Les fibres de nanotubes de carbone entièrement recyclables ont des implications considérables pour la fabrication dans tous les secteurs

Dans le cadre d’une étape importante vers la création d’une économie durable et circulaire, des chercheurs de l’Université Rice ont publié une étude dans la revue Carbone démontrant que les fibres de nanotubes de carbone (CNT) peuvent être entièrement recyclées sans aucune perte de leur structure ou de leurs propriétés. Cette découverte positionne les fibres CNT comme une alternative durable aux matériaux traditionnels comme les métaux, les polymères et les fibres de carbone beaucoup plus grosses, qui sont notoirement difficiles à recycler.

“Le recyclage est depuis longtemps un défi dans l’industrie des matériaux : le recyclage des métaux est souvent inefficace et gourmand en énergie, les polymères ont tendance à perdre leurs propriétés après retraitement et les fibres de carbone ne peuvent pas être recyclées du tout, elles sont seulement recyclées en les découpant en petits morceaux.” a déclaré l’auteur correspondant Matteo Pasquali, directeur du Rice’s Carbon Hub et professeur AJ Hartsook de génie chimique et biomoléculaire, de science des matériaux et de nano-ingénierie et chimie.

« Alors que les fibres de CNT se multiplient, nous avons demandé si et comment ces nouveaux matériaux pourraient être recyclés à l’avenir afin d’éviter de manière proactive les problèmes de gestion des déchets qui sont apparus lorsque d’autres matériaux techniques ont été utilisés à grande échelle. Nous nous attendions à ce que le recyclage soit difficile. et entraînerait une perte significative de propriétés. Étonnamment, nous avons constaté que les fibres de nanotubes de carbone dépassent de loin le potentiel de recyclabilité des matériaux techniques existants, offrant ainsi une solution à un problème environnemental majeur.

L’équipe de recherche a utilisé des fibres de NTC filées en solution créées en dissolvant des NTC commerciaux de qualité fibre dans de l’acide chlorosulfonique, un solvant industriel largement utilisé. Étant donné que le recyclage en fin de vie rassemble invariablement des matériaux fabriqués par différentes entreprises selon différents processus, il était important d’évaluer l’effet de plusieurs sources de matériaux sur le processus de fabrication des fibres et leurs propriétés.

Les fibres fabriquées à partir de différents types de NTC produits par différents fabricants étaient initialement transformées en fibres vierges distinctes de source unique, puis recyclées en les combinant et en les mélangeant à de l’acide chlorosulfonique. Étonnamment, le mélange des deux fibres a conduit à une redissolution complète et à aucun signe de séparation des deux matériaux sources en phases liquides différentes. Ce matériau redissous a été transformé en une fibre recyclée de source mixte qui a conservé la même structure et le même alignement que la fibre vierge.

“En utilisant deux sources différentes de nanotubes de carbone, nous nous sommes assurés que notre processus de recyclage était représentatif des conditions réelles”, a déclaré Michelle Durán-Chaves, co-auteure et étudiante diplômée en chimie. « Remarquablement, les fibres recyclées ont démontré une résistance mécanique, une conductivité électrique, une conductivité thermique et un alignement équivalents, ce qui est sans précédent dans le domaine des matériaux techniques. »

La recherche a révélé plusieurs résultats importants qui positionnent les fibres CNT comme un matériau prometteur dans le cheminement vers des pratiques durables. Le plus important d’entre eux est la recyclabilité totale des fibres CNT. Contrairement aux matériaux traditionnels, en particulier les polymères et les fibres de carbone, dont la qualité se dégrade lors du recyclage, les fibres CNT conservent 100 % de leurs propriétés d’origine après avoir été recyclées.

“Cette préservation de la qualité signifie que les fibres CNT peuvent être utilisées et réutilisées dans des applications exigeantes sans compromettre les performances, prolongeant ainsi leur cycle de vie et réduisant le besoin de nouvelles matières premières”, a déclaré le co-premier auteur Ivan R. Siqueira, récemment diplômé d’un doctorat à l’Université Rice. Département de génie chimique et biomoléculaire, aujourd’hui professeur agrégé de génie mécanique à la Pontifícia Universidade Católica de Rio de Janeiro.

L’efficacité du processus de recyclage est tout aussi importante. Les chercheurs ont démontré que le recyclage des fibres de NTC est nettement plus efficace que les méthodes traditionnelles de recyclage des métaux et des polymères, qui impliquent souvent une consommation d’énergie élevée, des produits chimiques dangereux ou un tri à forte intensité de main d’œuvre.

Les fibres CNT, cependant, peuvent être recyclées sans tri, car des fibres provenant de diverses sources peuvent être combinées pour produire des matériaux recyclés de haute qualité. Une fois que ces matériaux auront atteint leur taille, ce simple processus de recyclage réduira considérablement les déchets, la consommation d’énergie et les émissions de dioxyde de carbone associés à la fabrication des matériaux.

“La capacité de recycler entièrement les fibres de NTC a de vastes implications pour des secteurs tels que l’aérospatiale, l’automobile et l’électronique”, a déclaré Durán-Chaves. “Nous espérons que cela ouvrira la voie à des composites entièrement recyclables dans les avions, les véhicules, les infrastructures civiles et bien plus encore, réduisant ainsi l’impact environnemental dans un large éventail de secteurs.”

Parmi les autres co-auteurs de l’article figurent Oliver Dewey, ancien diplômé de Rice, maintenant de DexMat ; Steven Williams ; Cédric Ginestra, maintenant de LyondellBasell ; Yingru Song, maintenant chercheur postdoctoral à l’Université Purdue ; Juan De La Garza, ancien élève de premier cycle de Rice, maintenant d’Axiom Space ; et Geoff Wehmeyer, professeur adjoint de génie mécanique.