فراپلیمر شریف

تکنیک جدید تولید همچنین اقتصاد برای خودروهای الکتریکی بازار انبوه را بهبود می‌بخشد.

لیف کربنی ده برابر قوی‌تر از فولاد، تقریباً نصف وزن آلومینیوم و بسیار سفت‌تر از فایبرگلاس، دارای مجموعه‌ای از مزایا است در حالی که آن را یک ماده ایده‌آل برای استفاده در سدان‌های لوکس (به خودروهای سواری معمولی یا اصطلاحاً صندوق دار می‌گویند که دارای سقف ثابت، صندوق عقب مجزا و دو ردیف صندلی بوده و می‌تواند دو یا چهار در داشته باشد. سدان متداول‌ترین شکل طراحی بدنه خودرو است.) و اتومبیل‌های مسابقه فرمول 1 می‌سازد. به گفته Nicholas Rorrer، دانشمند آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL)، اما هنوز هم برای اقتصادی شدن برای وسایل نقلیه بازار انبوه به تکامل نیاز دارد. او توضیح داد: لیف کربنی گران است. همچنین ساخت آن انرژی‌بر است، بنابراین کاملاً دوست‌دار گازهای گل‌خانه‌ای (GHG) نیست. در حالی که لیف کربنی را به راحتی قابل بازیافت می‌سازد، می‌تواند در هر دو این زمینه‌ها کمک کند.

فرآیند بازیافت در دمای اتاق آغاز شد

به لطف پیشرفت‌های اخیر در طراحی مواد زیستی، بازیافت لیف کربنی در مقیاس صنعتی می‌تواند از قبل مهیا باشد. از طریق پروژه‌ای که توسط دفتر فناوری‌های خودرو دانشکده انرژی ایالات متحده پشتیبانی می‌شود، تحت Composites Core Program، Rorrer و سایر محققان NREL نشان داده‌اند که ساخت کامپوزیت‌های لیف کربنی با اپوکسی‌های پایه زیستی و سخت‌کننده‌های انیدریدی باعث می‌شود که مواد کاملاً قابل بازیافت باشند از طریق ایجاد پیوندهایی که راحت‌تر تخریب می‌شوند. در واقع، فرآیند بازیافت – به نام متانولیز – می‌تواند به طور انتخابی در دمای اتاق بدون کاهش کیفیت یا آرایش‌یافتگی الیاف آغاز شود. این می‌تواند نشان‌دهنده گامی قوی به سمت یک ماده مدور (circular material) باشد که می‌تواند لیف کربنی را هنگام که در سرتاسر زندگی‌های چندباره استفاده می‌شود، ارزان‌تر و سبزتر کند.

مزایای لیف کربنی در عین حال قوی و سبک‌وزن، ناشی از طراحی لایه‌ای آن است. این یک ماده مرکب از رشته‌های بلند کربن خالص و یک پوشش اپوکسی چسب مانند است که به عنوان ترموست شناخته می‌شود. هنگام پخت، مولکول‌ها در رزین مایع به یکدیگر و اطراف رشته‌های کربنی تابیده شده متصل می‌شوند در حالی که به شبکه‌ای قوی و صلب تبدیل می‌شوند.

اما، ماهیت ترموست اپوکسی پخته شده باعث می‌شود تا این محصولات عالی به سختی از هم جدا شوند، به خصوص بدون آسیب جدی به رشته‌های کربن. محصولات ساخته شده از لیف کربنی – علی‌رغم قیمت ممتازشان – اغلب در پایان عمر خود به همراه هر مزایای کارایی که ممکن است به دست آورده باشند به محل دفن زباله می‌روند.

در واقع، اگرچه لیف کربنی می‌تواند وزن یک خودروی سواری معمولی را به نصف کاهش دهد – بازده سوخت را تا به میزان 35% افزایش می‌دهد – هر گونه مزایای بهره‌وری به طور مؤثر با انرژی پر مصرف GHG که برای تولید آن استفاده می شود، جبران می‌شود. سنتز لیف کربنی شامل دمای بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد است.

