Volledig recycleerbare koolstofnanobuisvezels hebben verstrekkende gevolgen voor de productie in alle sectoren

Onderzoekers van Rice University hebben een belangrijke stap gezet in de richting van het creëren van een duurzame en circulaire economie gepubliceerd een studie in het tijdschrift Koolstof wat aantoont dat vezels van koolstofnanobuisjes (CNT) volledig kunnen worden gerecycled zonder enig verlies aan structuur of eigenschappen. Deze ontdekking positioneert CNT-vezels als een duurzaam alternatief voor traditionele materialen zoals metalen, polymeren en de veel grotere koolstofvezels, die notoir moeilijk te recyclen zijn.

“Recycling is lange tijd een uitdaging geweest in de materiaalindustrie: het recyclen van metalen is vaak inefficiënt en energie-intensief, polymeren hebben de neiging hun eigenschappen te verliezen na herverwerking en koolstofvezels kunnen helemaal niet worden gerecycled, maar alleen worden gedowncycled door ze in korte stukjes te hakken,” zei corresponderende auteur Matteo Pasquali, directeur van Rice’s Carbon Hub en de AJ Hartsook hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering, materiaalkunde en nano-engineering en chemie.

“Terwijl CNT-vezels worden opgeschaald, vroegen we ons af of en hoe deze nieuwe materialen in de toekomst kunnen worden gerecycled om proactief afvalbeheerproblemen te vermijden die naar voren kwamen toen andere technische materialen op grote schaal werden gebruikt. We verwachtten dat recycling moeilijk zou zijn en zou leiden tot een aanzienlijk verlies aan eigenschappen. Verrassend genoeg ontdekten we dat koolstofnanobuisvezels het recycleerbaarheidspotentieel van bestaande technische materialen ruimschoots overtreffen en een oplossing bieden voor een groot milieuprobleem.’

Het onderzoeksteam gebruikte oplossingsgesponnen CNT-vezels die waren gemaakt door commerciële CNT’s van vezelkwaliteit op te lossen in chloorsulfonzuur, een veelgebruikt industrieel oplosmiddel. Omdat recycling aan het einde van de levensduur steevast materialen samenbrengt die door verschillende bedrijven in verschillende processen zijn vervaardigd, was het belangrijk om het effect van meerdere materiaalbronnen op het vezelproductieproces en de vezeleigenschappen te beoordelen.

Vezels gemaakt van verschillende soorten CNT’s geproduceerd door verschillende fabrikanten werden aanvankelijk verwerkt tot afzonderlijke nieuwe vezels uit één bron en vervolgens gerecycled door ze te combineren en te mengen met chloorsulfonzuur. Verrassend genoeg leidde het mengen van de twee vezels tot volledige heroplossing en geen teken van scheiding van de twee bronmaterialen in verschillende vloeibare fasen. Dit opnieuw opgeloste materiaal werd gesponnen tot een gerecyclede vezel uit een gemengde bron die dezelfde structuur en uitlijning behield als de nieuwe vezel.

“Door twee verschillende bronnen van koolstofnanobuisjes te gebruiken, hebben we ervoor gezorgd dat ons recyclingproces representatief was voor de omstandigheden in het echte leven”, zegt co-eerste auteur Michelle Durán-Chaves, een afgestudeerde student in de scheikunde. “Opmerkelijk is dat de gerecycleerde vezels gelijkwaardige mechanische sterkte, elektrische geleidbaarheid, thermische geleidbaarheid en uitlijning vertoonden, wat ongekend is op het gebied van technische materialen.”

Het onderzoek bracht verschillende belangrijke bevindingen aan het licht die CNT-vezels positioneren als een veelbelovend materiaal op weg naar duurzame praktijken. De belangrijkste hiervan is de volledige recycleerbaarheid van CNT-vezels. In tegenstelling tot traditionele materialen, met name polymeren en koolstofvezels die tijdens recycling in kwaliteit achteruitgaan, behouden CNT-vezels 100% van hun oorspronkelijke eigenschappen nadat ze zijn gerecycled.

“Dit behoud van kwaliteit betekent dat CNT-vezels kunnen worden gebruikt en hergebruikt in veeleisende toepassingen zonder de prestaties in gevaar te brengen, waardoor hun levenscyclus wordt verlengd en de behoefte aan nieuwe grondstoffen wordt verminderd”, zegt co-eerste auteur Ivan R. Siqueira, recent gepromoveerd in Rice’s Afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie, die nu universitair hoofddocent werktuigbouwkunde is aan de Pontifícia Universidade Católica in Rio de Janeiro.

Even belangrijk is de efficiëntie van het recyclingproces. De onderzoekers hebben aangetoond dat recycling van CNT-vezels aanzienlijk efficiënter is dan traditionele recyclingmethoden voor metalen en polymeren, die vaak een hoog energieverbruik, gevaarlijke chemicaliën of arbeidsintensieve sortering met zich meebrengen.

CNT-vezels kunnen echter worden gerecycled zonder te sorteren, omdat vezels uit verschillende bronnen kunnen worden gecombineerd om gerecyclede materialen van hoge kwaliteit te produceren. Zodra deze materialen op grote schaal worden gebruikt, zal dit eenvoudige recyclingproces het afval, het energieverbruik en de CO2-uitstoot die gepaard gaat met de productie van materialen aanzienlijk verminderen.

“Het vermogen om CNT-vezels volledig te recyclen heeft brede implicaties voor industrieën als de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector en de elektronica”, aldus Durán-Chaves. “We hopen dat dit de weg kan vrijmaken voor volledig recycleerbare composieten in vliegtuigen, voertuigen, civiele infrastructuur en meer, waardoor uiteindelijk de milieueffecten in een breed scala van sectoren kunnen worden verminderd.”

Andere co-auteurs van het artikel zijn onder meer Rice-alumni Oliver Dewey, nu van DexMat; Steven Williams; Cedric Ginestra, nu van LyondellBasell; Yingru Song, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Purdue University; Rice-alumnus Juan De La Garza, nu van Axiom Space; en Geoff Wehmeyer, assistent-professor werktuigbouwkunde.