O uso de fibra de carbono na fabricação de automóveis está em sua infância, mas com £316m no valor do material enviado para aterro em 2015, é fundamental que a indústria explore mais formas de reciclagem
As diretivas de veículos da União Europeia (UE) em fim de vida determinam que 85% dos materiais utilizados em um carro novo deve ser reciclável. As fibras de carbono são caras, e de acordo com avaliações do ciclo de vida (LCA) a sua produção tem um impacto significativamente maior sobre o meio ambiente do que os materiais concorrentes, como aço e alumínio. Rotas de reciclagem para estes metais estão bem estabelecidas, enquanto que os métodos de fibras de carbono de reciclagem só se tornaram comercialmente viáveis muito recentemente.
Em 2015 cerca de 18.000 toneladas de resíduos de fibra de carbono foram produzidos a partir de operações fabris no mundo todo, dos quais apenas cerca de 1.600 toneladas foram recicladas. Naquele ano, £316m em fibra de carbono foram enviados para o aterro.
Isto é um desperdício colossal e uma oportunidade perdida. Fibras de carbono recicladas são quase a metade do preço de fibras virgens, têm um potencial de aquecimento global significativamente menor e demonstram as mesmas propriedades mecânicas.
O diretor-geral do reciclador de fibra de carbono ELG Carbon Fibre, Frazer Barnes, diz: "A indústria automotiva exige custos de fibra de carbono de US$ 5-7 por libra se o material for desempenhar um papel mais amplo do que faz atualmente com peso leve. Embora existam várias iniciativas em torno de fibra de carbono de baixo custo, a realidade é que somente as fibras de carbono recicladas podem atingir esta meta hoje."
A BMW é atualmente a única montadora usando plásticos de carbono reforçado com fibra (CFRPs) em grandes volumes - o material é usado extensivamente em seus modelos e, em menor medida, no seu 7 Series. Como tal, é também a única montadora a utilizar um processo de circuito fechado para a reciclagem de fibras de carbono seco sob escala, e está utilizando as fibras secundárias resultantes de três maneiras.
Falando na edição deste ano do JEC World, o gerente de projeto de conceito de veículo da BMW Stephan Huber disse: "Muitas pessoas pensam que a sustentabilidade e fibra de carbono realmente não se encaixam, a BMW acredita que sim. Não é uma contradição."
A BMW utiliza sua fibra de carbono a partir de SGL Automotive Carbon Fibers (ACF) no Moses Lake, Washington, EUA, uma empresa que foi configurada em parceria com o fabricante de fibra de carbono SGL Group. Estas fibras de carbono - produzidas inteiramente usando energia hidrelétrica - estão agrupadas em mechas ou reboques pesados antes de serem enviadas para o segundo local da ACF na Wackersdorf Innovation Park, na Alemanha para a transformação em pré-formas de fibra de carbono. Estas pré-formas são então enviadas para unidades de produção da BMW em Landshut e Leipzig.
A sucata de fibra de carbono que sobra dos processos de corte para estas duas fábricas é enviado de volta para ACF Wackersdorf, onde são cortadas em lascas e abertas em fibras individuais.
Huber conclui: "Este é apenas o começo. Vamos lançar toda uma gama de componentes de fibra de carbono secundário este ano e nos próximos anos. "
A reciclagem de fibras de carbono impregnadas com resina apresenta um desafio completamente diferente para a reciclagem de fibras secas. A grande maioria dos CFRPs são feitos usando matrizes termoendurecíveis tais como epóxi que não pode ser fundida ou reformulado após terem sido curados.
A fibra de carbono ELG é uma de várias empresas que usam um processo denominado pirólise para reciclar fibras de carbono impregnadas. Em sua fábrica no Reino Unido, a empresa separa e raspa CFRP que é então aquecido a 400-600°C em uma atmosfera inerte para queimar a resina. ELG diz que sua tecnologia patenteada produz fibras de carbono limpas.
Usando estas fibras, a empresa desenvolveu uma série de produtos adequados para aplicações automotivas, que incluem: um produto de fibra curta; esteiras não tecidas que podem ser usadas individualmente ou em conjunto com fibras de carbono virgem em SMC, e são adequadas para a produção de tampas, tais como gorros, tampas de inicialização e tailgates, poços de roda sobressalente, e aplicações em última análise estrutural; esteiras não tecidas a partir de fibras de carbono reciclada misturadas com fibras termoplásticas, que podem ser moldadas por compressão para produzir componentes interiores.
