Green and recycled polymer composites: mechanical performance assessment, to extend their industrial applications

The real need for safeguarding the planet, and the consequent increasing global demand for sustainable development has driven industries to reconsider traditional (fossil origin) material usage in favour of environmentally responsible alternatives. This doctoral research, in collaboration with RadiciGroup High Performance Polymers, investigates the mechanical and vibroacoustic performance of recycled polymer composites, with a specific focus on Polyamide 6 (PA6) and one of its glass fibre-reinforced grades which is widely employed in many industrial sectors (PA6-GF30). Emphasis is placed on assessing Post-Industrial Recycled (PIR) and Post-Consumer Recycled (PCR) materials in comparison to their virgin counterpart, aiming to validate their suitability for high-performance industrial applications. Meanwhile, to improve the scientific knowledge of these materials, models has been developed considering frequency and fibre orientation dependency on the mechanical properties of those. The study begins with a comprehensive Life Cycle Assessment (LCA), demonstrating that recycled materials significantly reduce environmental impacts such as energy consumption, greenhouse gas emissions, and resource depletion. Then, the mechanical behaviour of the materials was experimentally analysed. Tensile and flexural testing under varied conditions, including temperature and humidity, was carried out on unreinforced and reinforced samples, revealing that while some performance loss is present, recycled materials remain valid alternatives in high-demanding applications. Experimental Modal Analysis (EMA) and Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA) were employed to characterize the dynamic behaviour of polymers and composites. Considering both frequency dependency and fibre orientation features, Finite Element Models (FEM) on specific samples were validated, improving the simulations’ accuracy. Finally, acoustic experiments in double reverberation chambers and simulations were conducted to assess the Sound Transmission Loss (STL) of these materials. Results show that recycled composites can meet industrial mechanical requirements not only for usual applications but also in new fields where vibration and noise controls are fundamental.

La reale necessità di salvaguardare il pianeta e la conseguente crescente domanda globale di sviluppo sostenibile hanno spinto l’industria a riconsiderare l’utilizzo di materiali tradizionali di origine fossile a favore di alternative più rispettose dell’ambiente. Questa ricerca di dottorato, svolta in collaborazione con RadiciGroup High Performance Polymers, indaga le prestazioni meccaniche e vibroacustiche di compositi polimerici riciclati, con un focus specifico sulla Poliammide 6 (PA6) e su una delle sue versioni caricate con fibra di vetro, ampiamente impiegata in numerosi settori industriali (PA6-GF30). L'attenzione è posta sulla valutazione di materiali riciclati post-industriali (PIR) e post-consumo (PCR) rispetto ai materiali vergini, con l’obiettivo di validarne l’idoneità per applicazioni industriali ad alte prestazioni. Parallelamente, per approfondire la conoscenza scientifica di questi materiali, sono stati sviluppati modelli che considerano la dipendenza delle proprietà meccaniche dalla frequenza e dall’orientamento delle fibre. Lo studio si apre con una valutazione del ciclo di vita (LCA) completa, che dimostra come i materiali riciclati riducano significativamente l’impatto ambientale in termini di consumo energetico, emissioni di gas serra e sfruttamento delle risorse. Successivamente, il comportamento meccanico dei materiali è stato analizzato sperimentalmente. Sono stati eseguiti test di trazione e flessione in condizioni variabili di temperatura e umidità su campioni rinforzati e non, rivelando che, pur essendo presente una lieve perdita prestazionale, i materiali riciclati rappresentano alternative valide anche in applicazioni ad alta richiesta. Per caratterizzare il comportamento dinamico di polimeri e compositi, sono state condotte prove di analisi modale sperimentale (EMA) e analisi dinamico-meccanica-termica (DMTA). Considerando la dipendenza da frequenza e l’orientamento delle fibre, sono stati validati modelli ad elementi finiti (FEM) su campioni specifici, migliorando la precisione delle simulazioni. Infine, esperimenti acustici in camere riverberanti doppie e simulazioni numeriche sono stati eseguiti per valutare l'isolamento acustico (STL) di questi materiali. I risultati mostrano che i compositi riciclati possono soddisfare i requisiti meccanici industriali non solo per le applicazioni comuni, ma anche in nuovi ambiti in cui il controllo delle vibrazioni e del rumore è fondamentale.