Dottorato in INGEGNERIA AERONAUTICA E SPAZIALE

Titolo della tesi: Study of a closed-loop process for recycling high-performance thermoset epoxy/carbon fiber composites

I materiali compositi a matrice polimerica rinforzati con fibre sono ampiamente utilizzati in diversi settori grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche e alla bassa densità. Il loro impiego negli ultimi decenni è in aumento costante e si prevede che continuerà a crescere in futuro. Questi materiali hanno una vita operativa tipica di circa 25-30 anni, il che si traduce in un volume crescente di materiali a fine vita che richiede strategie efficaci di smaltimento o riciclo. Attualmente, la gran parte di questi materiali viene incenerita o smaltita in discarica, ponendo notevoli preoccupazioni ambientali. Di conseguenza sono stati condotti numerosi studi per identificare approcci di riciclo ottimali. Tra questi c’è la solvolisi, una forma di riciclo chimico che prevede la dissoluzione della matrice polimerica tramite solventi per estrarre le fibre con danni minimi, preservandone quindi il valore. Questo approccio è particolarmente interessante per il riciclo dei compositi rinforzati con fibre di carbonio per gli elevati costi ambientali ed economici associati alla produzione di fibre vergini di questo tipo. Rimangono tuttavia delle sfide nell'ottimizzazione delle condizioni di reazione per migliorare l'efficienza e la fattibilità su larga scala. In questo studio è stato sviluppato e ottimizzato un metodo di solvolisi basato su una soluzione acquosa di acido solforico per recuperare fibre di carbonio di alta qualità da compositi a matrice epossidica. I principali parametri del processo, tra cui la concentrazione della soluzione, la temperatura, il tempo di residenza e l'agitazione del fluido, sono stati regolati in modo sistematico per massimizzare il recupero delle fibre riducendo al minimo il degrado delle loro proprietà. Lo studio ha inoltre analizzato l'influenza della porosità e della frazione volumetrica di fibre del composito da riciclare sulla resa della solvolisi. A tal fine, è stato sviluppato un modello numerico per esaminare questi effetti, supportato anche da analisi sperimentali. L’efficacia del processo e la qualità delle fibre riciclate è stata analizzata sia da un punto di vista chimico che morfologico con tecniche di spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier e microscopia a scansione elettronica. Inoltre sono stati realizzati e analizzati nuovi compositi con le fibre recuperate che hanno mantenuto tra il 65% e il 95% delle proprietà meccaniche rispetto a quelli prodotti con fibre vergini. La riduzione più significativa è stata osservata nel modulo elastico a trazione, mentre le proprietà flessionali sono state mantenute maggiormente. È stata inoltre esplorata la possibilità di utilizzare le fibre di carbonio riciclate in applicazioni spaziali. I materiali compositi rinforzati con fibre di carbonio, sia riciclate che vergini, sono stati esposti a radiazione UV-C. Dopodiché, sono state valutate le proprietà meccaniche, la chimica e la morfologia superficiale. I risultati hanno dimostrato che le fibre riciclate possono essere efficacemente utilizzate in applicazioni di questo tipo senza significative perdite di prestazione. Per valutare i benefici ambientali dell'approccio di riciclo proposto, è stata condotto un life cycle assessment delle fibre riciclate. I risultati indicano miglioramenti significativi in diversi indicatori di impatto ambientale rispetto alla produzione di fibre di carbonio vergini.