Ny proces tillader fuld genvinding af udgangsmaterialer fra seje polymerkompositter

Som en sejr for kemien har opfindere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory designet en lukket kredsløbsbane til at syntetisere en usædvanligt sej kulfiberforstærket polymer eller CFRP og senere genvinde alle dens udgangsmaterialer.

Et let, stærkt og sejt kompositmateriale, CFRP er nyttigt til at reducere vægten og øge brændstofeffektiviteten i biler, fly og rumfartøjer. Konventionelle CFRP'er er dog svære at genbruge. De fleste har været engangsmaterialer, så deres CO2-fodaftryk er betydeligt. I modsætning hertil er ORNL's closed-loop teknologi, som er offentliggjort i Cell Reports Physical Science , accelererer tacklingen af ​​den store udfordring.

"Vi inkorporerede dynamisk tværbinding i en råvarepolymer for at funktionalisere den. Derefter tilføjede vi et tværbinder for at gøre det som termohærdende materialer," sagde ORNL kemiker og opfinder Md Anisur Rahman. "Dynamisk tværbinding giver os mulighed for at bryde kemiske bindinger og genbehandle eller genbruge kulfiberkompositmaterialerne."

Et konventionelt termohærdende materiale er permanent tværbundet. Når først det er syntetiseret, hærdet, støbt og sat i en form, kan det ikke genbehandles. ORNL's system tilføjer på den anden side dynamiske kemiske grupper til polymermatrixen og dens indlejrede kulfibre. Polymermatrixen og kulfibrene kan gennemgå flere oparbejdningscyklusser uden tab af mekaniske egenskaber, såsom styrke og sejhed.

Rahman ledede undersøgelsen med ORNL-kemikeren Tomonori Saito, som blev hædret af Battelle i 2023 som Årets ORNL-opfinder. Rahman og ORNL postdoc-stipendiat Menisha Karunarathna Koralalage udførte de fleste af eksperimenterne. Trioen har søgt patent på innovationen.

"Vi opfandt en sej og genanvendelig kulfiberkomposit," sagde Saito. "Fiberen og polymeren har en meget stærk grænsefladeadhæsion på grund af tilstedeværelsen af ​​dynamiske bindinger." Grænsefladen låser materialer sammen gennem kovalente interaktioner og låser dem op efter behov ved hjælp af varme eller kemi. Saito tilføjede:"Den funktionaliserede fiber har dynamisk udskiftelig tværbinding med denne polymer. Kompositstrukturen er virkelig hård på grund af grænsefladeegenskaberne. Det giver et meget, meget stærkt materiale."

Konventionelle polymerer som termohærdende epoxyer bruges typisk til permanent at binde materialer såsom metal, kulstof, beton, glas, keramik og plast til dannelse af flerkomponentmaterialer såsom kompositter. I ORNL-materialet kan polymeren, kulfibrene og tværbindingsmidlet, når de først er termohærdet, reinkarneres tilbage til disse udgangsmaterialer. Materialets komponenter kan frigives til genbrug, når en speciel alkohol kaldet pinacol erstatter tværbinderens kovalente bindinger.

Genbrug i lukket kredsløb i laboratorieskala resulterer i intet tab af udgangsmaterialer. "Når vi genbruger kompositterne, genvinder vi 100 % af udgangsmaterialerne - tværbinderen, polymeren, fiberen," sagde Rahman.

"Det er vigtigheden af ​​vores arbejde," sagde Saito. "Andre kompositgenbrugsteknologier har en tendens til at miste komponentens udgangsmaterialer under genbrugsprocessen."

Andre fordele ved de reversibelt tværbundne CFRP'er er hurtig termohærdning, selvklæbende adfærd og reparation af mikrorevner i kompositmatrixen.

I fremtiden kan genanvendelse af CFRP'er i lukket kredsløb ændre produktionen med lavt kulstofindhold, efterhånden som cirkulære letvægtsmaterialer bliver inkorporeret i ren energiteknologi.

