Team verandert gepyrolyseerde as in grafeen voor het verbeteren van beton en andere verbindingen

Gepyrolyseerd plastic as is waardeloos, maar misschien niet lang.

Wetenschappers van Rice University hebben hun aandacht gericht op Joule-verwarming van het materiaal, een bijproduct van plastic recyclingprocessen. Een sterke schok van energie laat het in grafeen flitsen.

De techniek van het laboratorium van Rice-chemicus James Tour produceert turbostratische grafeenvlokken die direct kunnen worden toegevoegd aan andere stoffen zoals films van polyvinylalcohol (PVA) die beter bestand zijn tegen water in verpakkingen en cementpasta en beton, waardoor hun druksterkte drastisch toeneemt.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Koolstof.

Net als het flash-grafeenproces dat het laboratorium in 2019 introduceerde, verandert gepyrolyseerde as in turbostratisch grafeen. Dat heeft een zwakkere, aantrekkelijke wisselwerking tussen de vlokken, waardoor ze gemakkelijker tot oplossingen kunnen worden gemengd.

Afgelopen oktober rapporteerde het Tourlab over een proces om afvalplastic om te zetten in grafeen. Het nieuwe proces is nog specifieker en verandert plastic dat niet door recycling wordt teruggewonnen in een bruikbaar product.

“Dit werk verbetert de circulaire economie voor kunststoffen”, zei Tour. “Zoveel plastic afval wordt onderhevig aan pyrolyse in een poging het weer om te zetten in monomeren en oliën. De monomeren worden gebruikt bij herpolymerisatie om nieuwe plastics te maken, en de oliën worden gebruikt in tal van andere toepassingen. Maar er blijft altijd een restant over. 10% tot 20% as die waardeloos is en over het algemeen naar stortplaatsen wordt gestuurd.

“Nu kunnen we die as omzetten in flitsgrafeen dat kan worden gebruikt om de sterkte van andere kunststoffen en constructiematerialen te vergroten”, zei hij.

Pyrolyse omvat het verhitten van een materiaal om het af te breken zonder het te verbranden. De producten van gepyrolyseerd, gerecycled plastic zijn onder andere energierijke gassen, stookolie, wassen, nafta en virgin monomeren waaruit nieuw plastic kan worden gemaakt.

Maar de rest – naar schatting 50.000 ton in de Verenigde Staten per jaar – wordt weggegooid.

“Recyclers maken geen grote winsten vanwege de lage olieprijzen, dus slechts ongeveer 15% van al het plastic wordt gerecycled”, zegt Kevin Wyss, de hoofdauteur van het onderzoek, afgestudeerd aan Rice. “Ik wilde beide problemen bestrijden.”

De onderzoekers voerden een paar experimenten uit om de geflitste as te testen, door eerst het resulterende grafeen te mengen met PVA, een biocompatibel polymeer dat wordt onderzocht voor medische toepassingen, brandstofcelpolymeerelektrolytmembranen en milieuvriendelijke verpakkingen. Het wordt tegengehouden door de slechte mechanische eigenschappen van het basismateriaal en de kwetsbaarheid voor water.

Door slechts 0,1% grafeen toe te voegen, neemt de hoeveelheid spanning die het PVA-composiet kan aan voordat het faalt tot 30% toe, meldden ze. Het verbetert ook aanzienlijk de weerstand van het materiaal tegen waterdoorlatendheid.

In het tweede experiment zagen ze een significante toename van de druksterkte door grafeen uit as toe te voegen aan portlandcement en beton. Sterker beton betekent dat er minder beton gebruikt hoeft te worden in constructies en wegen. Dat beperkt het energieverbruik en vermindert de vervuiling bij de productie ervan.