Les composites sont incontournables dans la transition énergétique, en premier lieu pour continuer à alléger les véhicules et fabriquer les éoliennes. Leur bénéfice environnemental se heurte cependant à l’impact de la gestion de leur fin de vie. En effet, leur recyclage est balbutiant alors que la production annuelle de déchets de composites en France a dépassé 20 000 tonnes en 2022, selon le Guide pour l’éco-conception et le recyclage des composites publié par l’IPC. Un chiffre qui devrait doubler d’ici à 2030 du fait du démantèlement des premiers parcs éoliens installés et de la fin de vie des premiers avions de ligne utilisant massivement des composites. Il y a donc urgence à repenser la fin de vie de ces matériaux.
En décembre dernier, la filière Chimie et matériaux a signé un contrat stratégique portant sur la période 2023-2027. Il prévoit la mise en place d’une filière nationale de recyclage des composites renforcés de fibres de verre, qui représentent 88 % du marché, encadré par le syndicat de la plasturgie Polyvia. « Ce projet réunit l’ensemble des industriels concernés autour d’un cluster de compétences permettant de développer des procédés de recyclage des matériaux composites pour la production de fibres de verre recyclées et l’incorporation de celles-ci dans des procédés de fabrication de composites, explique Caroline Chaussard, la directrice RSE de Polyvia. L’impact environnemental et sanitaire des différents procédés sera évalué tout au long du projet. »
Cette initiative s’ajoute aux autres déjà engagées pour gérer la fin de vie de certains composites à matrice organique thermodurcissables (TD) ou thermoplastiques (TP) renforcés de fibres de verre ou de carbone. Certaines d’entre elles proposent de réutiliser directement les matériaux, par exemple des composites issus de la filière aéronautique. C’est le cas de la start-up Hopper qui réemploie des semi-produits à base de fibres de carbone issus des lignes de production de l’A350 pour la fabrication de lames de course, destinées au marché handisport.
Deux grandes familles à traiter
Un composite est constitué d’une matrice plastique à base de résines polymères et d’un renfort fibreux qui assure la tenue mécanique du matériau. En 2018, les composites à résines thermodurcissables (TD) représentaient 61 % du marché mondial en volume. Ces polymères (polyester, vinylester, époxy) sont liquides à température ambiante. Leur mise en œuvre passe par une réaction de polymérisation irréversible entre la résine et un durcisseur, formant un réseau tridimensionnel infusible et insoluble, qui leur confère d’excellentes performances mécaniques. Mais les composites TD ne peuvent être recyclés que par broyage mécanique du déchet, ensuite réutilisé comme renfort dans un nouveau matériau.
D’où l’essor des composites à matrices thermoplastiques (TP) dont les résines (polypropylène, polyuréthane, polyamide) fondent sous chauffage de manière réversible. Elles peuvent donc être facilement remodelées et réutilisées plusieurs fois. Les composites TP sont le plus souvent commercialisés sous la forme de semi-produits, principalement des bandes fibrées pré-imprégnées de résine. Aujourd’hui, les résines TP affichent des performances mécaniques quasi équivalentes aux TD, et elles ont un fort potentiel de recyclabilité. Cela explique leur part croissante sur le marché. En 1980, les composites TP ne représentaient que 2 % du marché mondial en volume. En 2018, ce chiffre grimpait à 39 %.
Une approche similaire a été adoptée pour le projet FilSlit. En 2018, l’entreprise Omega Systèmes Atlantique (OSA) souhaitait valoriser ses coproduits issus de la découpe de nappes unidirectionnelles (UD) de fibres de carbone en rubans (appelés « tapes »). « À l’époque, la société Markforged arrivait sur le marché avec ses imprimantes 3D à filaments à fibres continues, se souvient Antoine Barbé, le responsable du projet Filslit et ingénieur matériaux au sein du plateau technique ComposiTIC, partenaire du projet avec la société Nanovia, spécialisée dans le développement et la production de filaments pour imprimante 3D. Pour nous positionner sur cette technologie émergente, nous avons eu l’idée de reconformer les coproduits à section rectangulaire d’OSA en semi-produits à section circulaire pour l’impression à fibres continues. » Achevé en 2021, le projet a permis de développer une filière de production à façon de filaments à fibres continues, ainsi qu’une tête d’impression spécifique à la dépose de ces filaments.
Gisements dans l’aéronautique
D’autres démarches de valorisation se tournent vers le classique recyclage mécanique : broyage puis tamisage, pour récupérer la matière sous forme de poudre ou de fibres. Les recyclats fibreux peuvent être réutilisés comme renforts dans de nouvelles matrices bien que leurs propriétés mécaniques aient souvent été dégradées lors du broyage. Quant aux poudres, elles se substituent aux charges minérales ajoutées aux formulations pour modifier certaines propriétés ou l’aspect des composites.
