Glasfiberförstärkt plast (GFRP), ett starkt och hållbart kompositmaterial, används flitigt i allt från flygplansdelar till väderkvarnsblad. Ändå gör just de egenskaperna som gör den robust nog att användas i så många olika applikationer den svår att kassera – följaktligen grävs det mesta av GFRP-avfall ner på en soptipp när det når sin livslängd.

Enligt en studie publicerad i Nature Sustainability , Rice Universitys forskare och medarbetare har utvecklat en ny, energieffektiv återvinningsmetod för att omvandla glasfiberförstärkt plast (GFRP) till kiselkarbid, som ofta används i halvledare, sandpapper och andra produkter.

"GFRP används för att tillverka mycket stora saker, och för det mesta slutar vi med att vi begraver vingstrukturerna på flygplan eller vindkraftverk från ett vindturbin i en deponi", säger James Tour, TT och W.F. Chao Professor och professor i kemi och i materialvetenskap och nanoteknik. "Att kassera GFRP på detta sätt är helt enkelt ohållbart. Och hittills har det inte funnits något bra sätt att återvinna det."

Med ökat tryck från tillsynsmyndigheter att revidera och förbättra återvinningsmetoderna för uttjänta fordon finns det ett stort behov av bättre metoder för att hantera GFRP-avfall.

Medan vissa har försökt utveckla metoder med förbränning eller solvolys för att bli av med GFRP, sa Yi Cheng, en postdoktor och Rice Academy Junior Fellow som arbetar i Tour-labbet, att sådana processer är mindre än idealiska eftersom de är resurskrävande och resultera i miljöförorening.

"Detta material har plast på ytan av glasfiber, och förbränning av plasten kan generera mycket giftiga gaser," sa Cheng. "Att försöka lösa upp GFRP är också problematiskt eftersom det kan generera mycket surt eller basavfall från lösningsmedlen. Vi ville hitta ett mer miljövänligt sätt att hantera detta material."

Tours labb har redan skapat rubriker för att utveckla nya applikationer för avfallshantering och återvinning med hjälp av flash Joule-uppvärmning, en teknik som leder en ström genom ett måttligt resistivt material för att snabbt värma upp det till exceptionellt höga temperaturer och omvandla det till andra ämnen.

Tour sa att när han fick reda på problemen med bortskaffande av GFRP från kollegor vid Defense Advanced Research Projects Agency, trodde han att den här typen av turbovärme kunde omvandla GFRP till kiselkarbid, som ofta används i halvledare och sandpapper.

"Vi visste redan att om vi värmer blandningen av metallklorid och kol genom flash-joule-uppvärmning, så kunde vi få metallkarbid ⎯ och i en demonstration gjorde vi kiselkarbid," sa Tour. "Så vi kunde utnyttja det arbetet för att komma fram till en process för att omvandla GFRP till kiselkarbid."

Denna nya process maler upp GFRP till en blandning av plast och kol och involverar tillsats av mer kol, när det behövs, för att göra blandningen ledande. Forskarna applicerar sedan högspänning på den med två elektroder, vilket bringar dess temperatur upp till 1 600–2 900 grader Celsius (2 912–5 252 Fahrenheit).

"Den höga temperaturen underlättar omvandlingen av plasten och kolet till kiselkarbid," förklarade Tour. "Vi kan tillverka två olika typer av kiselkarbid, som kan användas för olika applikationer. Faktum är att en av dessa typer av kiselkarbid visar överlägsen kapacitet och hastighet som batterianodmaterial."

Även om denna första studie var ett proof-of-concept-test i en bänkskala i laboratoriet, arbetar Tour och kollegor redan med externa företag för att skala upp processen för bredare användning. Driftskostnaderna för att uppgradera GFRP är mindre än 0,05 USD per kilogram, mycket billigare än förbränning eller solvolys – och mer miljövänligt.

Det kommer att ta tid - och lite bra ingenjörskonst - att skala upp den här nya flash upcycling-metoden på lämpligt sätt, sa Tour. Han sa att han är glad över att hans labb kunde utveckla ett hållbart sätt att förvandla GFRP-skräp till kiselkarbidskatt.

"Denna GFRP är en avfallsprodukt som vanligtvis hamnar på en soptipp, och nu kan du förvandla den till en användbar produkt som kan hjälpa mänskligheten", sa han. "Det här är precis den sortens strategi vi behöver för att stödja en cirkulär ekonomi. Vi måste hitta sätt att ta avfallsprodukter från en mängd olika applikationer och omvandla dem till nya produkter."

Mer information: Yi Cheng et al, Flash upcycling av avfallsglasfiberförstärkt plast till kiselkarbid, Nature Sustainability (2024). DOI:10.1038/s41893-024-01287-w

Tillhandahålls av Rice University