Recycling methods for glass fibre-reinforced plastic polymers : Glass fibre composites in a circular economy?

Abstract

The reinforced composite industry is expanding. This raises the need for more sustainable resource use and waste management. A concept to combat both is circularity, creating a loop between the raw resources and the waste. Two important parts of circularity are recycling and reusing. This thesis presents literature studies on recycling, reuse and end-of-life methods for glass fibre-reinforced plastic composites, specifically with a thermoplastic matrix. The focus lies on preserving the reinforcement properties and either recovering the plastic matrix or its energy. Several viable methods were found, divided into thermal, chemical, mechanical, and other. The majority of the processes for thermoplastics can preserve the reinforcement properties while re-melting the polymer and reusing it. The main problem still is the novelty of the techniques and how to introduce them efficiently to the current composite supply chain. There is also a wider range of recycling techniques for post-industrial waste, posing the concern for post-consumer waste. Routes that can treat contaminated materials while still recovering their reinforcement properties are a subject for future research. There are also gaps in how to make it economically feasible and compete with inexpensive virgin materials. Despite the obstacles ahead, this thesis concludes that there are several potential routes on its way to becoming commercialised and this research field has just started uncovering knowledge to make the life of composites more circular.

Popular Abstract (Swedish)

Är det inte dags att börja återvinna glasfiberplast? Ett växande miljöproblem är glasfiberkompositavfall. Idag existerar ingen tydlig återvinningsmetod utan istället läggs avfallet på hög eller förbränns. En cirkulär process som återvinner avfallet och introducerar det tillbaka in i tillverkningen kan gynna industrin både ekonomiskt och ur ett miljöperspektiv. Vad är dagens tekniska utmaningar och hinder som står i vägen för cirkulära kompositer?

Dagens linjära levnadssätt, där produkter tillverkas, används och slängs, är inte längre hållbart och har aldrig varit det. Det måste förändras. Det måste bli cirkulärt. Cirkulär ekonomi är ett ord som ökat i popularitet i dagens samhälle de senaste åren. Cirkuläritet står för effektivare användning av planetens resurser där avfall återanvänds och introduceras tillbaka in i produktionskedjan. Om produkter från början designas utifrån ett cirkulärt perspektiv, kan både resursåtgång, utsläpp och avfall från materialindustrin minska. Cirkuläritet prioriterar material med lång livslängd och möjligheten att återvinna, utan att förlora produktens funktion. Ett exempel på en produkt med hög hållfasthet och lång livslängd idag är glasfiberförstärkta plastkompositer (GFPK). Kompositindustrin omsätter idag 1007 miljarder kronor och förväntas öka med 12% till 2027. En komposit är ett material bestående av två kemiskt olika material, designat för att utnyttja varandras styrkor och därmed skapa ett helt nytt material med andra egenskaper. GFPK består av fibrer av tunt glas inneslutet i ett plasthölje. Glasfibrer används för deras hållfasthet och kan absorbera tunga vikter utan att brista. Eftersom kompositen består av glas och plast är det ett rostfritt alternativ med låg vikt. De vanligaste användningsområdena för GFPK är i byggkonstruktion och bilindustrin samt i frätande miljöer och rymdfarkoster. En extra kategori är kommersiella produkter, hos företag som till exempel IKEA. Tillsammans med IKEA skapades målet med det här examensarbetet: Identifiera på vilka sätt GFPK kan återvinnas. Som tidigare nämnts är GFPK redan designade för att ha en lång livslängd. Men i en cirkulär ekonomi måste GFPK också vara återvinningsbara eller kunna återföras till sin ursprungliga form.

På grund av materialets kombination av två fysiskt olika material och dess hållfasta natur, har det visat sig komplicerat att skapa en hållbar återvinningsprocess. Det här arbetet hade därför som mål att genom litteraturstudier undersöka och redogöra för vilka återvinningsmetoder som finns idag och hur de påverkar materialets funktion. Metoderna som undersöktes kan delas upp i fyra kategorier; termisk, kemisk, mekanisk och övrig återvinning. Trots den allmänna uppfattningen att kompositer är svåra att återvinna, observerades flera exempel på återvinning. Slutsatserna baserades sedan på hur användbara och effektiva metoderna har potential att vara om de skulle kommersialiseras. Termisk återvinning av GFPK innebär metoder som använder bland annat höga temperaturer för att förbränna materialet. Metoderna kan återvinna både energi och fibrer, även om avfallet var kontaminerat. En nackdel var dock att fibrernas mekaniska egenskaper försämrades av de höga temperaturer som användes. Ett intressant exempel på kemisk återvinning kunde återvinna både plasthölje och fibrer. Den kemiska reaktionen som användes hade förmågan att föra tillbaka plasthöljet till sina enklare beståndsdelar, vilket öppnar upp en möjlighet för plasten att återanvändas i en helt annan typ av produktionskedja. Mekanisk återvinning innebär istället att kompositen på olika sätt malas sönder och blir till små fragment av plast och fibrer. Fragmenten kan sedan återanvändas som utfyllnad i material som behöver förstärkning, men förlorar en andel av sin ursprungliga hållfasthet. Det här återvunna materialet kan vara lovande för industrier med något lägre hållfasthetskrav, som till exempel textilindustrin.

Fler lovande återvinningstekniker upptäcktes för plaster som kategoriseras som termoplaster. Detta innebär att de kan smältas ner och formas om, till skillnad från härdplaster som när de väl antagit en form och svalnat, inte kan smältas igen. Idag består kompositmarknaden av både härdplaster och termoplaster, där majoriteten är den förstnämnda. Men tack vare termoplasternas återsmältningsförmåga blir de alltmer populära. Flera metoder visade lovande resultat för GFPK av termoplaster där avfall och produktionsrester återvanns genom extra steg av smältning och omformning av kompositen. Fibrernas mekaniska egenskaper var i stort sett oförändrade och kunde användas för samma syfte även efter återvinning. En utmaning för dessa metoder är att inkludera kontaminerade rester eller komsumentavfall i återvinningsprocessen. Färgning, utfyllnad och tillsatser är delar av materialet man helst inte vill ha med i en återvinningsprocess. Det är också svårt att konkurrera med den billiga tillverkningen och det låga pris som dominerar dagens glasfiberplast. Trots detta är det lika viktigt att inte avfärda kompositernas cirkulära livslängd, utan istället dedikera mer forskning för att lösa problemet i en marknad som bara växer. Nya metoder som efterbehandling av fibrerna för att återfå deras mekaniska egenskaper efter återvinning möjliggör ett nytt sätt att se på produkttillverkning. Om processerna utformas för cirkularitet från början blir övergången mycket lättare att kommersialisera. Forskningen för cirkulära kompositer har bara börjat, frågorna kring återvinning kvarstår. Låt oss göra mer och se GFPK bli cirkulära i framtiden.

• author: Karlsson, Hanna
• supervisor: Kimberly Dick Thelander
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM10 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: Composites, Glass, Fibre, Reinforced, Recycling, Circular economy, Circularity, Reinforcement, Plastic, Polymer, End-of-life, Reuse, Waste, Materials Chemistry
• publication/series: LUP Student Papers
• language: English
• id: 9084555
• date added to LUP: 2022-06-17 13:25:42
• date last changed: 2022-06-17 13:25:42