Dans le cas du recyclage mécanique des composites TP, les recyclats obtenus ont la possibilité d’être retransformés plusieurs fois en boucle fermée. Dès 2010, le Cetim s’est emparé du sujet avec son projet Ecotreve. « À l’époque, réfléchir à la fin de vie des composites TP était une approche originale en soi car il s’agissait de matériaux émergents pour lesquels il existait peu de procédés de fabrication industriels matures », se souvient Frédéric Ruch, le responsable du service durabilité et recyclage du Cetim. Ce projet a débouché sur le procédé Thermosaic, qui consiste à broyer des déchets composites TP puis à les agglomérer pour fabriquer des panneaux aux propriétés intéressantes. « Toute la R&D se fait sur l’optimisation de la taille des broyats pour obtenir un matériau avec de bonnes propriétés mécaniques, souligne-t-il. Les plaques affichent aussi un potentiel de formabilité et des propriétés d’aspect qui ajoutent de la valeur au produit. » Une fois achevé, le projet a recueilli l’estime des industriels, sans pour autant déboucher sur des commandes. En 2018, le Cetim a installé une ligne pilote sur son site de Mulhouse. « Depuis, nous avons des demandes d’entreprises, notamment dans l’aéronautique, pour étudier le potentiel de valorisation de certains de leurs gisements de déchets via notre procédé », confie Frédéric Ruch.
De son côté, en 2023, ComposiTIC a mené un projet pour le compte d’un client qui s’interrogeait sur les possibilités de recyclage de certaines pièces d’avion en composites TP à fibres de carbone. Après avoir trouvé les paramètres de broyage optimaux pour maximiser la longueur des fibres du recyclat, les ingénieurs sont parvenus à réintégrer ce dernier à de la matière vierge pour fabriquer un filament d’impression 3D qu’ils ont utilisé pour imprimer de nouvelles pièces embarquées, moins techniques que les pièces d’origine. « Ce projet a validé la preuve de concept, et nous avons des demandes pour optimiser le procédé pour d’autres types de matériaux composites issus de l’aéronautique », souligne Florent Faure, ingénieur de recherche.
Valoriser la matrice plastique
En Belgique, la société Reprocover a adapté cette approche de réintégration du recyclat pour des composites TD. « Comme ils ne fondent pas, le travail de R&D a consisté à les broyer de manière à obtenir des granulés parfaitement uniformes et conformes pour qu’ils puissent être réutilisés en l’état, explique Charles Göbbels, le directeur général. Ensuite, nous avons conçu une vis de malaxage qui permet de mélanger les granulés avec des liants TD ou TP. Au départ, nous recyclions uniquement des composites TD mais nous nous sommes tournés vers les TP, et aujourd’hui, à partir d’un mélange de composites TD et TP recyclés, nous pouvons fabriquer des produits qui affichent une bonne souplesse et de bonnes propriétés mécaniques. »
Pour s’affranchir de la réduction des performances mécaniques des fibres de carbone lors du broyage des déchets, la start-up Fairmat utilise un procédé mécanique robotisé qui transforme les déchets en copeaux contenant des fibres alignées de longueur homogène. Ces copeaux sont ensuite consolidés sous forme de laminés avec un liant polymérique et peuvent alors être utilisés pour fabriquer de nouveaux produits. « La fibre de carbone coûte environ dix fois plus cher que la fibre de verre. Il peut donc être intéressant de travailler à sa séparation de la résine, pour un recyclage de la fibre dans des procédés déjà disponibles industriellement, indique Romain Agogué, directeur de programme composites au service recherche d’IPC. C’est l’idée du projet Recompose, soutenu par France 2030 et lancé en septembre 2023. » Plusieurs start-up se sont positionnées sur ce créneau.
Recyclage thermique : la pyrolyse de Gen2Carbon
- Gisements : Tout type de composites thermodurs et thermoplastiques
- Produits Tapis non tissés à 100 % en fibres de carbone ou mélangés à une matrice TP
- Maturité Produits commercialisés
De toutes les spécificités de la fibre de carbone, c’est sa bonne résistance à l’oxydation à haute température (jusqu’à environ 500 °C) qui a retenu l’attention de Gen2Carbon. Pour récupérer la fibre, l’entreprise britannique a breveté un procédé de pyrolyse continue qui consiste à placer les composites dans un four en conditions contrôlées à des températures comprises entre 400 et 650 °C pour éliminer les résines plastiques. La combustion de la résine réduit les niveaux d’oxygène dans le four, ce qui minimise l’oxydation. À l’issue de ce processus, les fibres de carbone sont libérées de leur matrice sous forme de fibres discontinues et mal alignées. À partir de cette matière, Gen2Carbon fabrique les produits de sa gamme G-TEX : des tapis non tissés présentant de bonnes propriétés mécaniques, un potentiel de formabilité et une finition de surface de qualité. Les tapis G-TEX M, composés à 100 % de fibres de carbone, peuvent être traités par des techniques composites conventionnelles pour fabriquer des pièces structurelles et semi-structurelles. Quant aux tapis G-TEX TM, ils sont composés de fibres recyclées mélangées à des matrices thermoplastiques, notamment pour des applications de moulage par compression.
