Thèse Vers l'Économie Circulaire des Composites Aéronautiques Nouvelles Technologies Durables pour la Revalorisation Conjointe des Fibres et des Résines Refibresin H/F - Doctorat.Gouv.Fr
- Toulouse - 31
- CDD
- Doctorat.Gouv.Fr
Les missions du poste
Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : SOFTMAT - Chimie des colloïdes, polymères & assemblages complexes Direction de la thèse : Sophie FRANCESCHI Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-16T23:59:59 Les avions sont devenus plus légers, plus résistants et plus économes grâce aux polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP), qui constituent plus de 50 % de leur structure primaire. Les CFRPs associent des fibres et de la résine - et, avec elles, deux univers scientifiques : le génie mécanique et la chimie. Cependant, ce qui rend ces matériaux exceptionnels en vol les rend aussi exceptionnellement difficiles à recycler. Avec une flotte d'avions de plus en plus nombreuse arrivant en fin de vie, l'Europe a un besoin urgent de nouvelles méthodes pour récupérer et réutiliser ces matériaux à haute valeur ajoutée.
Récemment, la solvolyse est apparue comme une approche prometteuse pour récupérer les composants de la résine tout en préservant la qualité des fibres. Toutefois, l'état de l'art actuel se limite à des études isolées, récupérant l'un ou l'autre des composants au détriment du second. Cette approche fragmentée reflète un défi plus large : l'absence d'études systématiques et, surtout, une interaction limitée entre ingénieurs et chimistes.
REFIBRESIN répond à cette lacune grâce à une collaboration unique entre Softmat (UT) et TU Delft. S'appuyant sur l'expertise reconnue des partenaires dans ce domaine, le projet établira une approche systématique pour concevoir des filières de recyclage optimales pour les CFRPs. Cela permettra la récupération conjointe de fibres de haute qualité et de produits dérivés de résine valorisables, ainsi que leur utilisation ultérieure dans des composites de nouvelle génération. En combinant criblage à haut débit, analyse de données et caractérisation avancée, REFIBRESIN établira une corrélation sans précédent entre le processus de recyclage et la préservation des performances mécaniques, tout en fournissant une feuille de route robuste pour prédire les propriétés des matériaux recyclés. L'intégration d'une chimie dynamique innovante dans les matériaux récupérés permettra de concevoir de nouveaux CFRPs qui seront non seulement performants, mais aussi recyclables dès leur conception (recyclable by design). Ce projet, ambitieux mais rendu possible par l'expertise déjà établie des partenaires, propose une voie scientifique inédite vers la prochaine génération de matériaux aéronautiques durables.
Pourquoi les polymères renforcés de fibres de carbone (CFRPs) ? Les CFRPs sont une classe de matériaux de haute performance largement utilisés dans les industries aérospatiale, aéronautique et automobile. Leurs performances uniques dans des applications exigeantes résultent de leurs propriétés mécaniques exceptionnelles, de leur rapport résistance/poids, de leur excellente résistance à la fatigue et au fluage, ainsi que de leur facilité de fabrication. Le marché mondial de la fibre de carbone (CF) devrait croître de plus de 8 % par an, avec une demande qui devrait dépasser l'offre mondiale d'ici 2030. Actuellement, les matériaux issus de l'aéronautique sont principalement éliminés par mise en décharge ou incinération, ce qui entraîne des impacts environnementaux significatifs. En 2024, la quantité mondiale de déchets de CF était estimée à environ 50 kt/an, provenant des déchets de fin de vie, mais aussi et surtout des chutes de fabrication. Cependant, d'ici 2030, près de 8 000 avions commerciaux devraient atteindre leur fin de vie, chacun contenant plus de 20 tonnes de déchets de CFRPs. Parallèlement, malgré leur avantage en termes de rapport poids/performance, la production de CF vierge est gourmande en énergie et coûteuse, ce qui nuit à leur bilan environnemental global. Par conséquent, un remaniement profond des priorités de recyclage est attendu dans les années à venir. Le développement de stratégies de recyclage efficaces permettant la circularité des CFRPS pourrait réduire considérablement l'empreinte environnementale du secteur aéronautique tout en générant des bénéfices économiques.
Pourquoi les CFRPs ne sont-ils pas recyclés ? La grande majorité des CFRPs associent des CF à des résines thermodurcissables époxy-amine aromatiques, un réseau polymère 3D qui offre une excellente stabilité thermique, une résistance chimique et des performances mécaniques élevées. Cependant, ces mêmes caractéristiques les rendent particulièrement difficiles à recycler. Le recyclage conventionnel des polymères, basé sur des procédés mécaniques, n'est pas adapté car les thermodurcissables sont infusibles. Le recyclage actuel des CFRPs à grande échelle se limite donc au broyage des composites en charges pour des applications de moindre valeur, ce qui entraîne une perte de valeur (downcycling) significative des matériaux. Disponibles à l'échelle pilote, les traitements thermochimiques, tels que la pyrolyse et la vapothermolyse, se concentrent principalement sur la dégradation de la matrice polymère à haute température (450-700 °C) pour récupérer les CF, tandis que la fraction organique hétérogène est éliminée. Nombre de ces processus de dégradation endommagent également les fibres de carbone, empêchant leur réutilisation dans les applications de haute performance pour lesquelles elles ont été initialement conçues, avec des pertes de résistance à la traction dépassant 30 %. Il existe donc un besoin évident de technologies de recyclage économiquement viables et écologiquement durables, capables de récupérer les deux constituants avec une haute valeur ajoutée.
