_ Noul proces permite recuperarea materiilor prime din compozite polimerice dure

Într-o victorie pentru chimie, inventatorii de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie au proiectat o cale în buclă închisă pentru sintetizarea unui polimer armat cu fibră de carbon excepțional de dur, sau CFRP și, ulterior, recuperând toate materialele sale inițiale.

Un material compozit ușor, puternic și dur, CFRP este util pentru reducerea greutății și creșterea eficienței combustibilului pentru automobile, avioane și nave spațiale. Cu toate acestea, CFRP-urile convenționale sunt greu de reciclat. Cele mai multe au fost materiale de unică folosință, astfel încât amprenta lor de carbon este semnificativă. Prin contrast, tehnologia în buclă închisă a ORNL, care este publicată în Cell Reports Physical Science, accelerează abordarea acestei mari provocări.

„Am încorporat reticulare dinamică într-un polimer de bază pentru a-l funcționa. Apoi, am adăugat un agent de reticulare. pentru a-l face ca materialele termorigide”, a spus chimistul și inventatorul ORNL, Dr. Anisur Rahman. „Reticularea dinamică ne permite să rupem legăturile chimice și să reprocesăm sau să reciclăm materialele compozite din fibră de carbon.”

Un material termorigid convențional este reticulat permanent. Odată sintetizat, întărit, modelat și așezat într-o formă, acesta nu poate fi reprocesat. Sistemul ORNL, pe de altă parte, adaugă grupări chimice dinamice matricei polimerice și fibrelor sale de carbon încorporate. Matricea polimerică și fibrele de carbon pot suferi mai multe cicluri de reprocesare fără pierderea proprietăților mecanice, cum ar fi rezistența și tenacitatea.

Rahman a condus studiul împreună cu chimistul ORNL Tomonori Saito, care a fost onorat de Battelle în 2023 ca inventator ORNL. al anului. Rahman și colegul postdoctoral ORNL Menisha Karunarathna Koralalage au condus majoritatea experimentelor. Trio-ul a solicitat un brevet pentru inovație.

„Am inventat un compozit dur și reciclabil din fibră de carbon”, a spus Saito. „Fibra și polimerul au o aderență interfacială foarte puternică datorită prezenței legăturilor dinamice”. Interfața blochează materialele împreună prin interacțiuni covalente și le deblochează la cerere folosind căldură sau chimie. Saito a adăugat: „Fibra funcționalizată are reticulare dinamică interschimbabilă cu acest polimer. Structura compozită este cu adevărat dură din cauza caracteristicilor interfeței. Acest lucru face un material foarte, foarte puternic.”

Polimerii convenționali, cum ar fi epoxicii termostabili, sunt folosit de obicei pentru a lega permanent materiale precum metal, carbon, beton, sticlă, ceramică și plastic pentru a forma materiale multicomponente, cum ar fi compozitele. Cu toate acestea, în materialul ORNL, polimerul, fibrele de carbon și agentul de reticulare, odată termostabiliți, pot fi reîncarnați înapoi în acele materiale inițiale. Componentele materialului pot fi eliberate pentru reciclare atunci când un alcool special numit pinacol înlocuiește legăturile covalente ale agentului de reticulare.

Reciclarea în buclă închisă la scară de laborator nu duce la pierderea materiilor prime. „Când reciclăm compozitele, recuperăm 100% din materialele inițiale – reticulantul, polimerul, fibra”, a spus Rahman.

„Aceasta este importanța muncii noastre”, a spus Saito. „Alte tehnologii de reciclare a compozitelor tind să piardă materialele de pornire ale componentelor în timpul procesului de reciclare.”

Alte avantaje ale CFRP-urilor reticulate reversibil sunt termostabilirea rapidă, comportamentul autoadeziv și repararea microfisurilor în matricea compozită.

În viitor, reciclarea în buclă închisă a CFRP poate transforma producția cu emisii scăzute de carbon, pe măsură ce materialele circulare ușoare devin încorporate în tehnologiile de energie curată.

