Epoksi është një nga materialet që kanë revolucionarizuar shkencën moderne, duke bashkuar materiale të ndryshme për të formuar kompozita me një kombinim pronash që depërshkojnë ato të komponentëve individualë. Problemi është se, një herë që epoksi e kryen procesin e ngurtësimit, bashkimi i krijuar është praktikisht i pavendosur. Ndarja e materialeve përbërëse për riciklim mund të jetë jashtëzakonisht e vështirë.
Kërkuesit në Laboratorët Zvetsorë Federalë për Shkencën dhe Teknologjinë e Materialeve (Empa), në bashkëpunim me kompaninë Elantas, e cila specializohet në kimikate, kanë zhvilluar një kompozitë bazuar në epoksi, e cila është krijuar për të zgjidhur këtë problem. Teknologjia themelore është një aditiv që përmban fosfor, i zhvilluar në Empa, i cili përzieret me epoksin gjatë prodhimit. Ky aditiv i jep materialit të ngurtësuar, jo vetëm pronat e rezistencës ndaj zjarrit, por edhe aftësinë për të butur ose thyer nën kushtet e duhura.
Aplikimet moderne inxhinierike zakonisht kërkojnë një gamë pronash që një material i vetëm nuk mund të ofrojë. Aeroplanët janë një shembull i kryer. Materialet e tyre duhet të jenë të lehta për të ulur konsumin e karburantit, të forta dhe të ngurta për të rezistuar ngarkesave, të qëndrueshme për të mbijetuar vite shërbimi dhe, veçanërisht në kabinën e pasagjerëve, të afta për të plotësuar kërkesat e rrepta të sigurisë nga zjarri.
“Bashkimi i të gjithë këtyre pronave në një sistem është një sfidë”, thotë Sabyasachi Gaan, një kërkues në laboratorin “Fibrat e Avancuara” të Empa. “Për shembull, kur bëni një material rezistent ndaj zjarrit, ju ndryshoni gjithmonë pronat e tij të tjera”.
Një mënyrë që inxhinierët arrijnë këtë ekuilibër është përmes kompozitave “sandwich”.
Kërkuesit u fokusuan në një material specifik që përdoret në brendinë e aeroplanëve dhe trenave, duke përfshirë dyshemenë e kabinës së pasagjerëve. Në qendër të tij është një strukturë “honeycomb” e lehtë, e bërë nga aramid, familja e polimerëve rezistentë ndaj nxehtësisë, e cila përfshin materiale si Kevlar. Shtresa të treguara të fibrës së qelqit ose karbonit vendosen mbi dhe nën këtë qendër. Rrënja e epoksit e ngjesh dhe lidh shtresat e forcimit, duke ndihmuar në transformimin e lëkurave të ndara të fibrës dhe strukturës “honeycomb” në një strukturë të ngurtë dhe të lehtë.
Epoksi kryen rolin e tij si ngjitës në mënyrë jashtëzakonisht të mirë. Ndoshta aq mirë, saqë duhet të merret parasysh edhe reciklimi në fund të jetës së produktit. Epoksi është një polimer termobindës. Gjatë ngurtësimit, reaksionet kimike krijojnë një rrjet molekular të lidhur ngushtë dhe të përhershëm, i cili qëndron pas shumë nga karakteristikat e dobishme të epoksit, duke përfshirë forcën mekanike, rezistencën ndaj nxehtësisë dhe stabilitetin dimensional.
Nga ana tjetër, kjo do të thotë se nuk mund të ndryshoni një kompozitë epoksi dhe të heqni materialet përbërëse. Ndryshe nga termoplastikët që rrjedhin kur ngrohen, termobindësit e zakonshëm ruajnë strukturën e tyre të lidhur ndërkohë që temperatura rritet, duke u degraduar në fund.
Si rezultat, fibra të vlefshme të karbonit ose qelqit dhe strukturat “honeycomb” të shtrenjta të aramidit mund të mbeten të “tjera” brenda një matrice epoksi, edhe pas përfundimit të jetës së shërbimit të komponentit. Sipas Empa, kompozitat që përmbajnë epoksi zakonisht përfundojnë duke u djegur ose duke u dërguar në venddepozita.
Zgjidhja e kërkuesve ndryshon këtë pavendosmëri.
