Forskarstuderande Yufeng Quan och Ruiqing Shen använder en dubbelskruvextruder i bänkskala för hållbar och effektiv tillverkning av metallorganiska ramverksbaserade polymernanokompositer. Kredit:Dr. Qingsheng Wang
Dr. Qingsheng Wang, docent och George Armistead '23 fakultetsstipendiat vid Artie McFerrin Department of Chemical Engineering vid Texas A&M University, och hans team av forskare har ägnat över tre år åt att hitta mer effektiva sätt att tillverka metall-organiska ramverk (MOF) -baserade kompositer för industriella tillämpningar såsom flamskyddsmedel.
MOF är en klass av kristallina material med permanent porositet och breda tillämpningar, inklusive gasrening, gasseparation, vattensanering, katalys och läkemedelsleverans. Processförbättringar krävs dock för att producera MOF med högre kapacitet inom industrin när användningen och tillämpningarna av MOF-baserade kompositer ökar.
"Att producera MOFs kräver en djup förståelse för processteknik och stringenta villkor, och även med det kan bara en liten mängd produceras åt gången", sa Wang. "Många förändringar behövs för att förbättra processen om vi vill massproducera MOF."
Wangs grupp har publicerat fyra studier i ACS Publications angående deras upptäckter om MOF-stabilitet, MOF-utvecklingsprocesser, tillverkning av MOF-baserade kompositer och deras tillämpningar för flamskydd.
För närvarande framställs de flesta MOF-polymerkompositer enligt en diskret bottom-up-princip som kräver komplexa kemiska reaktioner blandade i olika polymerer i lösningar. Denna flerstegsprocess kräver betydande tid, energi och pengar för att producera minimala kvantiteter.
Genom att kombinera delar av MOF:s utvecklingsprocess har Wangs team upptäckt en enstegsmetod som använder reaktionssträngsprutning för att på ett säkert och effektivt sätt producera MOF-baserade kompositer i större skala. Tillsammans med uppvärmningsförhållandena, applicerade skjuvkrafter och tryckkrafter kan MOF:er uppfylla de nödvändiga reaktionsförhållandena för mekanokemisk syntes.
Dessutom ger resultaten nya insikter i att skapa MOF-baserade polymersystem för polyolefiner, minska deras rökutsläpp och förbättra flamskyddet under förbränning. Metoden förbättrade också säkerheten och effektiviteten genom att förbättra den termiska stabiliteten och de mekaniska egenskaperna hos MOF samtidigt som den minskade dess brandfarlighet.
Detta arbete publicerades nyligen i ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
"Om vi använder reaktiv extruderingstillverkning kan vi ta utgångsmaterialet i kombination med en polymer för att producera MOF och direkt blanda det med plast genom att försumma flera reaktionssteg i konventionella hydrotermiska metoder", säger Wang. "Med den här processen kan vi varje dag komma runt kilogramskala jämfört med den traditionella metoden, som vanligtvis bara kan producera i gramskala."
De hoppas få se denna metod användas inom industrin för att utveckla hållbarhetsarbetet, processförbättringar och processsäkerhet.
I deras studie publicerad i Industrial &Engineering Chemistry Research , Wang visade användningen av MOF som ett flamskyddsmedel. En kommersiellt tillgänglig MOF inkorporerades i ett svällande flamskyddsmedel/polypropen (IFR/PP) kompositsystem. Resultaten visar att tillsatserna uppvisar en stark synergistisk effekt mellan sig för att förbättra bildningen och stabiliteten av det svällande kolskiktet för att förhindra intensiv förbränning av PP.
Dessa fynd kan förbättra IFR-system för polyolefiner, vilket minskar deras rökutsläpp under förbränning. Med tanke på att alla råvaror är kommersiellt tillgängliga, och beredningsmetoden är kompatibel med nuvarande industriella processer, kan metodiken som presenteras i denna studie utökas för industriella tillämpningar.
"Vi kan använda MOFs på så många sätt - från vattenbehandling till kolavskiljning," sa Wang. "Jag skulle vilja fortsätta att förbättra den här processen så att industrin kan använda MOFs i större skala i olika användbara tillämpningar." + Utforska vidare
