پلیمر اپوکسی یکی از مهمترین مواد در علم نوین مواد است که با پیوند ترکیبات مختلف، کامپوزیتهایی با ویژگیهای برتر از اجزای اولیه میسازد. بااینحال، پس از عملآوری اپوکسیهای رایج، پیوند تشکیلشده تقریباً دائمی است که جداسازی مواد تشکیلدهنده برای بازیافت را فوقالعاده دشوار میکند.
اکنون، پژوهشگران آزمایشگاههای فدرال سوئیس برای علوم و فناوری مواد (امپا) با همکاری شرکت مواد شیمیایی تخصصی الانتاس، کامپوزیتی مبتنی بر اپوکسی ابداع کردهاند که مشکل را برطرف میکند. فناوری کلیدی این دستاورد، یک افزودنی حاوی فسفر توسعهیافته در امپا است که در طول تولید با اپوکسی مخلوط میشود. این افزودنی علاوهبر خاصیت کندکنندگی شعله، به مادهی تثبیتشده امکان میدهد تحت شرایط مناسب نرم یا ازهمگسسته شود.
کاربردهای مهندسی مدرن معمولاً به مجموعهای از ویژگیها نیاز دارند که یک ماده به تنهایی قادر به تأمین آنها نیست؛ صنعت هواپیمایی نمونهای بارز از این دست است. مواد بهکاررفته در ساخت هواپیما باید برای کاهش مصرف سوخت به اندازهی کافی سبک، برای تحمل بارها مقاوم و سخت، برای سالها خدمت بادوام و بهویژه در داخل کابین مسافران، مطابق با استانداردهای سختگیرانهی ایمنی در برابر آتش باشند.
بهگزارش نیواطلس، سابیاساچی گان، پژوهشگر آزمایشگاه الیاف پیشرفته در امپا، میگوید جمعآوری تمام ویژگیها در یک ماده چالشبرانگیز است؛ برای مثال، فرایند ساخت مادهای ضدحریق همیشه سایر خواص آن را دستخوش تغییر میکند.
کامپوزیتهای اپوکسی تقویتشده با الیاف در ساخت خودرو، قطار، شناورها و توربینهای بادی نیز به کار میروند
مهندسان برای ایجاد توازن، اغلب از کامپوزیتهای ساندویچی استفاده میکنند. پژوهشگران در پروژه روی مادهای مشخص تمرکز کردند که در بخشهای داخلی هواپیما و قطار، از جمله کفپوش کابین مسافران استفاده میشود. در مرکز این ساختار، یک لایهی لانهزنبوری سبک از جنس آرامید (خانوادهای از پلیمرهای مقاوم در برابر حرارت) قرار دارد. چند لایه بافتهشده از فیبر شیشه یا کربن در بالا و پایین این هسته قرار میگیرند و رزین اپوکسی با نفوذ در لایهها، ساختار را به سازهای محکم و سبک تبدیل میکند.
نقش اپوکسی به عنوان چسباننده فوقالعاده است؛ اما این ویژگی هنگام بازیافت در پایان عمر قطعه، به مشکل تبدیل میشود. اپوکسی یک ترموست (گرماسخت) است. در طول فرآیند عملآوری، واکنشهای شیمیایی، شبکهای مولکولی و دائمی با اتصالات متقاطع و محکم ایجاد میکنند که منشأ استحکام مکانیکی، مقاومت حرارتی و پایداری ابعادی رزین اپوکسی است. اما این ساختار مانع از تفکیک کامپوزیت و استخراج مواد تشکیلدهندهی آن میشود. ترموستها برخلاف ترموپلاستیکها که در مواجهه با گرما جاری میشوند، با افزایش دما ساختار خود را حفظ میکند و در نهایت تخریب میشوند.