La solvolyse pourrait-elle être la solution ? La solvolyse est apparue récemment comme une technologie très prometteuse pour la circularité des composites. Elle combine dissolution et réactions chimiques pour convertir la matrice polymère en molécules plus petites à des températures plus basses que le recyclage thermochimique, généralement en dessous de 300 °C. Cependant, sa mise en oeuvre reste difficile pour deux raisons principales : (i) elle nécessite la rupture du réseau époxy-amine, c'est-à-dire des liaisons éther et C-N, qui ont une faible réactivité chimique ; (ii) l'insolubilité intrinsèque du réseau polymère limite la diffusion des réactifs, ralentissant le processus de dégradation. Ainsi, une dégradation incontrôlée du réseau est généralement obtenue en utilisant des espèces hautement réactives et concentrées, combinées à des solvants sous pression à température élevée. De telles opérations présentent des limites majeures pour le passage à l'échelle industrielle en raison de la consommation d'énergie, de l'utilisation de réactifs dangereux et de la nécessité de réacteurs coûteux résistants à la pression et à la corrosion. De plus, ces conditions de réaction drastiques entraînent souvent une faible sélectivité du processus de dégradation du polymère, produisant des mélanges complexes de produits qui sont mis au rebut. Elles sont également susceptibles d'altérer la surface des fibres, ce qui affecterait l'interaction fibre-résine dans les nouveaux matériaux, réduisant ainsi considérablement leurs performances mécaniques.
Comment améliorer la solvolyse ? Des avancées récentes, notamment au sein du laboratoire Softmat, ont démontré que des procédés de solvolyse soigneusement conçus peuvent parvenir à une dégradation du polymère sous des conditions plus douces (moins de 100 °C), préservant ainsi l'intégrité des fibres de carbone. Néanmoins, la nature des produits de dégradation organiques reste largement méconnue. Dans son état actuel, la recherche sur la solvolyse consiste en des études isolées, chacune se concentrant sur un type spécifique de réactif, sans investigation systématique reliant le procédé à la qualité des produits récupérés. L'utilisation d'une approche de criblage à haut débit (réactions effectuées en parallèle sur des composés modèles avec une lecture rapide des résultats), couplée à une analyse statistique des données, pourrait permettre de corréler le processus de solvolyse à la sélectivité et à la qualité des produits obtenus.
Comment garantir les propriétés mécaniques ? Les travaux de recherche sur la solvolyse appliquent généralement un procédé défini à des déchets de CFRPs. Les propriétés mécaniques des fibres isolées, telles quelles ou réintégrées dans une résine neuve, sont comparées à celles de fibres vierges. Cependant, le choix des réactifs de solvolyse altère non seulement la résistance de la fibre, mais surtout la composition chimique de sa surface, un aspect clé pour garantir l'interaction fibre-matrice et les propriétés mécaniques du CFRPs. Établir une corrélation entre la voie de solvolyse et les propriétés mécaniques pourrait guider les recherches futures sur le recyclage des polymères. Pour accompagner cette transition, la définition d'une feuille de route de caractérisation permettant de prédire les performances du recyclat accélérerait le développement de ces technologies.
Comment passer à des avions plus recyclables ? Une stratégie attrayante pour parvenir à une véritable circularité est le développement de matrices polymères offrant des performances comparables aux thermodurcissables époxy-amine conventionnels tout en étant intrinsèquement recyclables. Dans ce contexte, les vitrimères représentent une classe de matériaux particulièrement prometteuse. Ces réseaux polymères tridimensionnels, basés sur des liaisons covalentes dynamiques, combinent les performances des thermodurcissables avec la remise en oeuvre et la recyclabilité des thermoplastiques, permettant une déconstruction contrôlée à la demande, comme cela a été notamment démontré à Softmat. À terme, une économie circulaire idéale pour les CFRPS pourrait non seulement recycler les matrices époxy actuelles difficiles à traiter, mais aussi les convertir en une nouvelle génération de CFRPs recyclables dès la conception (recyclable-by-design) basés sur les vitrimères, suivant une véritable approche de surcyclage (upcycling).
