تهیه لیف کربنیِ قابل بازیافت از اپوکسی گیاهی
لیف کربنی ده برابر قوی‌تر از فولاد، تقریباً نصف وزن آلومینیوم و بسیار سفت‌تر از فایبرگلاس، دارای مجموعه‌ای از مزایا است درحالی‌که آن را یک ماده ایده‌آل برای استفاده در سدان‌های لوکس و اتومبیل‌های مسابقه فرمول 1 می‌سازد. به گفته Nicholas Rorrer، دانشمند آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدید پذیر (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. درحالی‌که لیف کربنی را به‌راحتی 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 ایالات‌متحده 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. درواقع، فرآیند بازیافت - به نام متانولیز - می‌تواند به‌طور انتخابی در دمای اتاق بدون کاهش کیفیت یا آرایش یافتگی 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 درعین‌حال قوی و سبک‌وزن، ناشی از طراحی لایه‌ای آن است. این‌یک ماده مرکب از رشته‌های بلند کربن خالص و یک پوشش اپوکسی چسب مانند است که به‌عنوان ترموست شناخته می‌شود. هنگام پخت، مولکول‌ها در رزین مایع به یکدیگر و اطراف رشته‌های کربنی تابیده‌شده متصل می‌شوند درحالی‌که به شبکه‌ای قوی و صلب تبدیل می‌شوند.
اما، ماهیت ترموست اپوکسی پخته‌شده باعث می‌شود تا این محصولات عالی به‌سختی از هم جدا شوند، به‌خصوص بدون آسیب جدی به رشته‌های کربن. محصولات ساخته‌شده 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.
درواقع، اگرچه لیف کربنی می‌تواند وزن یک خودروی سواری معمولی را به نصف کاهش دهد - بازده سوخت را تا به میزان 35% افزایش می‌دهد - هرگونه مزایای بهره‌وری به‌طور مؤثر باانرژی پرمصرف GHG که برای تولید آن استفاده می‌شود، جبران می‌شود. سنتز لیف کربنی شامل دمای بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد است.
این واقعیت Rorrer را به فکر فروبرد: "آیا راهی برای استفاده مجدد از لیف کربنی در طول عمر ماده چندمنظوره به‌منظور بازیابی آن لیف و کسب ارزش و مزایای زیست‌محیطی بیش‌تر وجود دارد؟"
آزمایش با زیست‌توده
Rorrer و هم‌گروهی‌ها شروع به آزمایش با این شیمی زیست‌توده 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 زیست‌توده، عمدتاً از تبدیل بیولوژیکی و شیمیایی قندها، دوباره طراحی کردیم. ما نشان داده‌ایم که این رزین فرموله شده 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 درحالی‌که کیفیت و تراز آن‌ها را حفظ کنند.
بدون دخالت downcycling
Rorrer گفت: «ما درواقع می‌توانیم کیفیت الیاف را در حداقل سه عمر مواد حفظ کنیم. "بنابراین ما نه‌تنها می‌توانیم آن را بازیافت کنیم، بلکه می‌توانیم آن را بدون هیچ آسیبی به خواص بازیافت کنیم. ما به‌هیچ‌وجه مواد را کاهش نمی‌دهیم."
همراه با تحقیقات NREL در مورد اکریلونیتریل ارزان‌قیمت و پایه زیستی به‌عنوان پیش ساز لیف کربنی که جایزه R&D 100 را در سال 2018 به دست آورد، پیشرفت در اپوکسی می‌تواند کمک زیادی به مقرون به‌صرفه‌تر کردن کامپوزیت‌های لیف کربنی و سازگار با محیط‌زیست کند.
توانایی استخراج و بازیافت لیف کربنی می‌تواند این ماده را برای خودروهای الکتریکی انبوه اقتصادی‌تر کند درحالی‌که 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 به‌جای 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 مؤثرتر طراحی کنیم.
لینک خبر
https://www.plasticstoday.com/automotive-and-mobility/plant-based-epoxy-enables-recyclable-carbon-fiber