Cercetătorii s-au inspirat din natură, care folosește interfețe dinamice pentru a crea materiale robuste. Nacru, sideful irizat din interiorul cochiliilor scoicilor marine și altor moluște, este excepțional de dur: se poate deforma fără a se rupe. Mai mult decât atât, midiile marine aderă puternic la suprafețe, dar disipă energie pentru a se elibera atunci când este necesar.

Cercetătorii și-au propus să optimizeze chimia interfațală dintre fibrele de carbon și matricea polimerică pentru a crește aderența interfațală și a spori duritatea CFRP. „Rezistența compozitului nostru este de aproape două ori mai mare decât a unui compozit epoxidic convențional”, a spus Rahman. „Alte proprietăți mecanice sunt, de asemenea, foarte bune.”

Rezistența la tracțiune sau efortul pe care un material îl poate suporta atunci când este tras, a fost cea mai mare raportată vreodată în rândul materialelor compozite similare armate cu fibre. Era de 731 de megapascali – mai puternic decât oțelul inoxidabil și mai puternic decât un compozit CFRP convențional pe bază de epoxi pentru automobile.

În materialul ORNL, legătura covalentă dinamică dintre interfața fibrei și polimer avea o interfață cu 43% mai mare. aderență decât polimerii fără legături dinamice.

Legăturile covalente dinamice permit reciclarea în buclă închisă. Într-un material de matrice convențional, fibrele de carbon sunt greu de separat de polimer. Metoda chimică a ORNL, care clipește fibrele la locurile funcționale, face posibilă separarea fibrelor de polimer pentru reutilizare.

Karunarathna Koralalage, Rahman și Saito au modificat un polimer de bază, numit S-Bpin, cu asistență de la Natasha Ghezawi, studentă absolventă la Centrul Bredesen pentru Cercetare Interdisciplinară și Educație Absolventă al Universității din Tennessee, Knoxville. Ei au creat copolimer stiren etilenă butilenă stiren upciclat, care încorporează grupări ester boronic care se leagă covalent cu un agent de reticulare și fibre pentru a genera CFRP dur.

Deoarece CFRP este un material complex, caracterizarea sa detaliată a necesitat expertiză și instrumente diverse. . Chris Bowland de la ORNL a testat proprietățile de tracțiune. Cu cartografierea Raman, Guang Yang de la ORNL a arătat distribuția speciilor chimice și structurale. Catalin Gainaru și Sungjin Kim, ambii din ORNL, au capturat date reologice, iar Alexei Sokolov, un președinte al guvernatorului UT-ORNL, le-a elucidat.

Microscopia electronică cu scanare realizată de Bingrui Li, de la ORNL și UT, a dezvăluit că carbonul fibra și-a menținut calitatea după reciclare. Vivek Chawla și Dayakar Penumadu, ambii din UT, au analizat rezistența la forfecare interlaminară. Cu spectroscopie de fotoelectroni cu raze X, Harry Meyer III de la ORNL a confirmat ce molecule s-au atașat la suprafețele fibrelor. Amit Naskar de la ORNL, un expert renumit în fibra de carbon, a revizuit lucrarea.

Oamenii de știință au descoperit că gradul de reticulare dinamică este important. „Am descoperit că 5% reticulare funcționează mai bine decât 50%”, a spus Rahman. „Dacă creștem cantitatea de reticulant, acesta începe să facă polimerul fragil. Asta pentru că reticulantul nostru are trei structuri voluminoase asemănătoare mâinilor, capabile să facă mai multe conexiuni și să scadă flexibilitatea polimerului.”

În continuare, cercetarea. Echipa ar dori să efectueze studii similare cu compozite din fibră de sticlă, care mențin performanța ridicată, reducând în același timp costul și amprenta de carbon a aplicațiilor în industria aerospațială, auto, naval, sport, construcții și inginerie. De asemenea, ei speră să reducă costurile noii tehnologii pentru a optimiza perspectivele comerciale pentru un viitor licențiat.

„Acest pas va deschide mai multe aplicații, în special pentru turbine eoliene, vehicule electrice, materiale aerospațiale și chiar articole sportive.” spuse Rahman.

(Fluierul)