English version:
Why Carbon fiber-reinforced polymers (CFRPs)? CFRPs are a class of high-performance materials that are extensively used in aerospace, aeronautic and automotive industries. Their unique performances in high-demanding applications results from their outstanding mechanical properties, strength-to-weight ratio, excellent fatigue and creep resistance, and ease of manufacturing. The global carbon fiber (CF) market is expected to grow at more than 8% annually, with demand projected to exceed global supply by 2030. Materials from aeronautics are mainly disposed of, through landfilling or incineration, resulting in significant environmental impacts. The global quantity of CF waste in 2024 was estimated at around 50 kt/year, arising from end-of-life waste but also and principally from manufacturing scrap. However, by 2030, nearly 8,000 commercial aircraft are expected to reach their end-of-life, each containing over 20 tons of CFRP waste. In parallel, despite their weight-to-performance benefit, the production of virgin CF is energy- and cost-intensive, sabotaging their overall environmental impact. Therefore, a dramatic reshaping in recycling priorities is expected in the upcoming years. Developing efficient recycling strategies that enable the circularity of CFRPs could substantially reduce the environmental footprint of the aeronautics sector while also generating economic benefits.
Why CFRPs aren't recycled? The vast majority of CFRPs combine CF with aromatic epoxy-amine thermoset resins, a 3D polymer network which provide excellent thermal stability, chemical resistance, and mechanical performance. However, these same characteristics also make them particularly difficult to recycle. The conventional recycling of polymers, based on mechanical processing, is not suitable because thermosets are infusible. Current recycling of CFRPs at large scale is thus limited to grinding the composites into fillers for lower-value applications, resulting in significant material downcycling and loss of value. Available at pilot scale, thermochemical treatments, such as pyrolysis and vapothermolysis, focus mainly on degrading the polymer matrix at high temperature (450-700°C) to recover the CFs, while the heterogeneous organic fraction is discarded. Many of these degradation processes also damage the carbon fibers, preventing their reuse in the high-performance applications for which they were originally designed, with tensile strength losses exceeding 30%. There is therefore a clear need for economically viable and environmentally sustainable recycling technologies capable of recovering both constituents at high value.
Could solvolysis be the solution? Solvolysis emerged recently as a highly promising technology for composites circularity. It combines dissolution and chemical reactions to convert the polymer matrix into smaller molecules at lower temperatures than thermochemical recycling, typically below 300°C. However, its implementation remains challenging for two main reasons: (i) it requires the cleavage of epoxy-amine network, i.e. ether and C-N bonds, which have low chemical reactivity. (ii) the intrinsic insolubility of the polymer network limits reagent diffusion, slowing down the degradation process. Thus, uncontrolled network degradation is generally achieved using highly reactive and concentrated species; combined with pressured solvents at elevated temperature. Such operations present major limitations for up-scaling due to energy consumption, hazardous reagents, and the need for onerous pressure- and corrosion-resistant reactors. Furthermore, the harsh reaction conditions often result in poor selectivity in the polymer degradation process, producing complex mixtures of products that are discarded. They are also likely to alter the surface of the CFs, which would affect the fiber-resin interaction in new materials, thus significantly reducing their mechanical performance.
How to improve solvolysis? Recent advances, notably in Softmat laboratory, have demonstrated that carefully designed solvolysis processes can achieve polymer degradation under milder conditions (below 100°C), thus preserving the integrity of the carbon fibers. Nonetheless, the nature of the organic degradation products remains mostly unclear. In its current state, the research on solvolysis consists in isolated studies, each focusing on a specific type of reagent, with no systematic investigation linking the process with the quality of the recovered products. The use of high-throughput screening approach, i.e. reactions performed in parallel, using model compound, with a fast-scan result reading, coupled with statistical data analysis, could allow to connect the solvolysis process to product selectivity and quality.
How to ensure mechanical properties? Research works on solvolysis generally apply one defined solvolysis process to CFRP waste. The mechanical properties of the isolated fibers, as such or reintegrated into fresh resin, are confronted to those of virgin fibers. However, the choice of solvolysis reagents alters not only fiber's strength, but mostly the chemical composition of the fiber's surface, a key aspect to ensure the fiber-matrix interaction and mechanical properties of the CFRP. Establishing a correlation between solvolysis route and mechanical properties could help guide future research in polymer recycling. To accompany this transition, the definition of a characterization roadmap to predict the performance of the recyclate would accelerate the development of such technologies.
How to shift to more recyclable aircrafts? An attractive strategy to achieve true circularity is the development of polymer matrices that provide performance comparable to conventional epoxy-amine thermosets while being intrinsically recyclable. In this context, vitrimers represent a particularly promising class of materials. These three-dimensional polymer networks, based on dynamic covalent bonds, combine the performance of thermosets with the reprocessability and recyclability of thermoplastics, enabling controlled deconstruction on demand, as notably demonstrated in Softmat. Ultimately, an ideal circular economy for CFRPs could not only recycle existing hard-to-recycle epoxy matrices but also convert them into a new generation of recyclable-by-design CFRPs based on vitrimers, following a true upcycling approach.