Barnes diz: "Em produtos tais como compostos de moldagem por injeção ou esteiras não tecidas, as propriedades são as mesmas, mas o custo da fibra é tipicamente 40% inferior. Em comparação com outras formas de fibra de carbono, tais como pré-impregnado unidirecional, as propriedades são naturalmente diferentes, o fator importante é usar o material certo no lugar certo."
Em 2015, a ELG produziu 1040t de produtos em fibra de carbono. Os materiais têm sido usados em Gordon Murray design de chassis iStream CARBONO-CFRP intensivo, que formaram a base do conceito de veículo de dois lugares Sports Ride da Yamaha introduzido no Tokyo Motor Show de 2015.
Barnes continua: "As principais barreiras [para o uso de fibra de carbono reciclado], como acontece com qualquer novo material, estão estabelecendo dados de teste e demonstração de desempenho em protótipos. Nós estabelecemos uma série de projetos para abordar estas questões, e agora temos informações suficientes para permitir que os materiais sejam selecionados para os novos programas de produção. "
ELG agora está planejando construir duas novas fábricas - uma na Alemanha e outra nos EUA.
A pirólise é viável para resíduos de fabricação de reciclagem CFRP, mas o processo não é isento de problemas; possui energia intensiva e pode deixar resíduos carvão animal na superfície das fibras de carbono, o que dificulta ainda mais o processamento. A reciclagem de resíduos em fim de vida também é problemática.
Talvez a longo prazo, a resposta é fazer CFRPs para que seja reciclado em primeiro lugar.
Termoplásticos podem ser re-derretido e reformados, e seu uso está prestes a aumentar. Além disso, os pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia (GT) descobriram que epóxis à base de vitrimer pode ser dissolvido em etilenoglicol (EG) a temperaturas elevadas.
Um pesquisador de pós-doutorado na GT, Kai Yu, diz: "Vitrimers contêm ligações dinâmicas que podem alternar sua estrutura sem perder a integridade da rede sob certas condições. Nós deixamos [EG], que tem pequenas moléculas, participar na rede de reações alternadas, o que efetivamente dissolve o vitrimer."
Uma vez dissolvido, os tecidos de fibra de carbono não danificado pode ser reutilizado enquanto o EG pode ser evaporado e o epóxi reformado.
O pesquisador chefe do projeto, professor Jerry Qi, diz: "Os polímeros termofixos baseados na vitrimer são um novo grupo de polímeros e estão ativamente sendo considerados nos últimos anos. Esperamos que a investigação fundamental da academia possa acelerar as amplas aplicações destes materiais na indústria."
Non-woven complex, resin-impregnated, is particularly suitable for the production of flat parts, such as the roof for the BMW i3Uma abordagem de reciclagem semelhante a desenvolvido pelo GT está atualmente sendo defendido por Connora Technologies Inc.
Connora diz que compósitos fabricados com os seus agentes de cura Recyclamine à base de poliaminas são totalmente recicláveis: tanto a matriz de epóxi e de reforço podem ser separadas, recuperadas e reutilizadas usando um processo de reciclagem com base em solução de baixo consumo energético. Os reforços recuperados usando este processo demonstram propriedades quase virgens.
Em Janeiro de 2014, Connora e Adesso Advanced Materials anunciaram uma parceria formal para acelerar a entrega da tecnologia Recyclamine. Tecnologias Adesso são muito semelhantes às da Connora.
Os epóxis da empresa chinesa - agama Recycloset - e agentes de cura Cleavamine degradáveis - podem ser dissolvidos a partir de plásticos reforçados usando um solvente. Isto pode ser feito à pressão atmosférica, sob temperaturas de 120-160 °C.
Falando na época do anúncio de parceria, o diretor de tecnologia (CTO) da Connora, Stefan Pastine, disse: "Tanto Connora como Adesso perceberam desde cedo que o problema [resíduos de compósito de reciclagem] será muito maior do que qualquer empresa pode enfrentar sozinha. Precisamos desenvolver não apenas uma única tecnologia ou química, mas sim todo um ecossistema de partes dispostas a construir uma nova indústria em torno de reciclagem termofixa."
