Kold sintring kan redde plastik, keramik, batterikomponenter fra lossepladser
Genbrug forhindrer ikke nødvendigvis en genstand i at ende på en losseplads, ifølge Enrique Gomez, midlertidig associeret dekan for egenkapital og inklusion og professor i kemiteknik ved Penn State College of Engineering. I stedet forsinker genbrug simpelthen dets afslutning på levetiden. Plastflasker, der genbruges og derefter forvandles til for eksempel tæpper, ender til sidst på lossepladsen, når tæppet bliver slidt og smidt ud.
Men kold sintring – processen med at kombinere pulverbaserede materialer til tætte former ved lave temperaturer gennem påført tryk ved hjælp af opløsningsmidler – gør det muligt for materialer at blive genbrugt igen og igen.
"Det er ideen med kold sintring:du kan tage to eller flere materialer, der var bestemt til lossepladsen, kombinere dem og skabe en komposit og genbruge kompositten igen og igen uden tab i ydeevne," sagde Gomez.
I tre nylige artikler skitserer Gomez og hans team tre nye anvendelser til koldsintring, der fremmer genbrug inden for materialevidenskab.
I et papir udgivet i Materials Horizons , brugte forskere kold sintring til at kombinere polypropylen - en almindelig plastaffald, der er svær at genbruge på grund af problemer med behandling og sortering - med et keramisk materiale. Resultatet var en komposit, der kunne bruges til at lave strukturelle byggematerialer som gipsvæg eller udendørs dæk.
"Kold sintringsplast med keramiske materialer producerer stærke, seje kompositter, der er perfekte til brug i byggeriet," sagde Po-Hao Lai, en doktorgradsstuderende i kemiteknik og førsteforfatter på papiret. "Disse kompositmaterialer kan gennemgå flere genbrugscyklusser med kun tilsætning af vand, hvilket giver lavere energi- og vandbehov sammenlignet med konventionelle byggematerialer."
Derudover fører traditionel genbrug ofte til downcycling, hvor kvaliteten af materialet falder med hver genbrugscyklus, hvilket resulterer i tab af værdifulde egenskaber, ifølge forskere. Ved at kombinere plastaffald med keramik til kompositter adresserer metoden ikke kun begrænsningerne ved mekanisk genbrug, men overvinder også ulemperne ved keramik, såsom skørhed.
Når byggematerialerne har nået deres levetid, kan de males igen i den kolde sintringsproces og genbruges. Forskerne demonstrerede færdigheder i at genslibe og koldsintre kompositten op til 10 gange.
"Hvis du laver dit dæk om ved hjælp af disse materialer og derefter beslutter dig for at ændre dets design, kan du simpelthen genvinde det, slibe og koldsintre det og lave det om til noget andet, som en veranda eller en bænk," sagde Bryan Vogt , professor i kemiteknik og co-korresponderende forfatter på Materials Horizons papiret.
I en undersøgelse offentliggjort i ChemSusChem , anvendte forskere kold sintring på de faste og flydende elektrolytkomponenter i solid state-batterier. Solid-state lithium-batterier er energitætte, sikre, ikke-brændbare og kan bruges i elektriske køretøjer, bærbare enheder eller bærbare batterier.
"Defekter i batterier, såsom hulrum og revner forårsaget af mekanisk belastning af faststofelektrolytterne i batterier, kan blokere lithium-ion transportveje og føre batteriet til kortslutning," sagde Yi-Chen Lan, doktorand i kemiteknik. og første forfatter på papiret.
"For at genbruge elektrolytter, der har gennemgået mekanisk nedbrydning, bruger vi koldsintring til at fortætte mikrostrukturerne og genbehandle sammensatte elektrolytter ved at blande keramik med polymerer og lithiumsalte."
Idéen til koldsintring af de flydende elektrolytter, der er nødvendige i solid state-batterier, opstod i 2018, da en postdoktor i Gomez-gruppen ved et uheld brød en prøve af flydende elektrolyt under et eksperiment.
