Improving sustainability of composite materials with a Life Cycle approach: advances in design, materials, production processes, and End of Life

The main research objective of this thesis is to investigate solutions to reduce the environmental impacts of polymeric matrix composites. This class of materials is an ideal solution when high performances and low weight are required; however, their high environmental impacts represent a significant drawback that must be addressed in order to promote their sustainable use. To this purpose, the work focuses on examining different aspects of the life cycle of polymeric matrix composites and proposes and analyses solutions to improve their environmental sustainability. Targeted studies, each focusing on different aspects of the composites life cycle, were carried out. Upgrades are proposed for different life cycle phases of composite parts and Life Cycle Assessment (LCA) analyses are carried out to quantify their environmental impacts. The effectiveness of all the proposed solutions in terms of impacts reduction is quantified, analysed and compared with traditional alternatives. The central question is broken down into specific goals focused on aspects of the composites life cycle. Specifically, the focus of the study is on: 1) design choices; 2) materials selection; 3) production process and process parameters optimization; and 4) recycling process and reuse of waste materials. Specific case studies were selected based on their industrial and scientific relevance and their importance in addressing the research question. Key aspects and recent innovations in the composite sector were investigated, focusing on materials (i.e. considering bio based materials vs synthetic materials), production processes (including automated filament winding and 3D printing technologies) and recycling strategies (presenting a zero-waste approach for carbon fiber prepreg). The study helps to understand how changes in specific aspects of the life cycle can influence the overall sustainability of products and how different phase of the life cycle are correlated and interact. Hence, the most effective intervention areas are identified, recognizing critical life cycle phase and assess improvement potential. This defines a sustainable approach to the design, production, and use of composite materials, provides guidelines for this purpose and identifies innovations across different products and processes that can significantly reduce composites impact.

L'obiettivo di questa tesi è investigare soluzioni per ridurre l'impatto ambientale dei compositi a matrice polimerica. Questa classe di materiali rappresenta una soluzione ideale quando sono richieste elevate prestazioni e basso peso; tuttavia, il loro significativo impatto ambientale costituisce un'importante criticità che deve essere affrontata per promuoverne un utilizzo sostenibile. A tal fine, questo lavoro si concentra sull'analisi di diversi aspetti del ciclo di vita dei compositi e propone strategie per migliorarne la sostenibilità. Sono stati condotti studi mirati, ciascuno dedicato a una specifica fase del ciclo di vita. Sono state esplorate diverse soluzioni per il miglioramento dei componenti in composito durante le diverse fasi del ciclo di vita e sono state effettuate analisi di Life Cycle Assessment (LCA) per quantificarne l'impatto ambientale. L'efficacia delle soluzioni proposte in termini di riduzione dell'impatto è stata valutata e confrontata con le alternative convenzionali. L’idea centrale è stata suddivisa in obiettivi specifici, ciascuno relativo a un diverso aspetto del ciclo di vita dei compositi: (1) Design, (2) selezione dei materiali, (3) ottimizzazione dei processi produttivi e dei parametri di processo e (4) riciclo e riutilizzo dei materiali di scarto. Per fare questo, sono stati selezionati casi studio specifici in base alla loro rilevanza industriale e scientifica. Sono stati analizzati aspetti chiave e recenti innovazioni nel settore dei compositi, tra cui l’uso di materiali bio-based rispetto a quelli sintetici, processi produttivi avanzati come il filament winding e le tecnologie di stampa 3D, oltre a strategie di riciclo innovative, tra cui un approccio zero-waste per i preimpregnati in fibra di carbonio. Lo studio fornisce approfondimenti su come le modifiche a specifiche fasi del ciclo di vita influenzino la sostenibilità complessiva dei prodotti e su come le diverse fasi siano interconnesse. Le aree di intervento più efficaci sono state individuate attraverso l'identificazione delle fasi critiche del ciclo di vita e la valutazione del loro potenziale di miglioramento. Questo lavoro contribuisce a definire un approccio sostenibile alla progettazione, produzione e utilizzo dei materiali compositi, offrendo linee guida e identificando innovazioni che possono ridurre significativamente l’impatto ambientale nel settore dei materiali compositi.