科学 2024-04-18 22:17

New process allows full recovery of starting materials from tough polymer composites

美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的发明人设计了一条闭环路径,用于合成一种异常坚韧的碳纤维增强聚合物(CFRP),并在随后回收其所有起始材料,这是化学领域的一次胜利。

CFRP是一种轻质、强韧的复合材料,可用于减轻汽车、飞机和航天器的重量和提高燃油效率。然而,传统的cfrp很难回收。大多数都是一次性材料,所以它们的碳足迹很大。相比之下,ORNL的闭环技术,发表在《细胞报告物理科学》上,加速解决了这一重大挑战。

“我们将动态交联结合到商品聚合物中以使其功能化。然后,我们添加了交联剂,使其像热固性材料一样,”ORNL化学家和发明家Md Anisur Rahman说。“动态交联使我们能够打破化学键,再加工或回收碳纤维复合材料。”

传统的热固性材料是永久交联的。一旦合成、固化、成型并定型,就不能再加工。另一方面,ORNL的系统将动态化学基团添加到聚合物基体及其嵌入的碳纤维中。聚合物基体和碳纤维可以经过多次后处理循环而不损失机械性能,如强度和韧性。

拉赫曼与ORNL化学家齐藤智森(Tomonori Saito)共同领导了这项研究,齐藤智森在2023年被巴特尔授予ORNL年度发明家。拉赫曼和ORNL博士后研究员Menisha Karunarathna Koralalage进行了大部分实验。三人已经为这项创新申请了专利。

齐藤说:“我们发明了一种坚固且可回收的碳纤维复合材料。”“由于存在动态键,纤维和聚合物具有非常强的界面附着力。”界面通过共价相互作用将材料锁在一起,并根据需要使用热或化学解开它们。Saito补充说:“功能化纤维与这种聚合物具有动态交换交联。由于界面特性,复合材料结构具有很强的韧性。这是一种非常非常坚固的材料。”

热固性环氧树脂等传统聚合物通常用于永久粘合金属、碳、混凝土、玻璃、陶瓷和塑料等材料,形成复合材料等多组分材料。然而,在ORNL材料中,聚合物、碳纤维和交联剂,一旦热固性,可以再生回这些起始材料。当一种叫做pinacol的特殊酒精取代交联剂的共价键时,这种材料的成分可以被释放出来回收利用。

实验室规模的闭环回收不会造成原料的损失。拉赫曼说:“当我们回收复合材料时,我们100%地回收了原始材料——交联剂、聚合物和纤维。”

“这就是我们工作的重要性,”齐藤说。“其他复合材料回收技术往往会在回收过程中丢失组件起始材料。”

可逆交联cfrp的其他优点是快速热固性,自粘性和修复复合材料基体中的微裂纹。

在未来,cfrp的闭环回收可能会改变低碳制造,因为循环轻质材料被纳入清洁能源技术。

研究人员从大自然中汲取灵感,利用动态界面来创造坚固的材料。珍珠是海洋贻贝和其他软体动物壳内的一种彩虹色的珍珠母,它异常坚硬:它可以变形而不会破裂。此外,海洋贻贝强烈地附着在表面上,但在必要时释放能量。

研究人员的目标是优化碳纤维和聚合物基体之间的界面化学反应,以增强界面附着力,提高碳纤维增强塑料的韧性。“我们的复合材料的强度几乎是传统环氧复合材料的两倍,”Rahman说。“其他机械性能也很好。”

拉伸强度,或材料在被拉时所能承受的应力,是同类纤维增强复合材料中最高的。它的强度为731兆帕,比不锈钢和传统的环氧基CFRP汽车复合材料都要强。

在ORNL材料中,纤维界面与聚合物之间的动态共价键的界面附着力比没有动态键的聚合物高43%。

动态共价键使闭环循环成为可能。在传统的基体材料中,碳纤维很难与聚合物分离。ORNL的化学方法,在功能位点夹住纤维,使纤维从聚合物中分离出来再利用成为可能。

Karunarathna Koralalage、Rahman和Saito在田纳西州大学诺克斯维尔分校布莱德森跨学科研究和研究生教育中心的研究生Natasha Ghezawi的帮助下,对一种名为S-Bpin的商品聚合物进行了改性。他们创造了升级回收的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物,这种共聚物含有硼酯基团,与交联剂和纤维共价结合,从而产生坚韧的CFRP。

由于CFRP是一种复杂的材料,其详细表征需要不同的专业知识和仪器。ORNL的Chris Bowland测试了拉伸性能。通过拉曼图,ORNL的Guang Yang展示了化学和结构物种的分布。ORNL的Catalin Gainaru和Sungjin Kim捕获了流变学数据,UT-ORNL的主席Alexei Sokolov对此进行了解释。

ORNL和UT的李炳瑞的扫描电子显微镜显示,碳纤维在回收后仍保持其质量。UT的Vivek Chawla和Dayakar Penumadu分析了层间剪切强度。通过x射线光电子能谱,ORNL的Harry Meyer III确认了附着在纤维表面的分子。ORNL的著名碳纤维专家阿米特·纳斯卡尔评论了这篇论文。

科学家们发现,动态交联的程度很重要。拉赫曼说:“我们发现5%的交联效果比50%的要好。”“如果我们增加交联剂的量,它会开始使聚合物变脆。这是因为我们的交联剂有三个类似手的庞大结构,能够建立更多的连接,降低聚合物的灵活性。”

接下来,研究小组希望对玻璃纤维复合材料进行类似的研究,这种复合材料在保持高性能的同时,降低了航空航天、汽车、船舶、体育、建筑和工程应用的成本和碳足迹。他们还希望降低新技术的成本,以优化未来获得许可的商业前景。

拉赫曼说:“这一步将开辟更多的应用,特别是在风力涡轮机、电动汽车、航空航天材料甚至体育用品方面。”