Technical and economical feasibility of innovative recycling methods enabled by CFRP made from Vitrimers

The use of Carbon fibre reinforced composite is widespread in today's world. Especially in the sectors of aviation, automobiles and the energy sector where we are seeing a sharp increase in the use of this material. CFRPs have excellent strength, low density, anti-corrosive properties and high strength to weight ratio. Due to use properties, the use of CFRP has been increasing in sectors where weight reduction is important. Not only to improve their efficiency but also to reduce their CO2 output and hence reduce their impact on the environment. But it is important to note that the product of these CFRP includes the production of carbon fibre which is an energy-intensive process and polymer resin which is traditionally non-recyclable and non-biodegradable. As a result of this, most of the CFRP waste goes into landfills and incinerators. This is not only harmful to the environment but there is a huge loss of value and it contradicts the Sustainable Development Goals of the European Union which push for a Circular Economy. The thesis in its introduction depicts the world of composites, the concept of circular economy, the current life cycle of composites and recycling. It then proceeds to introduce the challenges in recycling and the importance of recycling CFRPs. A new class of polymers called Vitrimers is introduced which enables innovative recycling methods for simultaneous recovers of fibre and resin. The thesis acts as base research with a small experimental campaign on two innovative recycling methods called High Voltage Fragmentation and CO2 assisted pyrolysis. As the results achieved by our experimentation prove to be encouraging, the thesis then builds a business case with an SME that wants to procure one of these processes for internal use as well as sell the recycled material on the market. The thesis also discusses the strategic reason for recycling and proceeds with determining the profitability of the process using Net Present Value and Payback Time as proxies.

L'uso del composito rinforzato con fibra di carbonio è molto diffuso al giorno d'oggi. Soprattutto nei settori dell'aviazione, delle automobili e dell'energia, dove stiamo assistendo a un forte aumento dell'uso di questo materiale. I CFRP hanno un'eccellente resistenza, una bassa densità, proprietà anticorrosive e un alto rapporto forza-peso. Grazie alle sue proprietà d'uso, l'uso del CFRP sta aumentando nei settori in cui la riduzione del peso è importante. Non solo per migliorare la loro efficienza, ma anche per ridurre la produzione di CO2 e di conseguenza ridurre il loro impatto sull'ambiente. È importante notare che il prodotto di questi CFRP include la produzione di fibra di carbonio che è un processo ad alta intensità energetica e resina polimerica che è tradizionalmente non riciclabile e non biodegradabile. Di conseguenza, la maggior parte dei rifiuti CFRP finisce nelle discariche e negli inceneritori. Questo non è solo dannoso per l'ambiente, ma causa un'enorme perdita di valore e contraddice gli obiettivi di sviluppo sostenibile dell'Unione Europea che spingono per un'economia circolare. La tesi nella sua introduzione descrive il mondo dei compositi, il concetto di economia circolare, l'attuale ciclo di vita dei compositi e il riciclaggio. Procede poi ad introdurre le sfide del riciclaggio e l'importanza del riciclaggio dei CFRP. Viene introdotta una nuova classe di polimeri chiamata Vitrimers che permette metodi di riciclo innovativi per il recupero simultaneo di fibra e resina. La Tesi funge da ricerca di base con una piccola campagna sperimentale su due metodi di riciclaggio innovativi chiamati High Voltage Fragmentation e CO2 assisted pyrolysis. Poiché i risultati ottenuti dalla nostra sperimentazione si dimostrano incoraggianti, la tesi costruisce poi un business case con una PMI che vuole adottare uno di questi processi per uso interno così come vendere il materiale riciclato sul mercato. La tesi discute anche la ragione strategica del riciclaggio e procede con la determinazione della redditività del processo usando come proxy il Valore Attuale Netto e il Tempo di Ritorno.