I en vinst för kemin har uppfinnare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory designat en sluten kretsbana för att syntetisera en exceptionellt tuff kolfiberförstärkt polymer, eller CFRP, och senare återvinna alla dess utgångsmaterial.
Ett lätt, starkt och tufft kompositmaterial, CFRP är användbart för att minska vikten och öka bränsleeffektiviteten hos bilar, flygplan och rymdfarkoster. Men konventionella CFRP är svåra att återvinna. De flesta har varit engångsmaterial, så deras koldioxidavtryck är betydande. Däremot ORNL:s slutna-loop-teknologi, som publiceras i Cell Reports Physical Science , snabbar på att ta itu med den stora utmaningen.
"Vi inkorporerade dynamisk tvärbindning i en handelsvarupolymer för att funktionalisera den. Sedan lade vi till en tvärbindare för att göra den som härdplastmaterial", säger ORNL-kemist och uppfinnaren Md Anisur Rahman. "Dynamisk tvärbindning gör att vi kan bryta kemiska bindningar och bearbeta eller återvinna kolfiberkompositmaterialen."
Ett konventionellt härdplastmaterial är permanent tvärbundet. När den väl har syntetiserats, härdats, gjutits och satts till en form, kan den inte återbearbetas. ORNL:s system, å andra sidan, lägger till dynamiska kemiska grupper till polymermatrisen och dess inbäddade kolfibrer. Polymermatrisen och kolfibrerna kan genomgå flera upparbetningscykler utan förlust av mekaniska egenskaper, såsom styrka och seghet.
Rahman ledde studien med ORNL-kemist Tomonori Saito, som hedrades av Battelle 2023 som Årets ORNL-uppfinnare. Rahman och ORNL postdoktor Menisha Karunarathna Koralalage genomförde de flesta experimenten. Trion har ansökt om patent för innovationen.
"Vi uppfann en tuff och återvinningsbar kolfiberkomposit", sa Saito. "Fibern och polymeren har en mycket stark gränsyta vidhäftning på grund av närvaron av dynamiska bindningar." Gränssnittet låser samman material genom kovalenta interaktioner och låser upp dem vid behov med hjälp av värme eller kemi. Saito tillade, "Den funktionaliserade fibern har dynamisk utbytbar tvärbindning med denna polymer. Kompositstrukturen är riktigt tuff på grund av gränssnittsegenskaperna. Det gör ett mycket, mycket starkt material."
Konventionella polymerer som härdplast epoxi används vanligtvis för att permanent binda material som metall, kol, betong, glas, keramik och plast för att bilda flerkomponentmaterial som kompositer. I ORNL-materialet kan emellertid polymeren, kolfibrerna och tvärbindaren, när de en gång värmehärdas, reinkarneras tillbaka till dessa utgångsmaterial. Materialets komponenter kan frigöras för återvinning när en speciell alkohol som kallas pinacol ersätter tvärbindarens kovalenta bindningar.
Återvinning i sluten krets i laboratorieskala ger ingen förlust av utgångsmaterial. "När vi återvinner kompositerna återvinner vi 100 % av utgångsmaterialen - tvärbindaren, polymeren, fibern," sa Rahman.
"Det är vikten av vårt arbete," sa Saito. "Andra kompositåtervinningstekniker tenderar att förlora komponentens utgångsmaterial under återvinningsprocessen."
Andra fördelar med de reversibelt tvärbundna CFRP:erna är snabb härdning, självhäftande beteende och reparation av mikrosprickor i kompositmatrisen.
I framtiden kan återvinning av CFRP:er i slutet kretslopp förändra tillverkning med låg koldioxidutsläpp när cirkulära lätta material införlivas i ren energiteknik.
Forskarna hämtade inspiration från naturen, som använder dynamiska gränssnitt för att skapa robusta material. Nacre, den skimrande pärlemor som finns inuti skalen på havsmusslor och andra blötdjur, är exceptionellt seg:den kan deformeras utan att gå sönder. Dessutom fäster havsmusslor starkt på ytor men sprider energi för att frigöras vid behov.
Forskarna syftade till att optimera gränsytskemin mellan kolfibrerna och polymermatrisen för att öka gränsytans vidhäftning och förbättra CFRP-segheten. "Vår kompositstyrka är nästan två gånger högre än en konventionell epoxikomposit," sa Rahman. "Andra mekaniska egenskaper är också mycket bra."
Draghållfastheten, eller den spänning ett material kan bära när det dras, var den högsta som någonsin rapporterats bland liknande fiberförstärkta kompositmaterial. Det var 731 megapascal – starkare än rostfritt stål och starkare än en konventionell epoxibaserad CFRP-komposit för bilar.
I ORNL-materialet hade den dynamiska kovalenta bindningen mellan fibergränsytan och polymeren 43 % större gränsytevidhäftning än polymerer utan dynamiska bindningar.
De dynamiska kovalenta bindningarna möjliggör återvinning i sluten krets. I ett konventionellt matrismaterial är kolfibrerna svåra att separera från polymeren. ORNL:s kemiska metod, som klipper fibrer på de funktionella platserna, gör det möjligt att separera fibrer från polymeren för återanvändning.
Karunarathna Koralalage, Rahman och Saito modifierade en råvarupolymer, kallad S-Bpin, med hjälp av Natasha Ghezawi, en doktorand vid Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education vid University of Tennessee, Knoxville. De skapade återcirkulerad styren-eten-butylen-styren-sampolymer, som innehåller boronestergrupper som binder kovalent med ett tvärbindare och fibrer för att generera den sega CFRP.
Eftersom CFRP är ett komplext material krävde dess detaljerade karakterisering en mångsidig expertis och instrumentering. ORNL:s Chris Bowland testade dragegenskaper. Med Raman-kartläggning visade ORNL:s Guang Yang fördelningen av kemiska och strukturella arter. Catalin Gainaru och Sungjin Kim, båda från ORNL, samlade in reologiska data, och Alexei Sokolov, en UT-ORNL-guvernörsordförande, förklarade det.
Svepelektronmikroskopi av Bingrui Li, ORNL och UT, visade att kolfiber bibehöll sin kvalitet efter återvinning. Vivek Chawla och Dayakar Penumadu, båda från UT, analyserade interlaminär skjuvhållfasthet. Med röntgenfotoelektronspektroskopi bekräftade ORNL:s Harry Meyer III vilka molekyler som fästes vid fiberytor. ORNL:s Amit Naskar, en känd expert på kolfiber, granskade tidningen.
Forskarna fann att graden av dynamisk tvärbindning är viktig. "Vi fann att 5% tvärbindning fungerar bättre än 50%," sa Rahman. "Om vi ökar mängden tvärbindare börjar det göra polymeren spröd. Det beror på att vår tvärbindare har tre handliknande skrymmande strukturer som kan göra fler anslutningar och minska polymerens flexibilitet."
Därefter skulle forskargruppen vilja genomföra liknande studier med glasfiberkompositer, som bibehåller hög prestanda samtidigt som de sänker kostnaden och koldioxidavtrycket för applikationer inom flyg, bil, marin, sport, konstruktion och ingenjörskonst. De hoppas också kunna minska kostnaderna för den nya tekniken för att optimera kommersiella utsikter för en framtida licenstagare.
"Det här steget kommer att öppna fler applikationer, särskilt för vindkraftverk, elfordon, flygmaterial och till och med sportartiklar," sa Rahman.
Mer information: Md Anisur Rahman et al, Tuffa och återvinningsbara kolfiberkompositer med exceptionell gränssnittsvidhäftning via ett skräddarsytt vitrimer-fibergränssnitt, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101695
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