Recyclage mécanique : la fragmentation à haute tension de Xcrusher
- Gisements : Chutes de production de composites thermodurs
- Produits : Bobines de fibre carbone recyclée
- Maturité Commercialisation des bobines au premier trimestre 2024
« La puissance, c’est l’énergie sur le temps », rappelle Abdelaziz Bentaj, le président de Xcrusher. Cette entreprise a mis au point une innovation inspirée de la technologie des puissances pulsées, qui consiste à stocker de l’énergie électrique, puis à la restituer sur un temps très court afin d’obtenir de fortes puissances. « Sur 20 nS, on obtient jusqu’à 20 GW. » L’énergie est restituée en partie sous la forme d’ondes de choc qui fragmentent la matière en fonction de la dureté des éléments qui la composent. « Cette logique est identique à celle du broyage traditionnel. » Mais une partie de l’énergie est aussi rendue sous la forme d’une avalanche électronique qui ajoute un paramètre à l’équation. En empruntant le chemin de moindre énergie, les électrons fragmentent le matériau en fonction de la conductivité des éléments qui le composent. « Ce procédé permet de récupérer des fractions de matériau caractérisées par leur friabilité et leur conductivité », résume Abdelaziz Bentaj. Xcrusher a adapté cette technologie pour récupérer les fibres de carbone dans les composites thermodurs. « Elle n’est pas optimale pour les résines thermoplastiques qui neutralisent les ondes de choc », précise le président. Peu gourmand en énergie, le procédé de recyclage opère en milieu aqueux à température et pression ambiantes. Plus d’une soixantaine de paramètres peuvent être ajustés pour s’adapter aux différentes caractéristiques des gisements.
Recyclage chimique : la technologie Phyre d’Extracthive
- Gisements : Tout type de composites thermodurs et thermoplastiques
- Produits : Gamme de fibres de carbone de haute qualité
- Maturité : Commercialisation prévue en 2025 (en phase d’industrialisation)
Spécialisé dans le développement de solutions de recyclage de déchets, Extracthive s’est lancé dans le recyclage des composites avec trois objectifs en tête. « Pouvoir recycler des composites thermodurs, produire des fibres de carbone sans altérer leurs propriétés mécaniques et ce, avec un faible impact environnemental », liste Mehdi Mahmoudi, chef de projet. Les chimistes de l’entreprise ont mis au point la technologie Phyre, fondée sur la solvolyse. « C’est un procédé par batch qui se déroule à moins de
200 °C : on utilise un mélange de deux solvants pour dépolymériser les matrices composites et récupérer la fibre de carbone », explique-t-il. Les conditions relativement douces permettent de conserver l’ensemble des propriétés mécaniques de la fibre de carbone et de limiter la consommation énergétique. « Nous avons aussi travaillé à la réutilisation et au recyclage des solvants pour réduire le coût et l’impact environnemental, ajoute Mehdi Mahmoudi. Le procédé génère moins de 4,5 kg CO2eq par kg de fibre, c’est dix fois moins que la production de fibre de carbone vierge. » Cette technologie permettra à la PME de mettre sur le marché une gamme de fibres courtes, longues ou broyées. « On envisage de moduler la formulation de nos produits pour adapter les propriétés et caractéristiques de la fibre recyclée en fonction des applications visées », confie le chef de projet.
Ces innovations ont été pensées pour valoriser le renfort fibreux des composites, mais les entreprises travaillent également à la revalorisation de la matrice plastique des composites. La difficulté de recyclage des composites pourrait être au moins partiellement levée grâce à de nouvelles résines développées spécifiquement pour améliorer la recyclabilité des composites. Mais aussi en agissant en amont de la chaîne pour repenser la fabrication des composites afin de faciliter la séparation des éléments. « Nous avons beaucoup de solutions technologiques sur la table, conclut Romain Agogué. Maintenant, il va falloir s’en emparer collectivement, les rendre matures, les exploiter et les optimiser d’un point de vue économique. »
Une résine conçue pour le recyclage
Et s’il était possible d’allier les propriétés des thermodurcissables à la recyclabilité des thermoplastiques ? Arkema tente de relever ce défi. « Il y a une dizaine d’années, nous sommes partis d’une page blanche pour concevoir une résine destinée à produire des composites de grande diffusion, avec en tête, la gestion de la fin de vie du produit », se souvient Guillaume Clédat, le directeur du business et du développement de la résine Elium. Commercialisée depuis fin 2014, cette résine liquide thermoplastique est fondée sur une chimie acrylique. « Il fallait une résine liquide pour utiliser les procédés de mise en œuvre traditionnels des thermodurs », justifie Guillaume Clédat. Les propriétés thermoplastiques ouvrent la voie à un recyclage mécanique peu coûteux de la résine. Et l’utilisation de polymères acryliques à un recyclage chimique. « Sous 400 °C sans oxygène, on récupère le monomère d’origine pour refaire une résine aux propriétés identiques », explique le directeur. Dans le cadre du projet collaboratif Zebra, piloté par l’IRT Jules Verne, Elium est utilisé pour reconcevoir des pales d’éoliennes, puis prouver la faisabilité du recyclage des déchets de production et des pales en fin de vie. La chimie des vitrimères, ces nouveaux polymères découverts en 2011 par des chercheurs de l’ESPCI Paris, tente de résoudre des problématiques similaires.
