In een overwinning voor de chemie hebben uitvinders van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy een gesloten circuit ontworpen voor het synthetiseren van een uitzonderlijk taai, met koolstofvezel versterkt polymeer, of CFRP, en later het terugwinnen van al zijn uitgangsmaterialen.

CFRP, een lichtgewicht, sterk en taai composietmateriaal, is nuttig voor het verminderen van het gewicht en het verhogen van de brandstofefficiëntie van auto's, vliegtuigen en ruimtevaartuigen. Conventionele CFRP's zijn echter moeilijk te recyclen. De meeste zijn materialen voor eenmalig gebruik, dus hun ecologische voetafdruk is aanzienlijk. De gesloten-lustechnologie van ORNL, die is gepubliceerd in Cell Reports Physical Science , versnelt het aanpakken van die grote uitdaging.

"We hebben dynamische verknoping in een basispolymeer ingebouwd om het te functionaliteiten. Vervolgens hebben we een verknoper toegevoegd om het op thermohardende materialen te laten lijken", zegt ORNL-chemicus en uitvinder Md Anisur Rahman. "Dynamische crosslinking stelt ons in staat chemische bindingen te verbreken en de koolstofvezelcomposietmaterialen opnieuw te verwerken of te recyclen."

Een conventioneel thermohardend materiaal is permanent verknoopt. Eenmaal gesynthetiseerd, uitgehard, gegoten en in vorm gebracht, kan het niet meer opnieuw worden verwerkt. Het systeem van ORNL daarentegen voegt dynamische chemische groepen toe aan de polymeermatrix en de ingebedde koolstofvezels. De polymeermatrix en koolstofvezels kunnen meerdere herverwerkingscycli ondergaan zonder verlies van mechanische eigenschappen, zoals sterkte en taaiheid.

Rahman leidde het onderzoek samen met ORNL-chemicus Tomonori Saito, die in 2023 door Battelle werd geëerd als ORNL Uitvinder van het Jaar. Rahman en ORNL postdoctoraal collega Menisha Karunarathna Koralalage voerden de meeste experimenten uit. Het trio heeft patent aangevraagd op de innovatie.

"We hebben een sterk en recyclebaar koolstofvezelcomposiet uitgevonden", zei Saito. "De vezel en het polymeer hebben een zeer sterke hechting aan het grensvlak vanwege de aanwezigheid van dynamische bindingen." De interface vergrendelt materialen aan elkaar door middel van covalente interacties en ontgrendelt ze op verzoek met behulp van warmte of chemie. Saito voegde hieraan toe:"De gefunctionaliseerde vezel heeft een dynamische uitwisselbare verknoping met dit polymeer. De composietstructuur is erg sterk vanwege de interface-eigenschappen. Dat maakt een heel, heel sterk materiaal."

Conventionele polymeren zoals thermohardende epoxyharsen worden doorgaans gebruikt om materialen zoals metaal, koolstof, beton, glas, keramiek en kunststof permanent te verbinden om uit meerdere componenten bestaande materialen zoals composieten te vormen. In het ORNL-materiaal kunnen het polymeer, de koolstofvezels en de crosslinker, eenmaal thermohardend, echter weer in die uitgangsmaterialen worden gereïncarneerd. De componenten van het materiaal kunnen worden vrijgegeven voor recycling wanneer een speciale alcohol, pinacol genaamd, de covalente bindingen van de crosslinker vervangt.

Gesloten kringlooprecycling op laboratoriumschaal resulteert in geen verlies van uitgangsmaterialen. "Als we de composieten recyclen, winnen we 100% van de uitgangsmaterialen terug:de crosslinker, het polymeer, de vezel", aldus Rahman.

"Dat is het belang van ons werk", zei Saito. "Andere recyclingtechnologieën voor composieten hebben de neiging de uitgangsmaterialen van de componenten te verliezen tijdens het recyclingproces."

Andere voordelen van de reversibel verknoopte CFRP's zijn het snelle thermohardende, zelfklevende gedrag en het herstel van microscheurtjes in de composietmatrix.

In de toekomst kan de gesloten kringloop van CFRP's de koolstofarme productie transformeren, omdat circulaire lichtgewichtmaterialen worden opgenomen in schone-energietechnologieën.

