IT201900011649A1

IT201900011649A1 - Processo per il recupero di fibre di carbonio da compositi polimerici rinforzati

Info

Publication number: IT201900011649A1
Application number: IT102019000011649A
Authority: IT
Inventors: Sergio Galvagno; Pierpaolo Iovane; Sabrina Portofino; Carla Minarini; Matteo Scafe'
Original assignee: Agenzia Naz Per Le Nuove Tecnologie Lenergia E Lo Sviluppo Economico Sostenibile Enea
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-01-12

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“PROCESSO PER IL RECUPERO DI FIBRE DI CARBONIO DA COMPOSITI POLIMERICI RINFORZATI”

La presente invenzione è relativa a un processo finalizzato al recupero delle fibre di carbonio da compositi polimerici di prodotti ad elevate prestazioni (aeronautica e automobilistica in particolare), e/o dai loro scarti di produzione industriale.

Da tempo è noto che l’utilizzo di fibre (fibre di carbonio, fibre di vetro, fibre di basalto, fibre ceramiche, fibre naturali) nei compositi a matrice plastica e/o ceramica conferisce migliorate caratteristiche in termini di resistenza meccanica e conducibilità termica ed elettrica, nonché una maggiore leggerezza e, quindi, minori consumi energetici in fase di utilizzo. In particolare, tali materiali trovano un vantaggioso impiego in settori come l’industria aereospaziale, navale, energetica, automobilistica ed edile.

Tra le fibre utilizzate, quelle di carbonio hanno assunto un ruolo sempre più rilevante. Infatti, la domanda mondiale di questa tipologia di materiali (CFRP - polimero rinforzato con fibra di carbonio) è passata dalle 72 kton del 2013 alle 83 kton del 2014, con un tasso di crescita del 15%. Partendo dall’ipotesi di un tasso di crescita annuale del 11%, è stato stimato che la domanda di CFRP nel 2022 sarà di 191 kton.

Tali numeri sono inevitabilmente responsabili di un flusso sempre più ampio di rifiuti, che comprendono materiali preimpregnati scaduti, scarti di lavorazione, materiali di prova e prodotti a fine vita. Di conseguenza, a causa dell’alto valore delle fibre di carbonio, dei costi crescenti di smaltimento, dell’implementazione dei provvedimenti normativi e della necessità di rispettare la sostenibilità ambientale dei processi, negli anni è sempre più avvertita l’esigenza di riciclare le fibre di carbonio a partire dai rifiuti di CFRP.

Ad oggi, i metodi sviluppati per il recupero e riciclaggio delle fibre di carbonio dai compositi termoindurenti sono la pirolisi (trattamento termico) e la solvolisi (trattamento chimico). In entrambi i suddetti trattamenti le fibre recuperate si prestano bene ad essere usate nella formulazione di non-tessuti (MAT) o nella realizzazione di pellet termoplastiche per stampaggio ad iniezione, adatte ad applicazioni per la realizzazione di componenti in campo automobilistico. Tuttavia, lo sfruttamento industriale di tali trattamenti comporta degli svantaggi in termini di costi e di qualità delle fibre.

Infatti, un trattamento di riciclaggio per poter rappresentare una soluzione efficace deve comportare un costo paragonabile o inferiore a quello di produzione di fibre nuove e, allo stesso tempo, garantire che le proprietà delle fibre recuperate siano comparabili con quelle delle fibre nuove.

A tale riguardo, va sottolineato come l’aspetto relativo alla qualità delle fibre costituisca un limite importante per la reintroduzione delle fibre recuperate in lavorazioni di alto livello e di alto valore economico.

Era quindi sentita l’esigenza di disporre di un processo per il recupero di fibre di carbonio da compositi CFRP, che fosse in grado di soddisfare le esigenze di cui sopra sia in termini di costi sia in termini di proprietà delle fibre.

Gli inventori della presente invenzione hanno realizzato un processo che consente il recupero delle fibre di carbonio di rinforzo dai compositi garantendo dei costi contenuti e, al tempo stesso, una perdita in termini di proprietà meccaniche minore del 20% rispetto a quella dei materiali di partenza.

Oggetto della presente invenzione è un processo per il recupero delle fibre di carbonio da compositi polimerici rinforzati, le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1, e le cui caratteristiche preferite e/o ausiliari sono riportate nelle rivendicazioni 2-8.

Di seguito sono riportati degli esempi realizzativi a puro titolo illustrativo e non limitativo, con l’ausilio delle figure allegate, in cui:

- la figura 1 è una immagine del campione preimpregnato di scarto su cui sono stati realizzati gli esempi sotto descritti;

- la figura 2 è una immagine delle fibre ottenute a seguito del processo secondo la presente invenzione prima fosse eseguita una fase di sonicazione.

- le figure 3 e 4 sono due rispettive immagini SEM a diverso ingrandimento delle fibre recuperate mediante il processo secondo la presente invenzione.

Sono stati realizzati tre esempi di processo per il recupero delle fibre di carbonio, di cui il primo esempio (A) costituisce un esempio secondo l’invenzione ed è stato realizzato utilizzando i parametri riportati nelle rivendicazioni, e gli altri due esempi (B e C) costituiscono esempi di confronto e sono stati realizzati utilizzando i parametri diversi da quelli riportati nelle rivendicazioni.

In particolare, i processi sotto descritti sono stati tutti applicati su di un rispettivo campione rettangolare di preimpregnato di scarto (Prepreg) con un peso di circa 1,6 g, una lunghezza di 8 cm e una larghezza di 1,6 cm.

Il campione viene miscelato con la soluzione di nitrato di sodio e idrossido di sodio e introdotto in muffola in atmosfera di azoto a 4 l/min.

Le condizioni relative al rapporto tra nitrato di sodio e idrossido di sodio, la temperatura in muffola e la durata del trattamento in muffola sono riportate nella Tabella I.

Una volta terminata la fase di degradazione polimerica il campione è stato lavato con acqua e le fibre recuperate sono state sottoposte a una analisi al SEM. L’esempio B ha previsto che dopo il lavaggio con acqua il campione sia stato sottoposto ad un trattamento in bagno ad ultrasuoni.

Inoltre, le fibre recuperate nei singoli esempi sono state misurate e sottoposte a delle prove meccaniche di trazione eseguite su fasci di fibre estratti dai tessuti di recupero. I risultati sono stati confrontati con le caratteristiche delle fibre nuove che analizzate nelle stesse condizioni di prova hanno fornito un valore di 4750 MPa misurato con prova di trazione. In Tabella II sono riportate le valutazioni delle fibre recuperate in termini di analisi al SEM, misure e risultati delle prove meccaniche.

TABELLA I

TABELLA II

Come si evince chiaramente dai dati riportati in Tabella II, un processo che soddisfa i parametri che definiscono la presente invenzione è in grado di garantire un recupero delle fibre di carbonio le quali presentano delle proprietà meccaniche paragonabili con quelle delle fibre vergini. A tale riguardo, va evidenziato come mediante i processi degli esempio A sia stato possibile recuperare le fibre di carbonio che presentano rispetto alla fibra vergine una percentuale di perdita di carico inferiore a 15.

Inoltre, i dati di Tabella II dimostrano come qualora uno dei parametri dell’invenzione (rapporto tra sale fuso e idrossido di un metallo alcalino o alcalino terroso; Temperatura e durata del trattamento di degradazione) non sia soddisfatto non è possibile un vantaggioso recupero delle fibre di carbonio.

In fine, come può risultare immediato ad un tecnico del ramo, il processo oggetto della presente invenzione ha un costo estremamente inferiore rispetto ai processi dell’arte nota.

Infine, le immagini riprodotte nelle figure 2 – 4 dimostrano l’efficacia del processo oggetto della presente invenzione in termini di degradazione della matrice polimerica in cui le fibre erano inglobate e di integrità delle fibre recuperate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Processo di recupero delle fibre di carbonio da compositi polimerici rinforzati, comprendente una fase di degradazione polimerica dei detti compositi e una fase di lavaggio con acqua di un residuo del composito polimerico risultante da detta fase di degradazione polimerica; detto processo essendo caratterizzato dal fatto che detta fase di degradazione polimerica comprende un trattamento combinato termo/ossidoriduttivo dei detti compositi con una soluzione di un sale fuso e di un idrossido di un metallo alcalino o alcalino terroso in un rapporto compreso tra 3 e 10 e ad una temperatura minore o uguale 700°C, in atmosfera inerte; detto trattamento combinato termo/ossidoriduttivo avendo una durata compresa tra 30 e 90 min.
2. Processo di recupero delle fibre di carbonio secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto sale fuso è compreso nel gruppo composto da nitrato di sodio, nitrato di potassio, nitrato di litio, nitrato di calcio, nitrato di magnesio, nitrato di bario, ossalato di sodio, ossalato di potassio, ossalato di litio, ossalato di calcio, ossalato di magnesio, ossalato di bario.
3. Processo di recupero delle fibre di carbonio secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto idrossido di un metallo alcalino o alcalino terroso è compreso nel gruppo composto da idrossido di sodio, idrossido di litio, idrossido di potassio, idrossido di calcio, idrossido di magnesio, idrossido di bario.
4. Processo di recupero delle fibre di carbonio secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra il sale fuso e l’idrossido di un metallo alcalino o alcalino terroso è compreso tra 5 e 8.
5. Processo di recupero delle fibre di carbonio secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto trattamento combinato termo/ossidoriduttivo ha una durata compresa tra 50 e 70 min.
6. Processo di recupero delle fibre di carbonio secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto trattamento combinato termo/ossidoriduttivo avviene preferenzialmente ad una temperatura compresa tra 400 e 500°C.
7. Processo di recupero delle fibre di carbonio secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto trattamento combinato termo/ossidoriduttivo avviene in presenza di un gas inerte compreso nel gruppo costituito da azoto, argon, elio.
8. Processo di recupero delle fibre di carbonio secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di sonicazione, in cui il residuo del composito polimerico risultante da detta fase di degradazione polimerica dopo essere stato lavato con acqua è sottoposto a un trattamento in bagno ad ultrasuoni.