Wetenschap
Koud sinteren kan plastic, keramiek en batterijcomponenten redden van stortplaatsen
Recycling voorkomt niet noodzakelijkerwijs dat een artikel uiteindelijk op een stortplaats belandt, aldus Enrique Gomez, interim-decaan voor gelijkheid en inclusiviteit en hoogleraar chemische technologie aan het Penn State College of Engineering. In plaats daarvan vertraagt recycling eenvoudigweg het einde van de levensduur. Plastic flessen die worden gerecycled en vervolgens tot tapijt worden verwerkt, belanden uiteindelijk op de vuilstort als het tapijt versleten raakt en wordt weggegooid.
Koud sinteren (het proces waarbij materialen op poederbasis bij lage temperaturen worden gecombineerd tot dichte vormen door middel van toegepaste druk met behulp van oplosmiddelen) maakt het echter mogelijk dat materialen keer op keer worden gerecycled.
"Dat is het idee van koud sinteren:je kunt twee of meer materialen die bestemd waren voor de stortplaats, combineren en een composiet creëren, en het composiet keer op keer recyclen, zonder prestatieverlies", aldus Gomez.
In drie recente artikelen schetsen Gomez en zijn team drie nieuwe toepassingen voor koud sinteren die recycling in de materiaalwetenschap bevorderen.
In een artikel gepubliceerd in Materials Horizons gebruikten onderzoekers koud sinteren om polypropyleen – een veelvoorkomend afvalplastic dat moeilijk te recyclen is vanwege problemen met de verwerking en sortering – te combineren met een keramisch materiaal. Het resultaat was een composiet dat kon worden gebruikt voor het maken van structurele bouwmaterialen zoals gipsplaten of buitenterrassen.
"Koud sinteren van plastic met keramische materialen produceert sterke, taaie composieten die perfect zijn voor gebruik in de bouw", zegt Po-Hao Lai, een doctoraalstudent in de chemische technologie en eerste auteur van het artikel. "Deze composieten kunnen meerdere recyclingcycli ondergaan met alleen de toevoeging van water, waardoor er minder energie en water nodig is in vergelijking met conventionele bouwmaterialen."
Bovendien leidt traditionele recycling vaak tot downcycling, waarbij de kwaliteit van het materiaal bij elke recyclingcyclus afneemt, met als gevolg het verlies van waardevolle eigenschappen, aldus onderzoekers. Door plastic afval met keramiek te combineren tot composieten, pakt de methode niet alleen de beperkingen van mechanische recycling aan, maar overwint hij ook de nadelen van keramiek, zoals broosheid.
Wanneer de bouwmaterialen het einde van hun levensduur hebben bereikt, kunnen ze via het koude sinterproces weer worden vermalen en hergebruikt. De onderzoekers toonden hun vaardigheid in het tot 10 keer herslijpen en koud sinteren van het composiet.
"Als je je deck opnieuw maakt met deze materialen en dan besluit dat je het ontwerp wilt veranderen, kun je het eenvoudigweg herstellen, slijpen en koud sinteren, en er iets anders van maken, zoals een veranda of een bank", zegt Bryan Vogt , hoogleraar chemische technologie en co-corresponderend auteur van het artikel Materials Horizons.
In een studie gepubliceerd in ChemSusChem pasten onderzoekers koud sinteren toe op de vaste en vloeibare elektrolytcomponenten van vastestofbatterijen. Solid-state lithiumbatterijen zijn energiedicht, veilig, niet-ontvlambaar en kunnen worden gebruikt in elektrische voertuigen, draagbare apparaten of laptopbatterijen.
"Defecten in batterijen, zoals holtes en scheuren veroorzaakt door mechanische spanning op de vaste elektrolyten in batterijen, kunnen de transportroutes van lithium-ionen blokkeren en de batterij tot kortsluiting leiden", zegt Yi-Chen Lan, doctoraalstudent in de chemische technologie. en eerste auteur op het papier.
"Om elektrolyten die mechanische degradatie hebben ondergaan te recyclen, gebruiken we koud sinteren om de microstructuren opnieuw te verdichten en samengestelde elektrolyten opnieuw te verwerken door keramiek te mengen met polymeren en lithiumzouten."
Het idee voor het koud sinteren van de vloeibare elektrolyten die nodig zijn in vastestofbatterijen ontstond in 2018, toen een postdoctoraal onderzoeker van de Gomez Group tijdens een experiment per ongeluk een monster vloeibare elektrolyt brak.
"Hij besloot het elektrolytmonster opnieuw te verwerken door middel van koud sinteren, en we ontdekten dat het net zo goed werkte nadat het opnieuw was verwerkt", zei Gomez. "We realiseerden ons destijds niet dat dit een concept was dat we konden exploiteren, en dat was de geboorte van dit artikel."
Het opnieuw verwerken en hergebruiken van de elektrolyten die in deze batterijen worden gebruikt, leidt in de loop van de tijd tot een lager energieverbruik en een kleinere impact op het milieu, wat op zijn beurt de levensvatbaarheid en duurzaamheid van alle typen vastestofbatterijen bevordert, aldus Lan.
In een artikel gepubliceerd in MRS Communications hebben onderzoekers een composiet koud gesinterd dat in condensatoren gaat, wat belangrijke componenten zijn van elektrische voertuigen. In de experimenten combineerden ze het keramische bariumtitanaat met Teflon, oftewel polytetrafluorethyleen.
"Ons werk in MRS Communications toont het potentieel aan voor het recyclen van materialen die cruciaal zullen zijn voor de elektrificatie van het transport, en dus voor de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen”, zegt Hongtao Sun, assistent-professor industriële en productietechniek en co-corresponderend auteur van het artikel.
Koud sinteren werd in 2016 ontwikkeld door een team van onderzoekers onder leiding van Clive Randall, directeur van het Materials Research Institute van Penn State en hoogleraar materiaalkunde en -techniek.
"We zien nu dat veel andere onderzoeksgroepen over de hele wereld het koude sinterproces toepassen in universiteiten, nationale laboratoria en zelfs binnen de industrie", aldus Randall.
"Ik ben verbaasd over de diversiteit aan toepassingen die opkomen, maar het onderzoek in de Gomez Group effent de weg voor een circulaire economie, een uiterst belangrijke strategie die nodig is voor een duurzame toekomst."