De onderzoekers lieten zich inspireren door de natuur, die dynamische interfaces gebruikt om robuuste materialen te creëren. Parelmoer, het iriserende parelmoer in de schelpen van zeemosselen en andere weekdieren, is uitzonderlijk sterk:het kan vervormen zonder te breken. Bovendien hechten zeemosselen zich sterk aan oppervlakken, maar verspillen ze energie om vrij te geven wanneer dat nodig is.

De onderzoekers wilden de grensvlakchemie tussen de koolstofvezels en de polymeermatrix optimaliseren om de hechting aan het grensvlak te vergroten en de CFRP-taaiheid te verbeteren. "De sterkte van ons composiet is bijna twee keer hoger dan die van een conventioneel epoxycomposiet", aldus Rahman. "Andere mechanische eigenschappen zijn ook erg goed."

De treksterkte, of de spanning die een materiaal kan verdragen als het wordt getrokken, was de hoogste die ooit is gerapporteerd bij vergelijkbare vezelversterkte composietmaterialen. Het was 731 megapascal, sterker dan roestvrij staal en sterker dan een conventioneel CFRP-composiet op basis van epoxy voor auto's.

In het ORNL-materiaal had de dynamische covalente binding tussen het vezelgrensvlak en het polymeer een 43% grotere hechting aan het grensvlak dan polymeren zonder dynamische bindingen.

De dynamische covalente bindingen maken recycling in een gesloten lus mogelijk. In een conventioneel matrixmateriaal zijn de koolstofvezels moeilijk te scheiden van het polymeer. De chemische methode van ORNL, die vezels op de functionele plaatsen knipt, maakt het mogelijk vezels van het polymeer te scheiden voor hergebruik.

Karunarathna Koralalage, Rahman en Saito wijzigden een basispolymeer, S-Bpin genaamd, met hulp van Natasha Ghezawi, een afgestudeerde student aan het Bredesen Center for Interdisciplinair Onderzoek en Graduate Education van de Universiteit van Tennessee, Knoxville. Ze creëerden geüpcycled styreen-ethyleen-butyleen-styreen-copolymeer, dat boorzuurestergroepen bevat die zich covalent binden met een crosslinker en vezels om het taaie CFRP te genereren.

Omdat CFRP een complex materiaal is, vereiste de gedetailleerde karakterisering ervan diverse expertise en instrumenten. Chris Bowland van ORNL testte de trekeigenschappen. Met Raman-kartering toonde Guang Yang van ORNL de verspreiding van chemische en structurele soorten. Catalin Gainaru en Sungjin Kim, beiden van ORNL, legden reologische gegevens vast, en Alexei Sokolov, voorzitter van de gouverneur van de UT-ORNL, lichtte deze toe.

Rasterelektronenmicroscopie door Bingrui Li, van ORNL en UT, onthulde dat koolstofvezel na recycling zijn kwaliteit behield. Vivek Chawla en Dayakar Penumadu, beiden van UT, analyseerden de interlaminaire schuifsterkte. Met röntgenfoto-elektronenspectroscopie bevestigde Harry Meyer III van ORNL welke moleculen zich aan vezeloppervlakken hechtten. Amit Naskar van ORNL, een gerenommeerd expert op het gebied van koolstofvezel, heeft het artikel beoordeeld.

De wetenschappers ontdekten dat de mate van dynamische verknoping belangrijk is. "We ontdekten dat 5% verknoping beter werkt dan 50%", zei Rahman. "Als we de hoeveelheid crosslinker verhogen, begint het polymeer bros te worden. Dat komt omdat onze crosslinker drie handachtige, omvangrijke structuren heeft, die in staat zijn meer verbindingen te maken en de flexibiliteit van het polymeer te verminderen."

Vervolgens wil het onderzoeksteam soortgelijke onderzoeken uitvoeren met glasvezelcomposieten, die hoge prestaties behouden en tegelijkertijd de kosten en de CO2-voetafdruk verlagen van toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector, de scheepvaart, de sport, de bouw en de techniek. Ze hopen ook de kosten van de nieuwe technologie te verlagen om de commerciële vooruitzichten voor een toekomstige licentienemer te optimaliseren.

"Deze stap zal meer toepassingen openen, vooral voor windturbines, elektrische voertuigen, ruimtevaartmaterialen en zelfs sportartikelen", aldus Rahman.

Meer informatie: Md Anisur Rahman et al., Sterke en recyclebare koolstofvezelcomposieten met uitzonderlijke hechting aan het grensvlak via een op maat gemaakte vitrimeer-vezelinterface, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101695

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory