Als Sieg für die Chemie haben Erfinder des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums einen geschlossenen Kreislauf für die Synthese eines außergewöhnlich robusten kohlenstofffaserverstärkten Polymers (CFRP) und die spätere Rückgewinnung aller seiner Ausgangsmaterialien entwickelt.
CFRP ist ein leichter, fester und robuster Verbundwerkstoff und eignet sich zur Gewichtsreduzierung und Steigerung der Treibstoffeffizienz von Automobilen, Flugzeugen und Raumfahrzeugen. Herkömmliche CFKs lassen sich jedoch nur schwer recyceln. Da es sich bei den meisten Materialien um Einwegmaterialien handelt, ist ihr CO2-Fußabdruck erheblich. Im Gegensatz dazu ist die Closed-Loop-Technologie von ORNL veröffentlicht in Zellberichte Physikalische Wissenschaftbeschleunigt die Bewältigung dieser großen Herausforderung.
„Wir haben dynamische Vernetzung in ein Standardpolymer integriert, um es zu funktionalisieren. Dann haben wir einen Vernetzer hinzugefügt, um es wie duroplastische Materialien zu machen“, sagte ORNL-Chemiker und Erfinder Md Anisur Rahman. „Durch die dynamische Vernetzung können wir chemische Bindungen aufbrechen und die Carbonfaser-Verbundwerkstoffe wieder aufbereiten oder recyceln.“
Ein herkömmliches duroplastisches Material ist dauerhaft vernetzt. Sobald es synthetisiert, ausgehärtet, geformt und in eine Form gebracht wurde, kann es nicht wiederverarbeitet werden. Das System von ORNL hingegen fügt der Polymermatrix und den darin eingebetteten Kohlenstofffasern dynamische chemische Gruppen hinzu. Die Polymermatrix und die Kohlenstofffasern können mehrere Wiederaufbereitungszyklen durchlaufen, ohne dass mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit verloren gehen.
Rahman leitete die Studie mit dem ORNL-Chemiker Tomonori Saito, der 2023 von Battelle als ORNL-Erfinder des Jahres ausgezeichnet wurde. Rahman und ORNL-Postdoktorandin Menisha Karunarathna Koralalage führten die meisten Experimente durch. Das Trio hat die Innovation zum Patent angemeldet.
„Wir haben einen robusten und recycelbaren Kohlefaserverbundwerkstoff erfunden“, sagte Saito. „Die Faser und das Polymer weisen aufgrund der dynamischen Bindungen eine sehr starke Grenzflächenhaftung auf.“ Die Schnittstelle verbindet Materialien durch kovalente Wechselwirkungen und entriegelt sie bei Bedarf durch Hitze oder Chemie. Saito fügte hinzu: „Die funktionalisierte Faser verfügt über eine dynamische, austauschbare Vernetzung mit diesem Polymer. Die Verbundstruktur ist aufgrund der Grenzflächeneigenschaften wirklich robust. Das macht ein sehr, sehr starkes Material.“
Herkömmliche Polymere wie duroplastische Epoxidharze werden typischerweise verwendet, um Materialien wie Metall, Kohlenstoff, Beton, Glas, Keramik und Kunststoff dauerhaft zu verbinden und so Mehrkomponentenmaterialien wie Verbundwerkstoffe zu bilden. Im ORNL-Material können das Polymer, die Kohlenstofffasern und der Vernetzer jedoch, sobald sie duroplastisch sind, wieder in diese Ausgangsmaterialien umgewandelt werden. Die Bestandteile des Materials können für das Recycling freigegeben werden, wenn ein spezieller Alkohol namens Pinakol die kovalenten Bindungen des Vernetzers ersetzt.
Das Recycling im geschlossenen Kreislauf im Labormaßstab führt zu keinem Verlust an Ausgangsmaterialien. „Wenn wir die Verbundwerkstoffe recyceln, gewinnen wir 100 % der Ausgangsmaterialien zurück – den Vernetzer, das Polymer, die Fasern“, sagte Rahman.
„Das ist die Bedeutung unserer Arbeit“, sagte Saito. „Andere Verbundrecyclingtechnologien neigen dazu, die Ausgangsmaterialien der Komponenten während des Recyclingprozesses zu verlieren.“
Weitere Vorteile der reversibel vernetzten CFKs sind die schnelle Duroplastik, das selbstadhäsive Verhalten und die Reparatur von Mikrorissen in der Verbundmatrix.
In Zukunft könnte das Recycling von CFKs im geschlossenen Kreislauf die kohlenstoffarme Fertigung verändern, da zirkuläre Leichtbaumaterialien in saubere Energietechnologien integriert werden.