1. Définir et optimiser des procédés de solvolyse sûrs et à faible impact environnemental, afin de séparer et de récupérer à la fois des fibres longues et non emmêlées ainsi que des produits chimiques bien définis.
2. Évaluer les propriétés mécaniques des fibres récupérées.
3. Établir une feuille de route de caractérisation prédictive afin de corréler la voie de recyclage aux propriétés mécaniques.
4. Réintégrer les produits recyclés comme briques élémentaires pour la synthèse de nouveaux matériaux composites vitrimères recyclables.
English version:
1. Define and optimize safe, low-environmental-impact solvolysis processes to separate and recover both long, untangled fibers and well-defined chemical products.
2. Assess the mechanical properties of the recovered fibers.
3. Establish a predictive characterization roadmap to correlate the recycling route with the resulting mechanical properties.
4. Reintegrate the recycled products as building blocks for the synthesis of new recyclable vitrimer-based composite materials. WP1 - Solvolyse des déchets aéronautiques en briques élémentaires valorisables et définies (Softmat, année 1)
(i) Synthèse de deux résines modèles basées sur les formulations commerciales les plus pertinentes.
(ii) Criblage des conditions de dépolymérisation des résines à petite échelle, suivi d'une caractérisation chimique des produits obtenus.
(iii) Transfert des conditions sur des matériaux en fin de vie issus de l'aéronautique (partenariats industriels déjà établis)
(iv) Optimisation des paramètres réactionnels à plus grande échelle, suivie d'une caractérisation chimique et structurale approfondie des produits et des fibres, ainsi que de leur isolement pour les WP2 et WP3.
WP2 - Performances mécaniques des fibres récupérées dans de nouveaux matériaux (TU Delft, année 2)
(i) Caractérisation des propriétés mécaniques des fibres de carbone (CF) recyclées issues du WP1.
(ii) Synthèse et caractérisation de CFRP à partir des fibres de carbone recyclées et d'une résine vierge.
(iii) Évaluation des propriétés des matériaux composites CFRP au moyen d'essais dynamiques et de fatigue.
(iv) Évaluation de la mécanique de la rupture et des mécanismes d'endommagement.
WP3 - Valorisation des briques élémentaires en matériaux composites recyclables (Softmat, année 3)
(i) Synthèse de vitrimères à partir des produits organiques issus du recyclage obtenus dans le WP1.
(ii) Caractérisation des vitrimères afin d'étudier leur comportement dynamique ainsi que leurs propriétés thermomécaniques.
(iii) Synthèse de composites intégrant l'ensemble des produits recyclés, à partir de la nouvelle formulation de vitrimère et des fibres recyclées obtenues dans le WP1.
(iv) Recyclage chimique des composites à base de vitrimère.
Evaluation des risques : Le projet est rendu réalisable grâce à l'expertise déjà établie et aux connaissances avancées de Softmat et de la TU Delft dans les domaines d'investigation proposés. Par ailleurs, les difficultés éventuelles à atteindre les objectifs de l'un ou l'autre des Work Packages (WP) pourront être facilement atténuées afin de poursuivre les étapes suivantes. Notamment, la récupération des fibres issues des procédés de solvolyse a déjà été démontrée au sein de Softmat. Cela garantit la possibilité de mener à bien le WP2 et d'utiliser les fibres recyclées pour la préparation de vitrimères dans le WP3.
English version:
WP1 - Solvolysis of Aerospace Waste into Recoverable and Well-Defined Building Blocks (Softmat, Year 1)
(i) Synthesis of two model resins based on the most relevant commercial formulations.
(ii) Screening of resin depolymerization conditions at small scale, followed by chemical characterization of the resulting products.
(iii) Transfer of the optimized conditions to end-of-life aerospace materials, using already established industrial partnerships.
(iv) Optimization of the reaction parameters at larger scale, followed by in-depth chemical and structural characterization of the products and fibers, as well as their isolation for use in WP2 and WP3.
WP2 - Mechanical Performance of Recovered Fibers in New Materials (TU Delft, Year 2)
(i) Characterization of the mechanical properties of the recycled carbon fibers (CF) obtained from WP1.
(ii) Synthesis and characterization of CFRPs using recycled carbon fibers and a virgin resin.
(iii) Evaluation of the properties of CFRP composite materials through dynamic and fatigue testing.
(iv) Evaluation of fracture mechanics and damage mechanisms.
WP3 - Valorization of Building Blocks into Recyclable Composite Materials (Softmat, Year 3)
(i) Synthesis of vitrimers from the organic products obtained through recycling in WP1.
(ii) Characterization of the vitrimers to investigate their dynamic behavior and thermomechanical properties.
(iii) Synthesis of composites incorporating all recycled products, using the newly developed vitrimer formulation and the recycled fibers obtained in WP1.
(iv) Chemical recycling of vitrimer-based composites.