Forskerne hentede inspiration fra naturen, som bruger dynamiske grænseflader til at skabe robuste materialer. Nacre, den iriserende perlemor inde i skallerne af havmuslinger og andre bløddyr, er usædvanligt sej:Den kan deformeres uden at gå i stykker. Desuden klæber havmuslinger stærkt til overflader, men spreder energi for at frigive, når det er nødvendigt.

Forskerne havde til formål at optimere grænsefladekemien mellem kulfibrene og polymermatrixen for at øge grænsefladeadhæsionen og forbedre CFRP-sejheden. "Vores kompositstyrke er næsten to gange højere end en konventionel epoxykomposit," sagde Rahman. "Andre mekaniske egenskaber er også meget gode."

Trækstyrken eller den spænding et materiale kan tåle, når det trækkes, var den højeste nogensinde rapporteret blandt lignende fiberforstærkede kompositmaterialer. Det var 731 megapascal – stærkere end rustfrit stål og stærkere end en konventionel epoxybaseret CFRP-komposit til biler.

I ORNL-materialet havde den dynamiske kovalente binding mellem fibergrænsefladen og polymeren 43 % større grænsefladeadhæsion end polymerer uden dynamiske bindinger.

De dynamiske kovalente bindinger muliggør genbrug i lukket kredsløb. I et konventionelt matrixmateriale er kulfibrene vanskelige at adskille fra polymeren. ORNLs kemiske metode, som klipper fibre på de funktionelle steder, gør det muligt at adskille fibre fra polymeren til genbrug.

Karunarathna Koralalage, Rahman og Saito modificerede en råvarepolymer, kaldet S-Bpin, med assistance fra Natasha Ghezawi, en kandidatstuderende ved Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education ved University of Tennessee, Knoxville. De skabte upcycled styren-ethylen-butylen-styren-copolymer, som inkorporerer boroniske estergrupper, der binder kovalent med en tværbinder og fibre for at generere den seje CFRP.

Fordi CFRP er et komplekst materiale, krævede dets detaljerede karakterisering forskellig ekspertise og instrumentering. ORNL's Chris Bowland testede trækegenskaber. Med Raman-kortlægning viste ORNLs Guang Yang fordelingen af ​​kemiske og strukturelle arter. Catalin Gainaru og Sungjin Kim, begge fra ORNL, fangede rheologiske data, og Alexei Sokolov, en UT-ORNL-guvernørstol, belyste det.

Scanningelektronmikroskopi af Bingrui Li, fra ORNL og UT, afslørede, at kulfiber bevarede sin kvalitet efter genbrug. Vivek Chawla og Dayakar Penumadu, begge fra UT, analyserede interlaminar forskydningsstyrke. Med røntgenfotoelektronspektroskopi bekræftede ORNL's Harry Meyer III, hvilke molekyler der er knyttet til fiberoverflader. ORNLs Amit Naskar, en kendt ekspert i kulfiber, anmeldte papiret.

Forskerne fandt ud af, at graden af ​​dynamisk tværbinding er vigtig. "Vi fandt ud af, at 5% tværbinding virker bedre end 50%," sagde Rahman. "Hvis vi øger mængden af ​​tværbinder, begynder det at gøre polymeren skør. Det er fordi vores tværbinder har tre håndlignende, omfangsrige strukturer, der er i stand til at lave flere forbindelser og mindske polymerens fleksibilitet."

Dernæst vil forskerholdet gerne udføre lignende undersøgelser med glasfiberkompositter, som opretholder høj ydeevne og samtidig sænker omkostningerne og CO2-fodaftrykket for applikationer inden for rumfart, bilindustrien, marine, sport, byggeri og teknik. De håber også at reducere omkostningerne ved den nye teknologi for at optimere kommercielle udsigter for en fremtidig licenstager.

"Dette trin vil åbne flere applikationer, især for vindmøller, elektriske køretøjer, rumfartsmaterialer og endda sportsartikler," sagde Rahman.

Flere oplysninger: Md Anisur Rahman et al., Hårde og genanvendelige kulfiberkompositter med enestående grænsefladeadhæsion via en skræddersyet vitrimer-fiber-grænseflade, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101695

Leveret af Oak Ridge National Laboratory