Genbrugsforskning finder ny proces til at omdanne glasfiberforstærket plast til siliciumcarbid

Glasfiberforstærket plast (GFRP), et stærkt og holdbart kompositmateriale, er meget brugt i alt fra flydele til vindmøllevinger. Alligevel gør netop de egenskaber, der gør det robust nok til at blive brugt i så mange forskellige applikationer, det vanskeligt at bortskaffe det – derfor bliver det meste af GFRP-affald begravet på en losseplads, når det når sin levetid.

Ifølge en undersøgelse offentliggjort i Nature Sustainability , Rice Universitys forskere og samarbejdspartnere har udviklet en ny, energieffektiv upcycling-metode til at omdanne glasfiberforstærket plast (GFRP) til siliciumcarbid, der er meget udbredt i halvledere, sandpapir og andre produkter.

"GFRP bruges til at lave meget store ting, og for det meste ender vi med at begrave vingestrukturerne på fly eller vindmøllevinger fra en vindmølle på en losseplads," sagde James Tour, T.T. og W.F. Chao Professor og professor i kemi og i materialevidenskab og nanoteknik. "At bortskaffe GFRP på denne måde er bare uholdbart. Og indtil nu har der ikke været nogen god måde at genbruge det på."

Med øget pres fra tilsynsmyndigheder for at revidere og forbedre genbrugspraksis for udtjente køretøjer, er der et stort behov for bedre metoder til at håndtere GFRP-affald.

Mens nogle har forsøgt at udvikle tilgange ved hjælp af forbrænding eller solvolyse for at slippe af med GFRP, sagde Yi Cheng, en postdoktoral forskningsmedarbejder og Rice Academy Junior Fellow, som arbejder i Tour-laboratoriet, at sådanne processer er mindre end ideelle, fordi de er ressourcekrævende og resultere i miljøforurening.

"Dette materiale har plastik på overfladen af ​​glasfiber, og forbrænding af plastikken kan generere en masse giftige gasser," sagde Cheng. "At forsøge at opløse GFRP er også problematisk, da det kan generere en masse syre- eller baseaffald fra opløsningsmidlerne. Vi ønskede at finde en mere miljøvenlig måde at håndtere dette materiale på."

Tours laboratorium har allerede skabt overskrifter for at udvikle nye affaldsbortskaffelses- og genbrugsapplikationer ved hjælp af flash Joule-opvarmning, en teknik, der passerer en strøm gennem et moderat modstandsdygtigt materiale for hurtigt at opvarme det til usædvanligt høje temperaturer og omdanne det til andre stoffer.

Tour sagde, at da han hørte om problemerne med bortskaffelse af GFRP fra kolleger ved Defense Advanced Research Projects Agency, troede han, at denne form for turboopvarmning kunne omdanne GFRP til siliciumcarbid, der er meget brugt i halvledere og sandpapir.

"Vi vidste allerede, at hvis vi opvarmer blandingen af ​​metalchlorid og kulstof ved flash-joule-opvarmning, kunne vi få metalcarbid ⎯ og i en demonstration lavede vi siliciumcarbid," sagde Tour. "Så vi var i stand til at udnytte det arbejde til at komme med en proces til at omdanne GFRP til siliciumcarbid."

Denne nye proces maler GFRP til en blanding af plast og kulstof og involverer tilsætning af mere kulstof, når det er nødvendigt, for at gøre blandingen ledende. Forskerne påfører den derefter højspænding ved hjælp af to elektroder, hvilket bringer dens temperatur op på 1.600–2.900 grader Celsius (2.912–5.252 Fahrenheit).

"Den høje temperatur letter omdannelsen af ​​plastik og kulstof til siliciumcarbid," forklarede Tour. "Vi kan lave to forskellige slags siliciumcarbid, som kan bruges til forskellige applikationer. Faktisk viser en af ​​disse typer siliciumcarbid overlegen kapacitet og ydeevne som batterianodemateriale."

Mens denne indledende undersøgelse var en proof-of-concept-test på en bænkskala i laboratoriet, arbejder Tour og kolleger allerede med eksterne virksomheder for at opskalere processen til bredere brug. Driftsomkostningerne til upcycle GFRP er mindre end 0,05 USD pr. kilogram, meget billigere end forbrænding eller solvolyse – og mere miljøvenligt.

Det vil tage tid - og noget god teknik - at opskalere denne nye flash upcycling-metode på passende vis, sagde Tour. Han sagde, at han er begejstret over, at hans laboratorium var i stand til at udvikle en bæredygtig måde at omdanne GFRP-affald til en siliciumcarbidskat.

"Denne GFRP er et affaldsprodukt, der normalt ender på en losseplads, og nu kan du gøre det til et brugbart produkt, der kan hjælpe menneskeheden," sagde han. "Det er præcis den slags tilgang, vi har brug for for at understøtte en cirkulær økonomi. Vi skal finde måder at tage affaldsprodukter fra en lang række forskellige applikationer og omdanne dem til nye produkter."

Flere oplysninger: Yi Cheng et al., Flash upcycling af affaldsglasfiberforstærket plast til siliciumcarbid, Nature Sustainability (2024). DOI:10.1038/s41893-024-01287-w

Leveret af Rice University