"Han besluttede at oparbejde elektrolytprøven gennem kold sintring, og vi fandt ud af, at det fungerede lige så godt efter at være blevet oparbejdet," sagde Gomez. "Vi var ikke klar over på det tidspunkt, at dette var et koncept, vi kunne udnytte, og det var fødslen af dette papir."
Oparbejdning og genbrug af de elektrolytter, der bruges i disse batterier, fører til lavere energiforbrug og en mindre miljøpåvirkning over tid, hvilket igen fremmer levedygtigheden og bæredygtigheden af alle solid-state batterityper, ifølge Lan.
I et papir offentliggjort i MRS Communications , koldsintrede forskere en komposit, der går ind i kondensatorer, som er vigtige komponenter i elektriske køretøjer. I eksperimenterne kombinerede de det keramiske bariumtitanat med teflon eller polytetrafluorethylen.
"Vores arbejde i MRS Communications demonstrerer potentialet for genanvendelse af materialer, der vil være afgørende for elektrificeringen af transport, og derfor reduktionen af drivhusgasser," sagde Hongtao Sun, assisterende professor i industri- og produktionsteknik og medkorresponderende forfatter på papiret.
Kold sintring blev udviklet i 2016 af et team af forskere ledet af Clive Randall, direktør for Penn State's Materials Research Institute og fremtrædende professor i materialevidenskab og teknik.
"Vi ser nu mange andre forskergrupper tage den kolde sintringsproces i brug over hele verden på universiteter, nationale laboratorier og endda inden for industrien," sagde Randall.
"Jeg er blevet forbløffet over mangfoldigheden af applikationer, der dukker op, men forskningen i Gomez Group etablerer en vej til en cirkulær økonomi, en ekstremt vigtig strategi, der er nødvendig for en bæredygtig fremtid."
Flere oplysninger: Po-Hao Lai et al., Opcykling af plastikaffald til fuldt genanvendelige kompositter gennem koldsintring, Materials Horizons (2024). DOI:10.1039/D3MH01976D
Yi-Chen Lan et al., Cold Sintering muliggør oparbejdning af LLZO-baserede kompositter, ChemSusChem (2024). DOI:10.1002/cssc.202301920
Juchen Zhang et al., polymer-assisteret kold sintring og genanvendelse af keramiske kompositter i nanostørrelse, MRS Communications (2024). DOI:10.1557/s43579-024-00524-9
Journaloplysninger: Material Horizons
Leveret af Pennsylvania State University
Varme artikler
-
Et skridt tættere på at forstå eksplosiv følsomhed med molekyledesignDaniel Preston (til venstre), Virginia Manner (i midten) og Geoff Brown udarbejder en slagvægtstest på et eksplosivt PETN-derivat. Kredit:Los Alamos National Laboratory Sprængstoffer har et iboend -
En ny Raman kemisk sensor lavet af nudellignende tråde af guldSERS, eller overfladeforstærket Raman-spektroskopi, er en metode til at detektere tilstedeværelsen af et kemikalie indirekte ved at bruge laserlys og en specialiseret sensor. Guldnettet giver en ide -
Den nye komposit forhindrer funktionsfejl i elektroniske enhederKredit:pixabay.com Forskere fra South Ural State University, i samarbejde med kolleger fra Hviderusland, Indien og Kina, har skabt et kompositmateriale til nanoelektronik. Materialet kan bruges so -
Afskærmning af iltproduktion for at holde brint på vejDen porøse belægning øger holdbarheden af oxygendannende katalysatorer, som industrien ivrigt efterspørger. Kredit:KAUST En porøs ceriumbaseret belægning øger holdbarheden af oxygendannende ka
- Eksotisk blanding i Kinas levering af månesten
- Sådan rengøres biafeber
- Hvad er forholdet mellem genetisk teknik og DNA teknologi?
- Passiv rewilding kan hurtigt udvide britisk skov uden omkostninger
- Forskere opdager sårbarheder, der påvirker milliarder af computerchips
- Trump tager sigte på bilproducenter, der ignorerede hans forslag til emissioner