Onderzoekers gebruiken koolstofnanobuisderivaten om recycleerbare kunststoffen te versterken

Het verminderen van de milieu-impact veroorzaakt door kunststoffen kan worden aangepakt via verschillende strategieën, zoals de productie van duurzamere kunststoffen of recycling. Over het algemeen zijn er twee hoofdsoorten kunststoffen. De eerste zijn thermoplastische materialen, die kunnen worden gesmolten en gevormd om andere voorwerpen te vormen, hoewel hun mechanische eigenschappen verzwakken als ze meerdere keren worden gesmolten. En de tweede, thermoharders, smelt niet bij hoge temperaturen, omdat de ketens van de polymeren waaruit ze bestaan, met elkaar verweven zijn door chemische bindingen.

Thermohardende kunststoffen hebben gunstige eigenschappen ten opzichte van thermoplastische kunststoffen. Ze hebben doorgaans een hogere weerstand tegen schokken en mechanische spanning, hoewel ze ook brosser zijn. Epoxyhars, siliconen of melamine zijn voorbeelden van thermohardende kunststoffen die vaak in de bouw worden gebruikt.

Om deze kunststoffen sterker te maken, voegen ingenieurs versterkingsmaterialen zoals koolstofvezels toe. Ze worden al gebruikt voor de vervaardiging van voorwerpen zoals motorhelmen of sportuitrusting, die zeer duurzaam zijn, ook al kunnen ze niet gemakkelijk worden gerecycled.

Bij IMDEA Nanociencia onderzoekt de groep Chemistry of Low-Dimensional Materials, geleid door Emilio Pérez, een strategie om recycleerbare kunststoffen te versterken in samenwerking met het bedrijf Nanocore. Het onderzochte plastic is een ‘covalent aanpasbaar netwerk’, waarvan de moleculaire structuur vergelijkbaar is met die van een thermohardend plastic, maar met de bijzonderheid dat het covalente – sterke – bindingen bevat, maar tegelijkertijd omkeerbaar is tussen polymeerketens.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde functionele materialen.

Concreet werken ze met imines, waarvan de bindingen dynamisch zijn: ze kunnen worden verbroken door water of temperatuur en opnieuw worden gerangschikt. De nieuwigheid van het onderzoek ligt in het gebruik van een derivaat van koolstofnanobuisjes die een ringmolecuul om zich heen hebben: mechanisch vergrendelde koolstofnanobuisjes MINTs. De ringmoleculen zijn mechanisch aan het koolstofnanobuisje bevestigd, niet chemisch, dus de binding tussen de twee is erg sterk, maar maakt tegelijkertijd een bepaalde beweging van het molecuul langs het nanobuisje mogelijk.

De onderzoekers voorzagen de ring van twee ankerpunten (twee aminen) zodat deze zich covalent binden met de polymeren. Op deze manier wordt het nanobuisje een structureel onderdeel van het polymeernetwerk.

Koolstofnanobuisjes zijn in wezen een vel grafeen dat op zichzelf is opgerold. Om een ​​nanobuisje met andere moleculen te verbinden, is het mogelijk om dit rechtstreeks te doen door middel van covalente bindingen die de buis een beetje breken, defecten toevoegen en deze verzwakken.

De door de onderzoekers gevolgde strategie maakt gebruik van de mechanische binding – een ringmolecuul rond de nanobuis – om de nanobuisjes in het polymeerrooster te integreren, waarbij al hun eigenschappen behouden blijven en de belastingoverdracht van de matrix naar de wapening wordt gemaximaliseerd. Met andere woorden: het kan niet beter.

Het concept is eenvoudig: door het nanobuisje te omringen met een ring wordt de agglomeratie van deze vezels, waardoor de versterking minder effectief wordt, voorkomen. Bovendien zijn er polymeerinteractieplaatsen in de ring aangebracht, wat de spanningsoverdracht verbetert. Door slechts 1% nanobuisjes per gewicht aan het polymeermengsel toe te voegen, wordt een verbetering van 77% in Young’s modulus en een verbetering van 100% in treksterkte bereikt. Opmerkelijk is dat de mechanische eigenschappen van dit versterkte plastic intact blijven nadat het tot vier keer is omgesmolten en gerecycled.

In de techniek geeft de wet van mengsels aan dat de eigenschappen van een verbinding het mengsel zijn van de eigenschappen van de oorspronkelijke materialen, afhankelijk van hun verhoudingen. De studie onder leiding van de onderzoekers uit Madrid bevestigt dat dit alleen het geval is als er een efficiënte overdracht van mechanische spanning tussen beide verbindingen plaatsvindt, op nanoscopisch niveau.

In hun werk hebben de onderzoekers maximale efficiëntie bereikt bij het overbrengen van mechanische spanning van het polymeer naar nanobuisjes, het sterkste materiaal. Nanobuisjes hebben een Young-modulus van 1TPa, vijf keer harder dan staal, omdat het een veel lichter materiaal is.

Het toevoegen van meer nanobuisjes aan het plastic maakt het niet sterker, omdat de nanobuisjes beginnen te agglomereren en hun efficiëntie verliezen. De sleutel tot succes ligt in de covalente binding tussen de nanobuisjes en het polymeer.

Het is een droom om kunststoffen te produceren die bijna net zo sterk zijn als koolstofvezels en die kunnen worden omgesmolten en gerecycled. Een voor en na, die een stevige bijdrage kunnen leveren aan een nieuw, groener en duurzamer scenario.

Pérez legt uit: “Het produceren van lichtere constructies, zoals auto’s, vliegtuigen, enz., zou een aanzienlijke brandstofbesparing opleveren.” Productie met minder materiaal en het garanderen van recycleerbaarheid tekenen een veelbelovende horizon.