Återvinning hindrar inte nödvändigtvis ett föremål från att så småningom hamna på en soptipp, enligt Enrique Gomez, interim associerad dekan för eget kapital och inkludering och professor i kemiteknik vid Penn State College of Engineering. Istället försenar återvinning helt enkelt dess livslängd. Plastflaskor som återvinns och sedan förvandlas till till exempel matta hamnar så småningom på soptippen när mattan blir utsliten och slängs.
Men kallsintring – processen att kombinera pulverbaserade material till täta former vid låga temperaturer genom applicerat tryck med lösningsmedel – gör det möjligt för material att återvinnas om och om igen.
"Det är idén med kallsintring:du kan ta två eller flera material som var avsedda för deponin, kombinera dem och skapa en komposit, och återvinna kompositen om och om igen, utan att förlora prestanda," sa Gomez.
I tre nya artiklar beskriver Gomez och hans team tre nya användningsområden för kallsintring som främjar återvinning inom materialvetenskap.
I en artikel publicerad i Materials Horizons , använde forskare kallsintring för att kombinera polypropen – en vanlig plastavfall som är svår att återvinna på grund av problem med bearbetning och sortering – med ett keramiskt material. Resultatet blev en komposit som kunde användas för att tillverka strukturella byggmaterial som gips eller utomhusdäck.
"Kall sintringsplast med keramiska material producerar starka, sega kompositer perfekta för användning i konstruktion", säger Po-Hao Lai, doktorand i kemiteknik och första författare på tidningen. "Dessa kompositer kan genomgå flera återvinningscykler med endast tillsats av vatten, vilket ger lägre energi- och vattenbehov jämfört med konventionella byggmaterial."
Dessutom leder traditionell återvinning ofta till downcycling, där kvaliteten på materialet minskar med varje återvinningscykel, vilket resulterar i förlust av värdefulla egenskaper, enligt forskare. Genom att kombinera plastavfall med keramik till kompositer tar metoden inte bara upp begränsningarna med mekanisk återvinning utan övervinner också nackdelarna med keramik, såsom sprödhet.
När byggmaterialen har nått sin livslängd kan de malas upp igen i kallsintringsprocessen och återanvändas. Forskarna visade skicklighet i omslipning och kallsintring av kompositen upp till 10 gånger.
"Om du gör om ditt däck med dessa material och sedan bestämmer dig för att ändra dess design, kan du helt enkelt återställa det, mala och kallsintra det och göra om det till något annat, som en veranda eller en bänk," sa Bryan Vogt , professor i kemiteknik och medförfattare på Materials Horizons paper.
I en studie publicerad i ChemSusChem , tillämpade forskare kall sintring på de fasta och flytande elektrolytkomponenterna i solid-state-batterier. Solid-state litiumbatterier är energitäta, säkra, obrännbara och kan användas i elfordon, bärbara enheter eller bärbara batterier.
"Defekter i batterier, såsom tomrum och sprickor orsakade av mekanisk påfrestning på elektrolyterna i fast tillstånd i batterier, kan blockera litiumjontransportvägar och leda till att batteriet kortsluts", säger Yi-Chen Lan, doktorand i kemiteknik. och första författare på tidningen.
"För att återvinna elektrolyter som har genomgått mekanisk nedbrytning använder vi kallsintring för att återförtäta mikrostrukturerna och bearbeta kompositelektrolyter genom att blanda keramik med polymerer och litiumsalter."
Idén att kallsintra de flytande elektrolyterna som behövs i solid-state-batterier kom till 2018, när en postdoktor i Gomez-gruppen av misstag bröt ett prov av flytande elektrolyt under ett experiment.
"Han bestämde sig för att bearbeta elektrolytprovet genom kall sintring, och vi fick reda på att det fungerade lika bra efter att ha omarbetats," sa Gomez. "Vi insåg inte då att detta var ett koncept vi kunde utnyttja, och det var födelsen av denna tidning."
Upparbetning och återanvändning av elektrolyterna som används i dessa batterier leder till lägre energiförbrukning och en mindre miljöpåverkan över tid, vilket i sin tur främjar livskraften och hållbarheten för alla typer av solid-state batterier, enligt Lan.
I en artikel publicerad i MRS Communications , kallsintrade forskare en komposit som går in i kondensatorer, som är viktiga komponenter i elfordon. I experimenten kombinerade de det keramiska bariumtitanatet med teflon, eller polytetrafluoreten.
"Vårt arbete inom MRS Communications visar potentialen för återvinning av material som kommer att vara avgörande för elektrifieringen av transporter, och därmed minskningen av växthusgaser, säger Hongtao Sun, biträdande professor i industri- och tillverkningsteknik och medförfattare på tidningen.
Kallsintring utvecklades 2016 av ett team av forskare under ledning av Clive Randall, chef för Penn State's Materials Research Institute och framstående professor i materialvetenskap och ingenjörskonst.
"Vi ser nu många andra forskargrupper anta kallsintringsprocessen över hela världen på universitet, nationella laboratorier och till och med inom industrin," sa Randall.
"Jag har blivit förvånad över mångfalden av tillämpningar som dyker upp, men forskningen inom Gomez Group etablerar en väg för en cirkulär ekonomi, en extremt viktig strategi som krävs för en hållbar framtid."
Mer information: Po-Hao Lai et al, Återvinning av plastavfall till helt återvinningsbara kompositer genom kallsintring, Materials Horizons (2024). DOI:10.1039/D3MH01976D
Yi‐Chen Lan et al, Cold Sintering möjliggör upparbetning av LLZO-baserade kompositer, ChemSusChem (2024). DOI:10.1002/cssc.202301920
Juchen Zhang et al, polymerassisterad kallsintring i nanostorlek och återvinning av keramiska kompositer, MRS Communications (2024). DOI:10.1557/s43579-024-00524-9
Journalinformation: Material Horizons
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
