Composieten Recyclen: Waarde Ontgrendelen in Koolstofvezel Afval

In april 2016 schreef ik een kolom getiteld „Kunnen we gerecycelde koolstofvezel sexy maken?”. Het was geschreven nadat ik een dakpaneel van een BMW i8 had gezien op de North American International Auto Show in Detroit, gemaakt van een zichtbaar, klaren gecoate koolstofvezelmat, herwonnen en herbestemd uit snijafval in BMW's composietproductieproces. Het toonde toen al significante vooruitgang, aangezien alle andere voorbeelden van zichtbare koolstofvezel op de beurs geweven stoffen waren, die de klassieke koolstofvezel „look” gaven onder hun klare afwerkingen.

Sindsdien is er veel gebeurd, aangezien diverse composiethergebruikstechnologieën zijn uitgegroeid en meerdere deelnemers hebben voortgebracht. Composietrecycling heeft ook investeringen aantrokken van venture capital fondsen alsook strategische investeerders, zoals Hexcel (Stamford, CT, VS) die in 2016 een deelneming nam in Carbon Conversions Inc. (Lake City, SC, VS), en de december 2018 aankondiging van Mitsubishi Corp. (Tokio, Japan) die een 25% deelneming nam in ELG Carbon Fibre Ltd. (Coseley, UK). Misschien wel het meest significante is de groeiende lijst met eindtoepassingen die gerecyclede composietmaterialen verwerken, van rioleringdekken tot parkbanken tot materialen voor 3D-printen, onder andere.

Op CompositesWorld's Carbon Fiber conferentie in december 2018 presenteerden sprekers van ELG, Vartega Inc. (Golden, CO, VS) en Composite Recycling Technology Center (CRTC, Port Angeles, WA, VS) materiaaleigenschappen van gerecyclde composieten (die, zeggen ze, vergelijkbaar zijn met die van ongerecyclde materialen) alsook al gerealiseerde eindtoepassingen die in significante vraag kunnen leiden.

Er zijn twee hoofddoelen voor het recyclen van composieten en composietmaterialenafval: het eerste is om afval op stortplaatsen te voorkomen, en het tweede, en misschien nog belangrijker, is om manieren te vinden om deze materialen te herwinnen en te hergebruiken in nuttige (en winstgevende) toepassingen. Maar welke methoden bereiken welke doelen, en welke zinvol zijn voor diverse grondstoffen? Om een dialoog hierover te starten, stel ik een methode voor om de diverse recyclingtechnologieën in zes niveaus te categoriseren:

Niveau 0 is minimalisatie van afval naar stortplaats, geleid door het verbeteren van materiaalbenutting en herincorporatie van afval in andere producten binnen dezelfde composietproductiefaciliteit. Dit omvat het gebruik van laag-afval processen zoals geautomatiseerd tape leggen (ATL) en geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) van droge vezel en prepregs, en het hermalen of hakken van afvalstukken en het gebruiken ervan in combinatie met continue of discontinue materialen in kernlagen, of injectie- of compressiegieten. Het is toepasbaar op thermoharsende en thermoplastische harsen en zou een prioriteit moeten zijn voor alle fabrikanten.

Niveau 1 is herbestemming van afvalmaterialen bestemd voor de stortplaats. Dit omvat gemalen, gehakte en mat-vormen van droge vezelafval, alsook het nemen van ongeharde prepregs die verlopen of off-spec kunnen zijn en het gieten ervan in producten met minder strenge prestatie-eisen. Er zijn talloze vezelafvalverwerkers, en verschillende „herbestemmings” entiteiten voor prepreg, zoals de CRTC.

Niveau 2 is het nemen van geharde composieten alsook afvalvezel en ongeharde prepreg, het schreden ervan en combineren met additionele harsen om het allemaal te binden in diverse panelen en producten die metaal, hout en beton vervangen. Grondstof kan eind-van-leven windturbinebladen, boten, vliegtuigonderdelen en auto-onderdelen omvatten, en kan glasvezel, koolstofvezel of schuimkern zijn. Global Fiberglass Solutions Inc. (Bothell, WA, VS) en GreenTex Solutions LLC (Charleston, SC, VS) zijn twee bedrijven op dit niveau.

In Niveau 3 worden vezels herwonnen uit intermediaire productvormen zoals ongeharde thermoharsende en thermoplastische prepregs, wat vezels oplevert met eigenschappen die essentieel gelijk zijn aan de oorspronkelijke vezels, hoofdzakelijk in een discontinue „vlok” of gepelletiseerde vorm, of in een non-woven formaat. ELG en Carbon Conversions (beide gebruikmakend van pyrolyse) en Vartega (gebruikmakend van solvolyse) bieden koolstofvezels op dit niveau aan.

Herwinning van vezels op Niveau 4 (geharde composietafval en afgekeurde onderdelen) en Niveau 5 (eind-van-leven onderdelen) is de „heilige graal” van composietrecycling. Beschikbare technologieën omvatten hoge-temperatuur pyrolyse (ELG en Carbon Conversions), natte chemische polymere afbraak (Adherent Technologies, Albuquerque, NM, VS) en een dubbele energieproductie/vezelherwinning pyrolytische methode ontwikkeld door CHZ Technologies (Auburn, AL, VS). Economische schaalbaarheid van deze technologieën zal essentieel zijn voor langetermijnsucces.

Gegeven de beschikbare opties, moeten composietfabrikanten overwegen recyclingbedrijven op te nemen als onderdeel van de composiet toeleveringsketen net zoals vezel-, hars- en prepregleveranciers. In dat verband moeten ze bereid zijn R&D-gelden te investeren om deze evoluerende technologieën tot volwassenheid te helpen. In december kondigde Boeing een vijfjarig akkoord aan met ELG om zijn composietafval, gehard (Niveau 4) en ongehard (Niveau 3), van 11 productielocaties naar ELG te sturen voor herwinning van koolstofvezel. Het is een begin, en het is tijd voor andere fabrikanten om dit na te doen. Geen excuses geaccepteerd.