Glasvezelversterkt plastic (GFRP), een sterk en duurzaam composietmateriaal, wordt veel gebruikt in alles, van vliegtuigonderdelen tot windmolenbladen. Maar juist de eigenschappen die het robuust genoeg maken om in zoveel verschillende toepassingen te worden gebruikt, maken het moeilijk om het weg te gooien. Als gevolg daarvan wordt het meeste glasvezelafval op een stortplaats begraven zodra het het einde van zijn levensduur heeft bereikt.

Dat blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in Nature Sustainability hebben onderzoekers en medewerkers van Rice University een nieuwe, energiezuinige upcycling-methode ontwikkeld om glasvezelversterkt plastic (GFRP) om te zetten in siliciumcarbide, dat veel wordt gebruikt in halfgeleiders, schuurpapier en andere producten.

"GFRP wordt gebruikt om hele grote dingen te maken, en voor het grootste deel begraven we uiteindelijk de vleugelconstructies van vliegtuigen of windmolenbladen van een windturbine in hun geheel op een stortplaats", aldus James Tour, de T.T. en W.F. Chao Professor en hoogleraar scheikunde en materiaalkunde en nano-engineering. "Het op deze manier weggooien van glasvezelversterkte kunststof is gewoonweg niet duurzaam. En tot nu toe was er geen goede manier om het te recyclen."

Met de toegenomen druk van regelgevende instanties om de recyclingpraktijken voor autowrakken te herzien en te verbeteren, is er een sterke behoefte aan betere methoden om GFRP-afval te beheren.

Terwijl sommigen hebben geprobeerd benaderingen te ontwikkelen met behulp van verbranding of solvolyse om GFRP kwijt te raken, zei Yi Cheng, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker en Rice Academy Junior Fellow die in het Tour-lab werkt, dat dergelijke processen niet ideaal zijn omdat ze veel hulpbronnen vereisen en resulteren in milieuvervuiling.

"Dit materiaal heeft plastic op het oppervlak van glasvezel, en het verbranden van het plastic kan veel giftige gassen genereren", zei Cheng. "Proberen om GFRP op te lossen is ook problematisch omdat het veel zuur- of baseafval uit de oplosmiddelen kan genereren. We wilden een milieuvriendelijkere manier vinden om met dit materiaal om te gaan."

Het laboratorium van Tour heeft al de krantenkoppen gehaald voor het ontwikkelen van nieuwe toepassingen voor afvalverwerking en recycling met behulp van flash-joule-verwarming, een techniek die een stroom door een materiaal met een gemiddelde weerstand laat gaan om het snel tot uitzonderlijk hoge temperaturen te verwarmen en om te zetten in andere stoffen.

Tour zei dat toen hij van collega's van het Defense Advanced Research Projects Agency hoorde over de problemen die verband houden met de verwijdering van GFRP, hij dacht dat dit soort turboverwarming GFRP zou kunnen omzetten in siliciumcarbide, dat veel wordt gebruikt in halfgeleiders en schuurpapier.

"We wisten al dat als we het mengsel van metaalchloride en koolstof verhitten door middel van flash-joule-verwarming, we metaalcarbide konden krijgen ⎯ en in één demonstratie maakten we siliciumcarbide", zei Tour. "Dus we konden dat werk gebruiken om een ​​proces te bedenken om GFRP om te zetten in siliciumcarbide."

Dit nieuwe proces vermaalt GFRP tot een mengsel van plastic en koolstof en omvat het toevoegen van meer koolstof, indien nodig, om het mengsel geleidend te maken. De onderzoekers passen er vervolgens hoge spanning op toe met behulp van twee elektroden, waardoor de temperatuur oploopt tot 1.600–2.900 graden Celsius (2.912–5.252 Fahrenheit).

"Die hoge temperatuur vergemakkelijkt de transformatie van plastic en koolstof in siliciumcarbide", legt Tour uit. "We kunnen twee verschillende soorten siliciumcarbide maken, die voor verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt. Eén van deze typen siliciumcarbide vertoont zelfs een superieure capaciteit en prestatievermogen als anodemateriaal voor batterijen."

Hoewel deze eerste studie een proof-of-concept-test op laboratoriumschaal was, werken Tour en collega's al samen met externe bedrijven om het proces op te schalen voor breder gebruik. De bedrijfskosten voor het upcyclen van GFRP bedragen minder dan $ 0,05 per kilogram, veel goedkoper dan verbranding of solvolyse, en milieuvriendelijker.

Het zal tijd kosten – en wat goede techniek – om deze nieuwe flash-upcycling-methode op de juiste manier op te schalen, zei Tour. Hij zei dat hij heel blij is dat zijn laboratorium een ​​duurzame manier heeft kunnen ontwikkelen om GFRP-afval om te zetten in siliciumcarbideschatten.

"Dit GFRP is een afvalproduct dat meestal op een stortplaats belandt, en nu kun je er een bruikbaar product van maken dat de mensheid kan helpen", zei hij. "Dit is precies het soort aanpak dat we nodig hebben om een ​​circulaire economie te ondersteunen. We moeten manieren vinden om afvalproducten uit een breed scala aan verschillende toepassingen om te zetten in nieuwe producten."

Meer informatie: Yi Cheng et al, Flash-upcycling van glasvezelversterkte kunststofafval tot siliciumcarbide, Natuurduurzaamheid (2024). DOI:10.1038/s41893-024-01287-w

Aangeboden door Rice University