در نتیجه، فیبرهای ارزشمند کربن یا شیشه و هستههای گرانقیمت آرامید پس از پایان عمر قطعه، درون ماتریس اپوکسی محبوس میمانند و کامپوزیتها معمولاً سوزانده یا دفن میشوند.
اما فناوری تازه این بازگشتناپذیری را تغییر میدهد. شیمی اپوکسی امپا با استفاده از مولکولهای فعال حاوی فسفر، پیوندهای پویا را وارد ترموست میکند. پژوهشگران تیم در پژوهشهای قبلی، یک ترکیب بیس ایچ-فسفونات فعال را پیش از عملآوری به اپوکسی اضافه کردند که شبکهای حاوی پیوندهای فسفر-کربن و فسفر-اکسیژن تولید کرد. این شبکه تحت شرایط دما و پردازش مناسب، در بخشهایی از ساختار خود دچار واکنشهای تبادل پیوند میشود و به جای ماندن در پیکربندی دائمی، امکان تغییر چیدمان پیدا میکند.
ویژگی مذکور امکان نرم شدن و شکلدهی مجدد اپوکسی تثبیتشده را از طریق بازیافت ترمومکانیکی فراهم میکند. آزمایشهای اولیه نشان میدهد فرمولاسیون با فسفر کافی میتواند پس از عملآوری، دوباره پردازش شود. دانشمندان در پروژهی جدید با همکاری الانتاس، این فرایند را برای تفکیک یک کامپوزیت ساندویچی کامل صنعتی به کار گرفتند. تیم با استفاده از حرارت و حلال مناسب توانست سیستم اپوکسی را به اندازهای تجزیه کند که ساختار ساندویچی به اجزای جداگانه تفکیک و هستهی لانهزنبوری آرامید و الیاف تقویتکنندهی بافتهشده، بازآوری شوند.
- 17 مهر 04مطالعه '2
دستاورد اصلی پروژه، آزادسازی مواد ارزشمندی است که پیشتر درون ماتریس اپوکسی محبوس شده بودند. با وجود اینکه رزین اپوکسی هنوز چرخهی بازیافت را کامل نکرده، تیم پژوهشی اعلام کرده که بازیافت رزین از محلول حاصل نیز امکانپذیر است و قصد دارد این فرآیند را در پژوهشهای آینده اجرا کند.
علاوهبراین، عنصر فسفر روشی مؤثر برای ایجاد خاصیت کندکنندگی شعله است. در آزمونهای مخروطیشکل، فرمولاسیونی حاوی ۲٫۵ درصد فسفر، نرخ اوج آزادسازی گرما را تا ۷۵ درصد و تولید دود را تا ۷۲٫۵ درصد در مقایسه با ترموست مرجع کاهش داد.
به گفتهی امپا، کامپوزیت جدیدی که با همکاری الانتاس ابداع شده، علاوهبر انطباق با استانداردهای ایمنی در برابر آتش، ویژگیهای مکانیکی همسطح با مواد پایه اپوکسی متداول را حفظ کرده است. از آنجایی که تولید فیبر کربن فرایندی پرمصرف از نظر انرژی محسوب میشود و این کامپوزیتها کاربرد گستردهای در صنعت حملونقل دارند، بازیافتپذیری آنها میتواند مانع از تبدیل مواد گرانقیمت به پسماند شود و مواد را دوباره به چرخهی مواد اولیه بازگرداند.
دستاورد امپا به صنعت هوانوردی محدود نمیشود؛ چراکه کامپوزیتهای اپوکسی تقویتشده با الیاف در ساخت خودرو، قطار، شناورها و توربینهای بادی نیز به کار میروند و امپا در حال ارزیابی بهرهگیری از این سامانه در بخشهای انرژی و ساختمانسازی است. در این میان، چالش اصلی به افزایش مقیاس تولید مربوط میشود و پژوهشگران در تلاشاند تا ساخت کامپوزیتها و فرایند بازیافت را به مرحلهی تولید صنعتی برسانند.