Risk Assessment
The feasibility of the project is supported by the established expertise and advanced knowledge of Softmat and TU Delft in the proposed research areas. In addition, any potential difficulties in achieving the objectives of one or more Work Packages (WPs) can be readily mitigated to ensure the successful completion of the subsequent stages. In particular, the recovery of fibers from solvolysis processes has already been demonstrated at Softmat. This ensures the feasibility of WP2 and enables the use of the recycled fibers for the preparation of vitrimer-based composites in WP3.
Récemment, la solvolyse est apparue comme une approche prometteuse pour récupérer les composants de la résine tout en préservant la qualité des fibres. Toutefois, l'état de l'art actuel se limite à des études isolées, récupérant l'un ou l'autre des composants au détriment du second. Cette approche fragmentée reflète un défi plus large : l'absence d'études systématiques et, surtout, une interaction limitée entre ingénieurs et chimistes.
REFIBRESIN répond à cette lacune grâce à une collaboration unique entre Softmat (UT) et TU Delft. S'appuyant sur l'expertise reconnue des partenaires dans ce domaine, le projet établira une approche systématique pour concevoir des filières de recyclage optimales pour les CFRPs. Cela permettra la récupération conjointe de fibres de haute qualité et de produits dérivés de résine valorisables, ainsi que leur utilisation ultérieure dans des composites de nouvelle génération. En combinant criblage à haut débit, analyse de données et caractérisation avancée, REFIBRESIN établira une corrélation sans précédent entre le processus de recyclage et la préservation des performances mécaniques, tout en fournissant une feuille de route robuste pour prédire les propriétés des matériaux recyclés. L'intégration d'une chimie dynamique innovante dans les matériaux récupérés permettra de concevoir de nouveaux CFRPs qui seront non seulement performants, mais aussi recyclables dès leur conception (recyclable by design). Ce projet, ambitieux mais rendu possible par l'expertise déjà établie des partenaires, propose une voie scientifique inédite vers la prochaine génération de matériaux aéronautiques durables.
Pourquoi les polymères renforcés de fibres de carbone (CFRPs) ? Les CFRPs sont une classe de matériaux de haute performance largement utilisés dans les industries aérospatiale, aéronautique et automobile. Leurs performances uniques dans des applications exigeantes résultent de leurs propriétés mécaniques exceptionnelles, de leur rapport résistance/poids, de leur excellente résistance à la fatigue et au fluage, ainsi que de leur facilité de fabrication. Le marché mondial de la fibre de carbone (CF) devrait croître de plus de 8 % par an, avec une demande qui devrait dépasser l'offre mondiale d'ici 2030. Actuellement, les matériaux issus de l'aéronautique sont principalement éliminés par mise en décharge ou incinération, ce qui entraîne des impacts environnementaux significatifs. En 2024, la quantité mondiale de déchets de CF était estimée à environ 50 kt/an, provenant des déchets de fin de vie, mais aussi et surtout des chutes de fabrication. Cependant, d'ici 2030, près de 8 000 avions commerciaux devraient atteindre leur fin de vie, chacun contenant plus de 20 tonnes de déchets de CFRPs. Parallèlement, malgré leur avantage en termes de rapport poids/performance, la production de CF vierge est gourmande en énergie et coûteuse, ce qui nuit à leur bilan environnemental global. Par conséquent, un remaniement profond des priorités de recyclage est attendu dans les années à venir. Le développement de stratégies de recyclage efficaces permettant la circularité des CFRPS pourrait réduire considérablement l'empreinte environnementale du secteur aéronautique tout en générant des bénéfices économiques.
Pourquoi les CFRPs ne sont-ils pas recyclés ? La grande majorité des CFRPs associent des CF à des résines thermodurcissables époxy-amine aromatiques, un réseau polymère 3D qui offre une excellente stabilité thermique, une résistance chimique et des performances mécaniques élevées. Cependant, ces mêmes caractéristiques les rendent particulièrement difficiles à recycler. Le recyclage conventionnel des polymères, basé sur des procédés mécaniques, n'est pas adapté car les thermodurcissables sont infusibles. Le recyclage actuel des CFRPs à grande échelle se limite donc au broyage des composites en charges pour des applications de moindre valeur, ce qui entraîne une perte de valeur (downcycling) significative des matériaux. Disponibles à l'échelle pilote, les traitements thermochimiques, tels que la pyrolyse et la vapothermolyse, se concentrent principalement sur la dégradation de la matrice polymère à haute température (450-700 °C) pour récupérer les CF, tandis que la fraction organique hétérogène est éliminée. Nombre de ces processus de dégradation endommagent également les fibres de carbone, empêchant leur réutilisation dans les applications de haute performance pour lesquelles elles ont été initialement conçues, avec des pertes de résistance à la traction dépassant 30 %. Il existe donc un besoin évident de technologies de recyclage économiquement viables et écologiquement durables, capables de récupérer les deux constituants avec une haute valeur ajoutée.
La solvolyse pourrait-elle être la solution ? La solvolyse est apparue récemment comme une technologie très prometteuse pour la circularité des composites. Elle combine dissolution et réactions chimiques pour convertir la matrice polymère en molécules plus petites à des températures plus basses que le recyclage thermochimique, généralement en dessous de 300 °C. Cependant, sa mise en oeuvre reste difficile pour deux raisons principales : (i) elle nécessite la rupture du réseau époxy-amine, c'est-à-dire des liaisons éther et C-N, qui ont une faible réactivité chimique ; (ii) l'insolubilité intrinsèque du réseau polymère limite la diffusion des réactifs, ralentissant le processus de dégradation. Ainsi, une dégradation incontrôlée du réseau est généralement obtenue en utilisant des espèces hautement réactives et concentrées, combinées à des solvants sous pression à température élevée. De telles opérations présentent des limites majeures pour le passage à l'échelle industrielle en raison de la consommation d'énergie, de l'utilisation de réactifs dangereux et de la nécessité de réacteurs coûteux résistants à la pression et à la corrosion. De plus, ces conditions de réaction drastiques entraînent souvent une faible sélectivité du processus de dégradation du polymère, produisant des mélanges complexes de produits qui sont mis au rebut. Elles sont également susceptibles d'altérer la surface des fibres, ce qui affecterait l'interaction fibre-résine dans les nouveaux matériaux, réduisant ainsi considérablement leurs performances mécaniques.
Comment améliorer la solvolyse ? Des avancées récentes, notamment au sein du laboratoire Softmat, ont démontré que des procédés de solvolyse soigneusement conçus peuvent parvenir à une dégradation du polymère sous des conditions plus douces (moins de 100 °C), préservant ainsi l'intégrité des fibres de carbone. Néanmoins, la nature des produits de dégradation organiques reste largement méconnue. Dans son état actuel, la recherche sur la solvolyse consiste en des études isolées, chacune se concentrant sur un type spécifique de réactif, sans investigation systématique reliant le procédé à la qualité des produits récupérés. L'utilisation d'une approche de criblage à haut débit (réactions effectuées en parallèle sur des composés modèles avec une lecture rapide des résultats), couplée à une analyse statistique des données, pourrait permettre de corréler le processus de solvolyse à la sélectivité et à la qualité des produits obtenus.
Comment garantir les propriétés mécaniques ? Les travaux de recherche sur la solvolyse appliquent généralement un procédé défini à des déchets de CFRPs. Les propriétés mécaniques des fibres isolées, telles quelles ou réintégrées dans une résine neuve, sont comparées à celles de fibres vierges. Cependant, le choix des réactifs de solvolyse altère non seulement la résistance de la fibre, mais surtout la composition chimique de sa surface, un aspect clé pour garantir l'interaction fibre-matrice et les propriétés mécaniques du CFRPs. Établir une corrélation entre la voie de solvolyse et les propriétés mécaniques pourrait guider les recherches futures sur le recyclage des polymères. Pour accompagner cette transition, la définition d'une feuille de route de caractérisation permettant de prédire les performances du recyclat accélérerait le développement de ces technologies.
Comment passer à des avions plus recyclables ? Une stratégie attrayante pour parvenir à une véritable circularité est le développement de matrices polymères offrant des performances comparables aux thermodurcissables époxy-amine conventionnels tout en étant intrinsèquement recyclables. Dans ce contexte, les vitrimères représentent une classe de matériaux particulièrement prometteuse. Ces réseaux polymères tridimensionnels, basés sur des liaisons covalentes dynamiques, combinent les performances des thermodurcissables avec la remise en oeuvre et la recyclabilité des thermoplastiques, permettant une déconstruction contrôlée à la demande, comme cela a été notamment démontré à Softmat. À terme, une économie circulaire idéale pour les CFRPS pourrait non seulement recycler les matrices époxy actuelles difficiles à traiter, mais aussi les convertir en une nouvelle génération de CFRPs recyclables dès la conception (recyclable-by-design) basés sur les vitrimères, suivant une véritable approche de surcyclage (upcycling).
English version:
Why Carbon fiber-reinforced polymers (CFRPs)? CFRPs are a class of high-performance materials that are extensively used in aerospace, aeronautic and automotive industries. Their unique performances in high-demanding applications results from their outstanding mechanical properties, strength-to-weight ratio, excellent fatigue and creep resistance, and ease of manufacturing. The global carbon fiber (CF) market is expected to grow at more than 8% annually, with demand projected to exceed global supply by 2030. Materials from aeronautics are mainly disposed of, through landfilling or incineration, resulting in significant environmental impacts. The global quantity of CF waste in 2024 was estimated at around 50 kt/year, arising from end-of-life waste but also and principally from manufacturing scrap. However, by 2030, nearly 8,000 commercial aircraft are expected to reach their end-of-life, each containing over 20 tons of CFRP waste. In parallel, despite their weight-to-performance benefit, the production of virgin CF is energy- and cost-intensive, sabotaging their overall environmental impact. Therefore, a dramatic reshaping in recycling priorities is expected in the upcoming years. Developing efficient recycling strategies that enable the circularity of CFRPs could substantially reduce the environmental footprint of the aeronautics sector while also generating economic benefits.