این واقعیت Rorrer را به فکر فرو برد: “آیا راهی برای استفاده مجدد از لیف کربنی در طول عمر ماده چند منظوره به منظور بازیابی آن لیف و کسب ارزش و مزایای زیست محیطی بیش‌تر وجود دارد؟”

آزمایش با زیست توده

Rorrer و هم تیمی‌ها شروع به آزمایش با این شیمی زیست توده کردند تا بفهمند که آیا می‌تواند یک اپوکسی جدید که برای قابلیت بازیافت طراحی می‌شود را تهیه کند. در مقایسه با هیدروکربن‌‌های نفتی، زیست‌توده حاوی مقادیر بالاتری از اکسیژن و نیتروژن است که مجموعه متفاوتی از امکانات شیمیایی را ارائه می‌دهد.

Rorrer توضیح داد: «ما اساساً رزین‌های آمین اپوکسی – گرماسخت‌های امروزی در لیف کربنی – را با اپوکسی و انیدریدهای سنتز شده از زیست توده، عمدتاً از تبدیل بیولوژیکی و شیمیایی قندها، دوباره طراحی کردیم. ما نشان داده‌ایم که این رزین فرموله‌شده می‌تواند تمام خواص مشابه در رزین‌های آمین اپوکسی امروزی را حفظ کند و/یا از آن فراتر رود، اما همچنین آن‌ها را با طراحی و در دمای اتاق قابل بازیافت می‌کند.»

با استفاده از یک کاتالیزور ویژه، تیم NREL به تجزیه رزین زیستی را در دمای اتاق قادر بود، فرآیندی که به نام “depolymerization” شناخته می‌شود. این به آن‌ها اجازه داد تا رشته‌های کربن را بازیابی کنند در حالی که کیفیت و تراز آن‌ها را حفظ کنند.

بدون دخالت  downcycling

Rorrer گفت: «ما در واقع می‌توانیم کیفیت الیاف را در حداقل سه عمر مواد حفظ کنیم. “بنابراین ما نه تنها می‌توانیم آن را بازیافت کنیم، بلکه می‌توانیم آن را بدون هیچ آسیبی به خواص بازیافت کنیم. ما به هیچ وجه مواد را کاهش نمی‌دهیم.”

همراه با تحقیقات NREL در مورد اکریلونیتریل ارزان قیمت و پایه زیستی به عنوان پیش‌ساز لیف کربنی که جایزه R&D 100 را در سال 2018 به دست آورد، پیشرفت در اپوکسی می‌تواند کمک زیادی به مقرون به صرفه‌تر کردن کامپوزیت‌های لیف کربنی و سازگار با محیط زیست کند.

توانایی استخراج و بازیافت لیف کربنی می‌تواند این ماده را برای خودروهای الکتریکی انبوه اقتصادی‌تر کند در حالی که وزن و فضا را برای باتری‌ها آزاد کند. همچنین ردپای GHG این ماده را حدود 20 تا 40 درصد کاهش می‌دهد. بهتر از آن، می‌تواند بدون افزایش هزینه‌های ساخت به همه این‌ها دست یابد زیرا Rorrer تخمین ‌زد که اپوکسی NREL می‌تواند برای حدود همان قیمت مانند رزین‌های اپوکسی آمین مبتنی بر نفت امروزی تولید شود.

Rorrer افزود: با استفاده از مواد اولیه زیستی به جای مواد اولیه پتروشیمی، ما مجبور نیستیم از انرژی اضافی برای بازسازی چشم‌گیر مواد شیمیایی آن‌ها استفاده کنیم. این به ما امکان می‌دهد مواد پیشرفته را با عمل‌کرد و مزایای زیست‌محیطی دقیق‌تر، ارزان‌تر و موثرتر طراحی کنیم.

لینک خبر:

https://www.plasticstoday.com/automotive-and-mobility/plant-based-epoxy-enables-recyclable-carbon-fiber