Brevet FR3007684A1 — publié le 20150102

Procédé de recyclage de pièces en composite thermoplastique Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine du recyclage de pièces composites thermoplastiques, comportant des fibres continues ou fragmentées. Les matériaux composites ont pris ces dernières décennies une place grandissante dans le domaine des matériaux. Réservés à leurs débuts à des marchés de niche tels que l'aérospatial, l'aéronautique ou l'armement, ces matériaux tendent aujourd'hui à se démocratiser en substitution des matériaux métalliques. Sur les dix dernières années, leur volume de production n'a cessé de croître (+ 3%/an), et cette tendance devrait encore s'accentuer dans les années à venir. Plus récemment sont apparus sur le marché des composites à matrice thermoplastique qui présentent des avantages indéniables par rapport aux composites thermodurcissables tels que des cadences de production nettement plus élevées, l'absence de solvants et donc d'émission de COV (composés organiques volatiles) lors de la mise en oeuvre ou encore leur potentiel de recyclabilité. Les préoccupations environnementales actuelles et la pression réglementaire favorise l'essor de ces matériaux en particulier dans le domaine des transports soumis à des obligations réglementaires de plus en plus importante, en particulier celle d'assurer le recyclage de plus de 90% des constituants d'un véhicule usager, ce taux ayant vocation à augmenter. Généralement, les pièces en matériaux composites en fin de vie sont mise en décharge, à l'image de la France qui enfouit 90% des déchets de ce type (source : dossier Techniques de l'Ingénieur - Recyclage des composites). La difficulté du recyclage des matériaux composites vient du fait que ces matériaux allient étroitement deux composants très différents : une matrice et des renforts réalisés à partir de fibres de verre, de carbone ou encore végétales, dont il est important de préserver les qualités mécaniques pour leur permettre de remplir leur rôle dans le matériau recyclé. Les matrices thermoplastiques, contrairement aux matrices thermodurcissables, présentent une transition solide-10 liquide réversible, facilitant le recyclage de ces matériaux. Etat de la technique On connaît dans l'état de la technique une première 15 famille de solutions consistant à utiliser directement des poudres de composites recyclés pour le moulage de pièces. Il est connu à cet effet de morceler la pièce en composite pour former des granulés ou alternativement de destructurer le composite à recycler. L'une de ces techniques 20 consiste à broyer les pièces en matériau composite en fin de vie afin de transformer lesdites pièces en une poudre ou un broyât grossier qui peut être ajouté, comme charge, dans la fabrication de nouvelles pièces en matériau composite, par exemple de type BMC (Bulk Moulding Compound, en anglais). 25 Toutefois, ces poudres et broyats étant utilisés uniquement comme charge supplémentaire dans la fabrication des nouvelles pièces, elles contribuent de manière très limitées aux propriétés mécaniques de celles-ci. Une autre technique de recyclage des matériaux 30 composites propose de recycler des chutes de fibres de carbone pré-imprégnées d'une matrice PEEK (Polyétheréthercétone). Une telle technique est décrite dans l'article « Recycling of APC-2 offcuts de R.J. Day, A.K. Wood et S.F. Pang, Manchester materials Science Centre, Grosvenor Street, manchester Ml 7HS, UK ». Elle consiste à broyer en morceaux les chutes non utilisées de matériaux composites neufs afin de réaliser un composé d'injection PEEK renforcé de fibres courtes en ajoutant du PEEK pur à l'aide d'un procédé d'extrusion bi-vis. 5 Cependant, cette technique permet uniquement d'utiliser des chutes de matériaux composites, c'est-à-dire les parties d'un matériau composite non utilisées pour réaliser la fabrication d'une pièce neuve. Elle ne permet nullement de recycler des pièces en fin de vie et ne résout donc pas les problèmes de 10 mise en décharge de ces pièces. Une autre technique propose de broyer des chutes d'un matériau composite pré-imprégné pour les réutiliser dans la fabrication d'une autre plaque de matériau composite à l'aide d'un procédé de moulage par compression. Cette 15 technique est décrite dans l'article " Recycling CarbonFiber-Reinforced Thermoplastic Composites, de G. Schinner, J. Brandt et H. Richter, Journal of Thermoplastic Composite Materials 1996; 9 ;239. Cependant, cette technique permet uniquement d'obtenir un broyât de matériau composite, avec des 20 fibres courtes qui ne permettent pas d'obtenir une plaque ayant de bonnes propriétés mécaniques et est principalement appliquée aux fibres de carbone. De la même manière que la technique précédente, ce procédé ne traite pas des pièces en matériaux composites en fin de vie. 25 On connaît aussi le brevet français FR2969027 décrivant un procédé de recyclage