Dr. Qingsheng Wang, außerordentlicher Professor und George Armistead ’23 Faculty Fellow am Artie McFerrin Department of Chemical Engineering an der Texas A&M University, und sein Forscherteam haben über drei Jahre damit verbracht, effizientere Wege zur Herstellung von metallorganischen Gerüsten (MOF) zu finden. -basierte Verbundwerkstoffe für industrielle Anwendungen wie Flammschutzmittel.
MOFs sind eine Klasse kristalliner Materialien mit permanenter Porosität und breiten Anwendungen, einschließlich Gasreinigung, Gastrennung, Wasseraufbereitung, Katalyse und Arzneimittelabgabe. Allerdings ist eine Prozessverbesserung erforderlich, um MOFs mit einer höheren Kapazität in der Industrie herzustellen, da die Verwendung und Anwendungen von Verbundwerkstoffen auf MOF-Basis zunehmen.
„Die Herstellung von MOFs erfordert ein tiefes Verständnis der Verfahrenstechnik und strenge Bedingungen, und selbst damit kann nur eine kleine Menge auf einmal hergestellt werden“, sagte Wang. „Viele Änderungen sind erforderlich, um den Prozess zu verbessern, wenn wir MOFs in Massenproduktion herstellen wollen.“
Wangs Gruppe hat vier Studien in veröffentlicht ACS-Veröffentlichungen hinsichtlich ihrer Entdeckungen zur MOF-Stabilität, zu MOF-Entwicklungsprozessen, zur Herstellung von Verbundwerkstoffen auf MOF-Basis und zu ihren Anwendungen in der Flammhemmung.
Gegenwärtig werden die meisten MOF-Polymer-Verbundstoffe nach einem diskreten Bottom-up-Prinzip hergestellt, das komplexe chemische Reaktionen erfordert, die mit verschiedenen Polymeren in Lösungen gemischt werden. Dieser mehrstufige Prozess erfordert viel Zeit, Energie und Geld, um minimale Mengen herzustellen.
Durch die Kombination von Teilen des MOF-Entwicklungsprozesses hat Wangs Team ein einstufiges Verfahren unter Verwendung von Reaktionsextrusion entdeckt, um MOF-basierte Verbundwerkstoffe in größerem Maßstab sicher und effektiv herzustellen. Zusammen mit den Heizbedingungen, aufgebrachten Scher- und Druckkräften können MOFs die erforderlichen Reaktionsbedingungen für die mechanochemische Synthese erfüllen.
Darüber hinaus liefern die Ergebnisse neue Einblicke in die Entwicklung von Polymersystemen auf MOF-Basis für Polyolefine, die Reduzierung ihrer Rauchemissionen und die Verbesserung der Flammhemmung während der Verbrennung. Das Verfahren verbesserte auch die Sicherheit und Effizienz, indem es die thermische Stabilität und die mechanischen Eigenschaften des MOF verbesserte und gleichzeitig seine Entflammbarkeit verringerte.
Diese Arbeit wurde kürzlich in veröffentlicht ACS Nachhaltige Chemie & Technik.
„Wenn wir die reaktive Extrusionsherstellung verwenden, können wir das Ausgangsmaterial in Kombination mit einem Polymer zur Herstellung von MOFs nehmen und es direkt mit Kunststoffen mischen, indem wir mehrere Reaktionsschritte in herkömmlichen hydrothermalen Verfahren vernachlässigen“, sagte Wang. „Mit diesem Verfahren können wir jeden Tag im Kilogramm-Maßstab arbeiten, verglichen mit der traditionellen Methode, die normalerweise nur im Gramm-Maßstab produzieren kann.“
Sie hoffen, dass diese Methode in der Industrie eingesetzt wird, um Nachhaltigkeitsbemühungen, Prozessverbesserungen und Prozesssicherheit voranzutreiben.
In ihrer Studie veröffentlicht in Industrielle und technische Chemieforschung, zeigte Wang die Verwendung von MOF als Flammschutzmittel. Ein im Handel erhältliches MOF wurde in ein intumeszierendes Flammschutzmittel/Polypropylen (IFR/PP)-Verbundsystem eingebaut. Die Ergebnisse zeigen, dass die Additive untereinander einen starken synergistischen Effekt zur Verbesserung der Bildung und Stabilität der intumeszierenden Kohleschicht aufweisen, um das intensive Verbrennen von PP zu verhindern.
Diese Ergebnisse könnten IFR-Systeme für Polyolefine verbessern und ihre Rauchemissionen während der Verbrennung reduzieren. In Anbetracht der Tatsache, dass alle Rohstoffe im Handel erhältlich sind und die Herstellungsmethode mit aktuellen industriellen Prozessen kompatibel ist, kann die in dieser Studie vorgestellte Methodik für industrielle Anwendungen erweitert werden.
„Wir können MOFs auf so viele Arten nutzen – von der Wasseraufbereitung bis zur Kohlenstoffabscheidung“, sagte Wang. „Ich würde diesen Prozess gerne weiter verbessern, damit die Industrie MOFs in größerem Umfang in verschiedenen nützlichen Anwendungen einsetzen kann.“
Yufeng Quan et al, Sustainable and Efficient Manufacturing of Metal-Organic Framework-Based Polymer Nanocomposites by Reactive Extrusion, ACS Nachhaltige Chemie & Technik (2022). DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c01720
Ruiqing Shen et al, Metal-Organic Framework as an Efficient Synergist for Intumescent Flame Retardants against Highly Flammable Polypropylene, Industrielle und technische Chemieforschung (2022). DOI: 10.1021/acs.iecr.2c00715