Kompozit malzeme, bir borlanmış SEBS kopolimerine dayanır ve 731 MPa’lik bir çekme dayanımı sağlar.
Enerji Bakanlığı’na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı‘ndaki bilim insanları, son derece dayanıklı bir karbon fiber takviyeli polimerin (CFRP) sentezlenmesi için kapalı bir döngü yolu tasarladılar ve daha sonra tüm başlangıç malzemelerini geri kazanmayı başardılar.
CFRP, otomobillerin, uçakların ve uzay araçlarının ağırlığını azaltma ve yakıt verimliliğini artırma konusunda faydalıdır. Ancak geleneksel CFRP’lerin geri dönüştürülmesi zordur. Çoğu tek kullanımlık malzeme olduğundan, karbon ayak izleri önemli ölçüde artmaktadır. Buna karşılık, ORNL’nin Cell Reports Physical Science’de yayımlanan kapalı döngü teknolojisi, bu büyük zorluğun üstesinden gelmeyi hızlandırıyor.
Dinamik Çapraz Bağlama
“Commodity bir polimerin içine dinamik çapraz bağlamayı entegre ettik ve ardından onu termoset malzemeler gibi yapmak için bir çapraz bağlayıcı ekledik,” dedi ORNL kimyageri ve mucidi Md Anisur Rahman. “Dinamik çapraz bağlama, kimyasal bağları kırabilmemize ve karbon fiber kompozit malzemeleri yeniden işleme veya geri dönüşüme tabi tutmamıza olanak tanır.”
Bilim insanları, dinamik çapraz bağlamanın derecesinin önemli olduğunu buldular. ” %5’lik bir çapraz bağlamanın, %50’den daha iyi çalıştığını bulduk,” diyor Rahman. “Çapraz bağlayıcı miktarını artırırsak, polimeri kırılgan hale getirmeye başlar. Bu, çapraz bağlayıcımızın üç el benzeri iri yapıya sahip olmasından kaynaklanır, bu da daha fazla bağlantı yapabilir ve polimerin esnekliğini azaltabilir.”
Geleneksel bir termoset malzeme kalıcı olarak çapraz bağlıdır. Bir kere sentezlendikten, iyileştiğinden, şekillendirildiğinden ve bir forma yerleştirildikten sonra tekrar işlenemez. Öte yandan, ORNL’nin sistemi, polimer matrisine ve gömülü karbon fiberlere dinamik kimyasal gruplar ekler. Polimer matrisi ve karbon fiberleri, dayanıklılık ve sertlik gibi mekanik özelliklerde kayıp olmadan birden çok işleme döngüsünden geçebilir.
Rahman, ORNL kimyageri Tomonori Saito ile birlikte çalışmayı yönetti. Saito, 2023’te Battelle tarafından ORNL Yılın Mucidi olarak onurlandırıldı. Rahman ve ORNL doktora sonrası araştırmacı Menisha Karunarathna Koralalage çoğu deneyi gerçekleştirdi. Üçlü, bu yenilik için bir patent başvurusu yapmıştır.
Alkol, Malzemenin Mileşenlerini Serbest Bırakır
Geleneksel polimerler, termoset epoksitler gibi, genellikle metal, karbon, beton, cam, seramik ve plastik gibi malzemeleri kalıcı olarak birleştirmek için kullanılır ve kompozitler gibi çoklu bileşenli malzemeler oluştururlar. Ancak, ORNL malzemesinde, polimer, karbon fiber ve çapraz bağlayıcı, bir kere termoset olduktan sonra bu başlangıç malzemelerine geri döndürülebilir. Malzemenin bileşenleri, çapraz bağlayıcının kovalent bağlarını pinacol adlı özel bir alkolün çapraz bağlayıcının yerine geçtiği durumlarda geri dönüşüme kazandırılabilir.
Laboratuvar ölçeğinde kapalı döngü geri dönüşümü, başlangıç malzemelerinde herhangi bir kayba neden olmaz. “Kompozitleri geri dönüştürdüğümüzde, başlangıç malzemelerinin yüzde 100’ünü geri kazanıyoruz – çapraz bağlayıcı, polimer, fiber,” diyor Rahman. “İşte çalışmamızın önemi,” diyor Saito. “Diğer kompozit geri dönüşüm teknolojileri, geri dönüşüm sürecinde genellikle bileşen başlangıç malzemelerini kaybetmeye eğilimlidir.” Reversibl çapraz bağlı CFRP’lerin diğer avantajları arasında hızlı termosetleme, kendiliğinden yapışkan davranış ve kompozit matrisindeki mikroçatlakların onarımı bulunmaktadır.