Die Forscher ließen sich von der Natur inspirieren, die dynamische Schnittstellen nutzt, um robuste Materialien zu schaffen. Perlmutt, das schillernde Perlmutt in den Schalen von Meeresmuscheln und anderen Weichtieren, ist außergewöhnlich widerstandsfähig: Es kann sich verformen, ohne zu brechen. Darüber hinaus haften Meeresmuscheln stark an Oberflächen, verbrauchen jedoch Energie, um sie bei Bedarf wieder freizusetzen.
Ziel der Forscher war es, die Grenzflächenchemie zwischen den Kohlenstofffasern und der Polymermatrix zu optimieren, um die Grenzflächenhaftung und die CFK-Zähigkeit zu verbessern. „Die Festigkeit unseres Verbundwerkstoffs ist fast doppelt so hoch wie die eines herkömmlichen Epoxidverbundwerkstoffs“, sagte Rahman. „Auch die übrigen mechanischen Eigenschaften sind sehr gut.“
Die Zugfestigkeit bzw. die Belastung, die ein Material beim Ziehen aushalten kann, war die höchste, die jemals unter vergleichbaren faserverstärkten Verbundwerkstoffen festgestellt wurde. Es betrug 731 Megapascal – stärker als Edelstahl und stärker als ein herkömmlicher CFK-Verbundwerkstoff auf Epoxidbasis für Automobile.
Beim ORNL-Material wies die dynamische kovalente Bindung zwischen der Faserschnittstelle und dem Polymer eine um 43 % größere Grenzflächenhaftung auf als bei Polymeren ohne dynamische Bindungen.
Die dynamischen kovalenten Bindungen ermöglichen ein Recycling im geschlossenen Kreislauf. Bei einem herkömmlichen Matrixmaterial lassen sich die Kohlenstofffasern nur schwer vom Polymer trennen. Die chemische Methode von ORNL, bei der Fasern an den funktionellen Stellen abgeschnitten werden, ermöglicht es, Fasern vom Polymer zur Wiederverwendung zu trennen.
Karunarathna Koralalage, Rahman und Saito modifizierten mit Unterstützung von Natasha Ghezawi, einer Doktorandin am Bredesen Center for Interdisciplinary Research and Graduate Education der University of Tennessee, Knoxville, ein Standardpolymer namens S-Bpin. Sie stellten ein Upcycling-Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Copolymer her, das Boronsäureestergruppen enthält, die sich kovalent mit einem Vernetzer und Fasern verbinden, um das robuste CFRP zu erzeugen.
Da CFRP ein komplexes Material ist, erforderte seine detaillierte Charakterisierung vielfältige Fachkenntnisse und Instrumente. Chris Bowland vom ORNL testete die Zugeigenschaften. Mit der Raman-Kartierung zeigte Guang Yang vom ORNL die Verteilung chemischer und struktureller Spezies. Catalin Gainaru und Sungjin Kim, beide ORNL, erfassten rheologische Daten und Alexei Sokolov, Vorsitzender des Gouverneurs der UT-ORNL, erläuterte sie.
Rasterelektronenmikroskopie von Bingrui Li von ORNL und UT ergab, dass Kohlenstofffasern nach dem Recycling ihre Qualität beibehielten. Vivek Chawla und Dayakar Penumadu, beide von UT, analysierten die interlaminare Scherfestigkeit. Mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestätigte Harry Meyer III vom ORNL, welche Moleküle an Faseroberflächen hafteten. Amit Naskar vom ORNL, ein renommierter Experte für Kohlefaser, überprüfte das Papier.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass der Grad der dynamischen Vernetzung wichtig ist. „Wir haben herausgefunden, dass eine 5-prozentige Vernetzung besser funktioniert als eine 50-prozentige“, sagte Rahman. „Wenn wir die Menge an Vernetzer erhöhen, beginnt das Polymer spröde zu werden. Das liegt daran, dass unser Vernetzer über drei handähnliche, sperrige Strukturen verfügt, die in der Lage sind, mehr Verbindungen herzustellen und die Flexibilität des Polymers zu verringern.“
Als nächstes möchte das Forschungsteam ähnliche Studien mit Glasfaserverbundwerkstoffen durchführen, die eine hohe Leistung aufrechterhalten und gleichzeitig die Kosten und den CO2-Fußabdruck von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Schifffahrt, Sport, Bauwesen und Technik senken. Sie hoffen auch, die Kosten der neuen Technologie zu senken, um die kommerziellen Aussichten für einen zukünftigen Lizenznehmer zu optimieren.
„Dieser Schritt wird weitere Anwendungen eröffnen, insbesondere für Windkraftanlagen, Elektrofahrzeuge, Luft- und Raumfahrtmaterialien und sogar Sportartikel“, sagte Rahman.
Mehr Informationen:
Md Anisur Rahman et al., Robuste und recycelbare Kohlefaser-Verbundwerkstoffe mit außergewöhnlicher Grenzflächenhaftung über eine maßgeschneiderte Vitrimer-Faser-Schnittstelle, Zellberichte Physikalische Wissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101695