d'une pièce en matériau composite à matrice thermoplastique renforcé en fibres continues. Les étapes sont les suivantes : - découpage de la pièce à recycler en lamelles 30 suivant un plan contenant des fibres, - découpage des lamelles en copeaux de dimensions prédéfinies, - insertion des copeaux dans un moule de forme prédéterminée, - compression à chaud des copeaux dans le moule pour obtenir une pièce recyclée. Ce procédé vise le recyclage de la totalité des pièces en matériau composite à recycler pour fabriquer de nouvelles pièces. Il a pour contrainte d'engager des moyens de découpe évolués pour maîtriser la géométrie finale des copeaux. Un autre brevet publié sous le numéro EP2282879 décrit un procédé de recyclage de demi-produits et/ou de composants renforcés par fibres et/ou contenant des fibres, destinés à entrer ultérieurement dans la fabrication de demiproduits et/ou de composants renforcés par fibres et/ou contenant des fibres, les demi-produits et/ou composants étant composés de fibres et d'un matériau matriciel. Le procédé selon l'invention consiste à séparer les fibres liées dans le matériau matriciel, du matériau matriciel, afin de former des fibres libres et à humidifier les fibres libres après séparation au moyen d'un liant afin de former des fibres humidifiées. L'inconvénient majeur de ce procédé est qu'il nécessite un apport d'énergie important pour déstructurer et restructurer le matériau. Le brevet japonais JP2004148796 propose une solution de recyclage d'un matériau renforcé de fibres, les étapes 25 suivantes : - un écrasement des structures renforcées de fibres, - le tri des fragments écrasés en fonction de leur longueur et leur largeur, - le dépôt d'un liant sur la surface des fragments 30 triés en amont pour former une plaque formée de fragments orientés. Après cette étape, un compactage est fait sous presse. Le brevet européen EP2536545 décrit un procédé permettant d'obtenir des fragments de composite thermoplastique sous des formes variées (poudre, granulé, copeaux,...). Ces fragments sont composés de fibres de carbone 5 recyclées. Pour pouvoir obtenir ces fragments, les fibres de carbone sont tout d'abord cardées, ensuite mélangées avec un thermoplastique avant d'être consolidées sous une presse chaude. Une fois le matériau refroidi, ce dernier est broyé dans la forme désirée par l'utilisateur. Ce matériau peut être 10 ainsi utilisé dans la filière de la plasturgie. Le brevet japonais JPH05116228 décrit un autre procédé de recyclage d'un produit formé d'une résine (30-90% en poids) et de fibres de verre (10 à 70%). Le brevet européen EP0046526 décrit un procédé pour 15 la production continu de feuilles thermoplastiques, en particulier pour l'industrie du bâtiment en tant que produit de revêtement. Le matériau se présente sous forme de particules, de copeaux, de miettes ou de partie de pièce. Le moule est rempli, pressé à chaud et puis refroidi. Ce procédé 20 se déroule continument. Le brevet américain US8361358 décrit un autre procédé de recyclage de composite thermoplastique renforcé de fibres de verre. Les étapes sont les suivantes : - broyage du composite thermoplastique utilisé comme 25 déchet avec un broyeur pour une longueur prédéterminée pour former une matière plastique renforcée - mélange de la matière plastique renforcée avec un liant pour former un matériau composite - chauffage afin de durcir le matériau composite 30 pour former un panneau. Inconvénients de l'art antérieur Les solutions de l'art antérieur présentent plusieurs inconvénients. En premier lieu, la plupart des solutions sont adaptées au moulage d'une nouvelle pièce, et doivent être mises en oeuvre sur le site de production des pièces. Ils ne permettent pas de dissocier les travaux de recyclage, qu'il est avantageux de localiser près des gisements des matériaux à recycler, qui ne correspond pas nécessairement au lieu de production. Par ailleurs les savoir-faire, équipements périphériques et conditions de mise en oeuvre sont généralement très différentes entre l'activité de recyclage et 15 l'activité de production de pièces moulées. En second lieu, les solutions de l'art antérieur ne sont pas adaptées à une mise en oeuvre en continu pour produire des matériaux intermédiaires de qualité constante et utilisables pour différents procédés de moulage, voire de 20 chaudronnerie, et différentes applications. En troisième lieu, les solutions de l'art antérieur prévoient une dénaturation des matériaux à recycler, conduisant à un hachage des fibres à des dimensions de quelques millimètres. Le matériau recyclé perd ainsi une 25 grande partie de ses qualités mécaniques. Solutions apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, la présente 30 invention consiste selon son acception la plus générale un procédé de recyclage de pièces (des chutes de production ou des produits en fin de vie) en composite thermoplastique, comportant une étape de fragmentation des pièces et une étape de ré-agglomération des fragments caractérisé en ce que ladite étape de fragmentation produit des fragments dont la plus petite dimension dans le plan des fibres est supérieure à 30 millimètres et en ce que l'étape de ré-agglomération consiste à déposer lesdits fragments sur un convoyeur à bande, et à appliquer au moins une étape de chauffage à la température de fusion de la matrice thermoplastique, pour produire des plaques en continu. De préférence, ladite plus petite dimension des fragments dans le plan des fibres est supérieure à 50 10 millimètres. Avantageusement, lesdits fragments présentent des dimensions dans le plan des fibres inférieures à 200 millimètres. Selon une autre variante, lesdits fragments sont 15 soumis à une succession d'étapes de tri, lavage, purification et séchage. Selon une variante, ladite étape de ré-agglomération comporte au moins une étape de tassement de la couche de fragments déposé sur ledit convoyeur. 20 Selon une variante, ladite étape de ré-agglomération comporte une succession d'étapes de tassement et de chauffage. Selon une autre variante, ladite étape de ré- agglomération comporte des étapes additionnelles de fragments après la première étape de chauffage. 25 Selon une autre variante, ladite étape de ré- agglomération comporte une étape de dépôt d'un renfort fibreux après la première étape de chauffage. Selon une autre variante, ladite étape de ré-agglomération comporte une étape finale de calandrage 30 [calandrage par rouleau, calandrage à plat ou de pressage à bande]. Selon une autre variante, ladite étape de ré-agglomération comporte une étape de rajout d'un liant. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, le procédé comporte une étape additionnelle d'incorporation d'un renfort fibreux lors de l'étape de ré-agglomération. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, le 5 procédé comporte une étape additionnelle d'incorporation d'un film de surface lors de l'étape de ré-agglomération. L'invention concerne également un matériau composite recyclé caractérisé en ce qu'il est réalisé par un procédé de 10 recyclage conforme à l'invention. L'invention concerne encore un équipement pour la mise en oeuvre du procédé, et comportant un broyeur pour la fragmentation de pièces [chutes de production ou fin de vie] en composite thermoplastique, un convoyeur et au moins une 15 trémie d'alimentation pour la dépose des fragments sur ledit convoyeur, ainsi qu'un moyen de chauffage et un moyen de tassement de la couche de fragments déposés sur le convoyeur. Description détaillée d'un exemple non limitatif de 20 réalisation L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à un exemple non limitatif de réalisation illustré par la figure 1 qui représente une 25 vue schématique d'une installation de recyclage selon l'invention L'invention décrit un procédé de mise en oeuvre d'un semi- produit constitué de fragment en composite thermoplastique. La figure 1 présente schématiquement une des 30 variations de cette invention. Cette invention est la transformation de déchets de production et/ou de pièces en matériau composites en fin de vie pour former une plaque continue. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre avec un équipement décrit à titre d'exemple en référence à la figure 1, représentant une vue schématique d'un tel équipement. Il comprend un équipement de broyage et de calibrage(1) agencé pour fragmenter des pièces composites à recycler en morceaux dont la plus petite dimension, dans le plan défini par les fibres, est supérieur à 30 millimètres, et de préférence à 50 millimètres. Le broyeur (1) est par exemple un broyeur par cisaillement destiné à réduire des pièces en composite de configurations diverses en morceaux de matériaux solides d'une taille nominale prédéfinie. Le principe est la fragmentation des morceaux par l'action mécanique de pièces plus résistantes, généralement métalliques. Le broyage par cisaillement s'obtient par l'action de forces externes au matériau. Les machines utilisées comportent, en général, un rotor équipé de dents ou de couteaux qui travaillent en cisaillement, tranchage, éclatement ou déchiquetage. Différents dispositifs peuvent être utilisés : - Déchiqueteurs à cisailles rotatives : Ils sont composés d'arbres pourvus de couteaux en forme de disques à une ou plusieurs dents. - Concasseurs à dents ou à mâchoires : Ils servent lors du concassage primaire et secondaire de produits durs et abrasifs (roches par exemple), qui nécessitent une compression lente et ne peuvent pas être traités par un broyage par percussion à cause de leur abrasivité. - Granulateurs à couteaux : Ils servent principalement au broyage de plastiques. Il peut également s'agir d'un broyeur à marteaux comprenant un arbre en acier muni de disques tournés et clavetés sur l'arbre ainsi que de marteaux lourds en acier ou de manganèse. La taille indiquée correspond à la taille nominale, c'est-à-dire la taille des fragments médians, excluant les 20% 5 de fragments de taille plus importante et les 20% des fragments de taille inférieure. Les fragments de tailles supérieure ou inférieure peuvent être séparés par un tri mécanique pour être réintroduit dans le broyeur pour les fragments de taille significativement supérieure à la taille 10 nominale et éliminés pour les fragments de trop petite taille. Les fragments sont ensuite traités, de manière optionnelle, par un équipement de nettoyage (2), de séchage (3), de purification (4) et/ou d'étuvage (5). Ces fragments viennent ensuite alimenter des trémies 15 (6, 9) déversant une couche régulière de fragments sur un convoyeur à bande (20). L'épaisseur de la couche de fragments est harmonisée par des rouleaux (8, 11) exerçant une pression modérée, de l'ordre de 10 bars afin de tasser les fragments sans procéder pour autant à leur ré-agglomération. D'autres 20 dispositifs peuvent être utilisés pour régulariser le lit : par exemple des raclettes (ou encore barre de calibrage), un système vibrant, un obstacle fixe ou rotatif (avec ou sans vibration). Cette opération peut être réalisée sans ou avec un système d'asservissement pour régulariser le lit. A titre 25 d'exemple, le dispositif peut être asservi par optique, vision, pesée, rayon X ou tout type de rayonnement, flux d'air, infrarouge, volumétrie, mécanique (palper), radar. Les fragments déposés sur le tapis convoyeur sont soumis à une étape de chauffage par un dispositif (7, 10) 30 assurant le ramollissement voire la fusion de la matrice thermoplastique, à une température de 230 à 270°C pour des matrices en ABS, de 215 à 280°C pour des polyamides, de 210 à 230°C pour du polypropylène. A la sortie du convoyeur (20), le matériau recyclé fait l'objet d'un calandrage par des tambours (13, 14), pour former en continu des plaques de matériau composite. Selon une variante de réalisation, l'équipement comporte en outre une ou plusieurs trémies (15) pour l'adjonction de matière thermoplastique sous forme de granules, un dispositif additionnel de chauffage (16) et des rouleaux additionnels pour harmoniser la couche de fragments(12). Selon une autre variante de réalisation, l'équipement comporte en outre un système de dépose d'un renfort fibreux (17). REVENDICATIONS1 - Procédé de recyclage de pièces en composite thermoplastique, comportant une étape de fragmentation des 5 pièces et une étape de ré-agglomération des fragments caractérisé en ce que ladite étape de fragmentation produit des fragments dont la plus petite dimension dans le plan des fibres est supérieure à 30 millimètres et en ce que l'étape de ré-agglomération consiste à déposer lesdits fragments sur un 10 convoyeur à bande (20), et à appliquer au moins une étape de chauffage à la température de fusion de la matrice thermoplastique, pour produire des plaques en continu. 2 - Procédé de recyclage selon la revendication principale caractérisé en ce que ladite plus petite dimension 15 des fragments dans le plan des fibres est supérieure à 50 millimètres. 3 - Procédé de recyclage selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que lesdits fragments présentent des dimensions dans le plan des fibres inférieures à 200 20 millimètres. 4 - Procédé de recyclage selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite étape de ré-agglomération comporte au moins une étape de tassement de la couche de fragments déposé sur ledit convoyeur à bande 25 (20). - Procédé de recyclage selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite étape de ré-agglomération comporte une succession d'étapes de tassement et de chauffage. 30 6 - Procédé de recyclage selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite étape de ré-agglomération comporte des étapes additionnelles de fragments après la première étape de chauffage.7 - Procédé de recyclage selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite étape de ré-agglomération comporte une étape finale de calandrage [calandrage par rouleau, calandrage à plat ou de pressage à bande]. 8 - Procédé de recyclage selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une étape additionnelle d'incorporation d'un renfort fibreux 10 lors de l'étape de ré-agglomération. 9 - Matériau composite recyclé caractérisé en ce qu'il est réalisé par un procédé de recyclage conforme à l'une au moins des revendications précédentes. - Equipement pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une au moins des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte un broyeur pour la fragmentation de pièces en composite thermoplastique, un convoyeur et au moins une trémie d'alimentation pour la dépose des fragments sur ledit convoyeur, ainsi qu'un moyen de chauffage et un moyen de tassement de la couche de fragments déposés sur le convoyeur à bande (20).