Kimia themelore e epoksit të Empa përdor molekula reaktive që përmbajnë fosfor për të futur lidhje dinamike në materialin termobindës. Në punimet e mëparshme të publikuara, ata e integruan një përbërës bis H-fosfonat reaktiv në epoksi para ngurtësimit, duke prodhuar një rrjet fosfonat që përmban lidhje fosfor-karbon dhe fosfor-oksigjen. Nën kushtet e duhura të nxehtësisë dhe procesimit, pjesë të këtij rrjeti mund të nënrojnë reaksione shkëmbimi të lidhjeve, duke lejuar që rrjeti të riorganizojë, në vend që të mbetet i fiksuar përgjithmonë në një konfiguracion.
Kjo lejon që epoksi i ngurtësuar të butet dhe të riformohet përmes riciklimit termomekanik. Eksperimentet e mëparshme të Empa kanë treguar se formulat me një përmbajtje të lartë fosfori mund të riprocesohen pas ngurtësimit, me rrjetin dinamik që riorganizon përmes reaksioneve të transesterifikimit.
Shumë nga këto punë janë fokusuar në thjesht ri-formimin e strukturave epoksi. Për projektin e ri me Elantas, kërkuesit e aplikuan procesin për të çmontuar një kompozitë “sandwich” të stilit aerospacial.
Duke përdorur nxehtësi dhe solventin e duhur, kërkuesit arritën të çmontonin sistemin epoksi aq shumë sa të mundësonin ndarjen e kompozitës në komponentët e saj strukturore individuale, duke rimëkësuar strukturën “honeycomb” të aramidit dhe fibrat e forcimit të treguara.
Arritja kryesore e riciklimit e demonstruar këtu është aftësia për të çliruar materialet e vlefshme që epoksi më parë i kishte lidhur së bashku. Epoksi vetë ende nuk ka kompletuar të njëjtën cikël riciklimi në këtë projekt. Ekipa thotë se rimëkësqja e resinës nga zgjidhja e rezultuar duhet të jetë e mundur dhe planifikojnë të merren me këtë në punën e ardhme.
Një veçori e dobishme është e integruar në këtë kimi: fosfori është gjithashtu një rrugë efektive për rezistencën ndaj zjarrit.
Në punimet e mëparshme të Empa, introduksioni i fosforit ndryshoi dramatisht mënyrën se si epoksi sillitej në zjarr. Ndërsa koncentrimet mbi 5% ishin të nevojshme për riprocesimin dhe riciklimin efektiv, një formulë që përmbante 2.5% fosfor ul frenimin maksimal të emetimit të nxehtësisë me 75% dhe prodhimin total të tymit me 72.5% krahasuar me termobindësin e referencës në testimin me kalorimetër të konit. Kjo kombinacion është veçanërisht i rëndësishëm për aplikimet ajrore dhe hekurudhore, ku fitimi i riciklueshmërisë me dëmtimin e performancës ndaj zjarrit do të ishte një kompromis i keq.
Sipas Empa, kompozita e zhvilluar me Elantas plotëson rregullat e nevojshme të sigurisë nga zjarri, duke ruajtur njëkohësisht pothuajse të njëjtat prona mekanike të avantazhme si materiali i zakonshëm bazuar në epoksi.
Prodhimi i fibrës së karbonit është i konsumueshëm energjitikisht, ndërsa aeroplanet dhe trenat përmbajnë sasi të konsiderueshme të materialeve kompozite të inxhinieruara posaçërisht për të mbetur të paprekura në kushtet e kërkuara. Dhënia e prodhuesve një mënyre praktike për të anuluar atë integritet në fund të jetës së tyre mund të ndihmojë në kthimin e disa prej këtyre materialeve të shtrenjta në materies primë, në vend që në mbeturina.
Kimia nuk është e kufizuar vetëm në aeroplanë. Kompozitat e forcuara me fibra epoksi gjenden në të gjithë makinat, trenat, anijet, turbinat e erës dhe shumë struktura të tjera të lehta, ndërsa Empa po heton tashmë aplikimet për sistemin e tij të polimerit të ricikueshëm dhe rezistent ndaj zjarrit në industritë e energjisë dhe ndërtimit. Sfida e menjëhershme është shkalla. Kërkuesit dhe Elantas po punojnë tani për të rritur prodhimin e kompozitave dhe procesin e riciklimit.
Burimi: Empa
Burimi: newatlas.com
