclage de ses composites Elium. Le procédé permet une dépolymérisation de l’acrylique par une pyrolyse. On récupère ainsi directement le monomère de base, le méthacrylate de méthyle (MMA). MMATwo a produit en juin dernier ses premiers résultats : l’installation pilote a récupéré 700 kg de MMA prêts à être repolymérisés. Un premier pas vers un véritable usage circulaire.