Why CFRPs aren't recycled? The vast majority of CFRPs combine CF with aromatic epoxy-amine thermoset resins, a 3D polymer network which provide excellent thermal stability, chemical resistance, and mechanical performance. However, these same characteristics also make them particularly difficult to recycle. The conventional recycling of polymers, based on mechanical processing, is not suitable because thermosets are infusible. Current recycling of CFRPs at large scale is thus limited to grinding the composites into fillers for lower-value applications, resulting in significant material downcycling and loss of value. Available at pilot scale, thermochemical treatments, such as pyrolysis and vapothermolysis, focus mainly on degrading the polymer matrix at high temperature (450-700°C) to recover the CFs, while the heterogeneous organic fraction is discarded. Many of these degradation processes also damage the carbon fibers, preventing their reuse in the high-performance applications for which they were originally designed, with tensile strength losses exceeding 30%. There is therefore a clear need for economically viable and environmentally sustainable recycling technologies capable of recovering both constituents at high value.
Could solvolysis be the solution? Solvolysis emerged recently as a highly promising technology for composites circularity. It combines dissolution and chemical reactions to convert the polymer matrix into smaller molecules at lower temperatures than thermochemical recycling, typically below 300°C. However, its implementation remains challenging for two main reasons: (i) it requires the cleavage of epoxy-amine network, i.e. ether and C-N bonds, which have low chemical reactivity. (ii) the intrinsic insolubility of the polymer network limits reagent diffusion, slowing down the degradation process. Thus, uncontrolled network degradation is generally achieved using highly reactive and concentrated species; combined with pressured solvents at elevated temperature. Such operations present major limitations for up-scaling due to energy consumption, hazardous reagents, and the need for onerous pressure- and corrosion-resistant reactors. Furthermore, the harsh reaction conditions often result in poor selectivity in the polymer degradation process, producing complex mixtures of products that are discarded. They are also likely to alter the surface of the CFs, which would affect the fiber-resin interaction in new materials, thus significantly reducing their mechanical performance.
How to improve solvolysis? Recent advances, notably in Softmat laboratory, have demonstrated that carefully designed solvolysis processes can achieve polymer degradation under milder conditions (below 100°C), thus preserving the integrity of the carbon fibers. Nonetheless, the nature of the organic degradation products remains mostly unclear. In its current state, the research on solvolysis consists in isolated studies, each focusing on a specific type of reagent, with no systematic investigation linking the process with the quality of the recovered products. The use of high-throughput screening approach, i.e. reactions performed in parallel, using model compound, with a fast-scan result reading, coupled with statistical data analysis, could allow to connect the solvolysis process to product selectivity and quality.
How to ensure mechanical properties? Research works on solvolysis generally apply one defined solvolysis process to CFRP waste. The mechanical properties of the isolated fibers, as such or reintegrated into fresh resin, are confronted to those of virgin fibers. However, the choice of solvolysis reagents alters not only fiber's strength, but mostly the chemical composition of the fiber's surface, a key aspect to ensure the fiber-matrix interaction and mechanical properties of the CFRP. Establishing a correlation between solvolysis route and mechanical properties could help guide future research in polymer recycling. To accompany this transition, the definition of a characterization roadmap to predict the performance of the recyclate would accelerate the development of such technologies.
How to shift to more recyclable aircrafts? An attractive strategy to achieve true circularity is the development of polymer matrices that provide performance comparable to conventional epoxy-amine thermosets while being intrinsically recyclable. In this context, vitrimers represent a particularly promising class of materials. These three-dimensional polymer networks, based on dynamic covalent bonds, combine the performance of thermosets with the reprocessability and recyclability of thermoplastics, enabling controlled deconstruction on demand, as notably demonstrated in Softmat. Ultimately, an ideal circular economy for CFRPs could not only recycle existing hard-to-recycle epoxy matrices but also convert them into a new generation of recyclable-by-design CFRPs based on vitrimers, following a true upcycling approach.
1. Définir et optimiser des procédés de solvolyse sûrs et à faible impact environnemental, afin de séparer et de récupérer à la fois des fibres longues et non emmêlées ainsi que des produits chimiques bien définis.
2. Évaluer les propriétés mécaniques des fibres récupérées.
3. Établir une feuille de route de caractérisation prédictive afin de corréler la voie de recyclage aux propriétés mécaniques.
4. Réintégrer les produits recyclés comme briques élémentaires pour la synthèse de nouveaux matériaux composites vitrimères recyclables.
English version:
1. Define and optimize safe, low-environmental-impact solvolysis processes to separate and recover both long, untangled fibers and well-defined chemical products.
2. Assess the mechanical properties of the recovered fibers.
3. Establish a predictive characterization roadmap to correlate the recycling route with the resulting mechanical properties.
4. Reintegrate the recycled products as building blocks for the synthesis of new recyclable vitrimer-based composite materials. WP1 - Solvolyse des déchets aéronautiques en briques élémentaires valorisables et définies (Softmat, année 1)
(i) Synthèse de deux résines modèles basées sur les formulations commerciales les plus pertinentes.
(ii) Criblage des conditions de dépolymérisation des résines à petite échelle, suivi d'une caractérisation chimique des produits obtenus.
(iii) Transfert des conditions sur des matériaux en fin de vie issus de l'aéronautique (partenariats industriels déjà établis)
(iv) Optimisation des paramètres réactionnels à plus grande échelle, suivie d'une caractérisation chimique et structurale approfondie des produits et des fibres, ainsi que de leur isolement pour les WP2 et WP3.
WP2 - Performances mécaniques des fibres récupérées dans de nouveaux matériaux (TU Delft, année 2)
(i) Caractérisation des propriétés mécaniques des fibres de carbone (CF) recyclées issues du WP1.
(ii) Synthèse et caractérisation de CFRP à partir des fibres de carbone recyclées et d'une résine vierge.
(iii) Évaluation des propriétés des matériaux composites CFRP au moyen d'essais dynamiques et de fatigue.
(iv) Évaluation de la mécanique de la rupture et des mécanismes d'endommagement.
WP3 - Valorisation des briques élémentaires en matériaux composites recyclables (Softmat, année 3)
(i) Synthèse de vitrimères à partir des produits organiques issus du recyclage obtenus dans le WP1.
(ii) Caractérisation des vitrimères afin d'étudier leur comportement dynamique ainsi que leurs propriétés thermomécaniques.
(iii) Synthèse de composites intégrant l'ensemble des produits recyclés, à partir de la nouvelle formulation de vitrimère et des fibres recyclées obtenues dans le WP1.
(iv) Recyclage chimique des composites à base de vitrimère.
Evaluation des risques : Le projet est rendu réalisable grâce à l'expertise déjà établie et aux connaissances avancées de Softmat et de la TU Delft dans les domaines d'investigation proposés. Par ailleurs, les difficultés éventuelles à atteindre les objectifs de l'un ou l'autre des Work Packages (WP) pourront être facilement atténuées afin de poursuivre les étapes suivantes. Notamment, la récupération des fibres issues des procédés de solvolyse a déjà été démontrée au sein de Softmat. Cela garantit la possibilité de mener à bien le WP2 et d'utiliser les fibres recyclées pour la préparation de vitrimères dans le WP3.
English version:
WP1 - Solvolysis of Aerospace Waste into Recoverable and Well-Defined Building Blocks (Softmat, Year 1)
(i) Synthesis of two model resins based on the most relevant commercial formulations.
(ii) Screening of resin depolymerization conditions at small scale, followed by chemical characterization of the resulting products.
(iii) Transfer of the optimized conditions to end-of-life aerospace materials, using already established industrial partnerships.
(iv) Optimization of the reaction parameters at larger scale, followed by in-depth chemical and structural characterization of the products and fibers, as well as their isolation for use in WP2 and WP3.
WP2 - Mechanical Performance of Recovered Fibers in New Materials (TU Delft, Year 2)
(i) Characterization of the mechanical properties of the recycled carbon fibers (CF) obtained from WP1.
(ii) Synthesis and characterization of CFRPs using recycled carbon fibers and a virgin resin.
(iii) Evaluation of the properties of CFRP composite materials through dynamic and fatigue testing.
(iv) Evaluation of fracture mechanics and damage mechanisms.
WP3 - Valorization of Building Blocks into Recyclable Composite Materials (Softmat, Year 3)
(i) Synthesis of vitrimers from the organic products obtained through recycling in WP1.
(ii) Characterization of the vitrimers to investigate their dynamic behavior and thermomechanical properties.
(iii) Synthesis of composites incorporating all recycled products, using the newly developed vitrimer formulation and the recycled fibers obtained in WP1.
(iv) Chemical recycling of vitrimer-based composites.
Risk Assessment
The feasibility of the project is supported by the established expertise and advanced knowledge of Softmat and TU Delft in the proposed research areas. In addition, any potential difficulties in achieving the objectives of one or more Work Packages (WPs) can be readily mitigated to ensure the successful completion of the subsequent stages. In particular, the recovery of fibers from solvolysis processes has already been demonstrated at Softmat. This ensures the feasibility of WP2 and enables the use of the recycled fibers for the preparation of vitrimer-based composites in WP3.
Le profil recherché
Le candidat devra être titulaire d'un Master 2 en science des matériaux, avec une formation initiale en chimie et éventuellement en ingénierie des matériaux polymères. Une expérience en synthèse et caractérisation de matériaux polymères composites serait particulièrement appréciée.