Em uma vitória para a química, os inventores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, projetaram um caminho de circuito fechado para sintetizar um polímero reforçado com fibra de carbono excepcionalmente resistente, ou CFRP, e posteriormente recuperar todos os seus materiais iniciais.



Um material compósito leve, forte e resistente, o CFRP é útil para reduzir peso e aumentar a eficiência de combustível de automóveis, aviões e naves espaciais. No entanto, os CFRPs convencionais são difíceis de reciclar. A maioria são materiais de utilização única, pelo que a sua pegada de carbono é significativa. Por outro lado, a tecnologia de circuito fechado do ORNL, publicada na Cell Reports Physical Science , acelera a abordagem desse grande desafio.

"Incorporamos a reticulação dinâmica em um polímero comum para funcionalizá-lo. Em seguida, adicionamos um reticulador para torná-lo semelhante aos materiais termofixos", disse o químico e inventor do ORNL, Md Anisur Rahman. "A reticulação dinâmica nos permite quebrar ligações químicas e reprocessar ou reciclar os materiais compósitos de fibra de carbono."

Um material termofixo convencional é permanentemente reticulado. Uma vez sintetizado, curado, moldado e definido em uma forma, não pode ser reprocessado. O sistema ORNL, por outro lado, adiciona grupos químicos dinâmicos à matriz polimérica e às suas fibras de carbono incorporadas. A matriz polimérica e as fibras de carbono podem passar por múltiplos ciclos de reprocessamento sem perda de propriedades mecânicas, como resistência e tenacidade.

Rahman liderou o estudo com o químico do ORNL Tomonori Saito, que foi homenageado por Battelle em 2023 como Inventor do Ano do ORNL. Rahman e a bolsista de pós-doutorado do ORNL, Menisha Karunarathna Koralalage, conduziram a maioria dos experimentos. O trio solicitou a patente da inovação.

“Inventamos um composto de fibra de carbono resistente e reciclável”, disse Saito. “A fibra e o polímero têm uma adesão interfacial muito forte devido à presença de ligações dinâmicas”. A interface bloqueia materiais por meio de interações covalentes e os desbloqueia sob demanda usando calor ou química. Saito acrescentou:"A fibra funcionalizada possui reticulação dinâmica trocável com este polímero. A estrutura do compósito é realmente resistente devido às características da interface. Isso torna um material muito, muito forte."

Polímeros convencionais, como epóxis termofixos, são normalmente usados ​​para unir permanentemente materiais como metal, carbono, concreto, vidro, cerâmica e plástico para formar materiais multicomponentes, como compósitos. No entanto, no material ORNL, o polímero, as fibras de carbono e o reticulador, uma vez termofixos, podem ser reencarnados de volta nesses materiais de partida. Os componentes do material podem ser liberados para reciclagem quando um álcool especial chamado pinacol substitui as ligações covalentes do reticulador.

A reciclagem em circuito fechado em escala laboratorial não resulta em perda de materiais iniciais. “Quando reciclamos os compósitos, recuperamos 100% dos materiais iniciais – o reticulador, o polímero, a fibra”, disse Rahman.

“Essa é a importância do nosso trabalho”, disse Saito. "Outras tecnologias de reciclagem de compósitos tendem a perder os materiais iniciais dos componentes durante o processo de reciclagem."

Outras vantagens dos CFRPs reticulados reversivelmente são a rápida termofixação, o comportamento autoadesivo e o reparo de microfissuras na matriz compósita.

No futuro, a reciclagem em circuito fechado de CFRP poderá transformar a produção com baixas emissões de carbono, à medida que materiais circulares leves forem incorporados em tecnologias de energia limpa.

Os pesquisadores inspiraram-se na natureza, que emprega interfaces dinâmicas para criar materiais robustos. O nácar, a madrepérola iridescente dentro das conchas dos mexilhões marinhos e de outros moluscos, é excepcionalmente resistente:pode deformar-se sem quebrar. Além disso, os mexilhões marinhos aderem fortemente às superfícies, mas dissipam energia para libertar quando necessário.

Os pesquisadores tiveram como objetivo otimizar a química interfacial entre as fibras de carbono e a matriz polimérica para aumentar a adesão interfacial e aumentar a resistência do CFRP. “A resistência do nosso compósito é quase duas vezes maior do que um compósito epóxi convencional”, disse Rahman. "Outras propriedades mecânicas também são muito boas."

A resistência à tração, ou a tensão que um material pode suportar quando é puxado, foi a mais alta já relatada entre materiais compósitos reforçados com fibra semelhantes. Foram 731 megapascais – mais fortes que o aço inoxidável e mais fortes que um composto CFRP convencional à base de epóxi para automóveis.

No material ORNL, a ligação covalente dinâmica entre a interface da fibra e o polímero teve adesão interfacial 43% maior do que polímeros sem ligações dinâmicas.

As ligações covalentes dinâmicas permitem a reciclagem em circuito fechado. Num material de matriz convencional, as fibras de carbono são difíceis de separar do polímero. O método químico do ORNL, que prende as fibras nos locais funcionais, permite separar as fibras do polímero para reutilização.

Karunarathna Koralalage, Rahman e Saito modificaram um polímero commodity, chamado S-Bpin, com a ajuda de Natasha Ghezawi, uma estudante de pós-graduação do Centro Bredesen de Pesquisa Interdisciplinar e Educação de Pós-Graduação da Universidade do Tennessee, Knoxville. Eles criaram o copolímero de estireno etileno butileno estireno reciclado, que incorpora grupos éster borônico que se ligam covalentemente a um reticulador e fibras para gerar o CFRP resistente.

Como o CFRP é um material complexo, sua caracterização detalhada exigiu diversos conhecimentos e instrumentação. Chris Bowland do ORNL testou propriedades de tração. Com o mapeamento Raman, Guang Yang do ORNL mostrou a distribuição de espécies químicas e estruturais. Catalin Gainaru e Sungjin Kim, ambos do ORNL, capturaram dados reológicos, e Alexei Sokolov, presidente do governador do UT-ORNL, os elucidou.

A microscopia eletrônica de varredura de Bingrui Li, do ORNL e UT, revelou que a fibra de carbono manteve sua qualidade após a reciclagem. Vivek Chawla e Dayakar Penumadu, ambos da UT, analisaram a resistência ao cisalhamento interlaminar. Com a espectroscopia de fotoelétrons de raios X, Harry Meyer III do ORNL confirmou quais moléculas se ligavam às superfícies das fibras. Amit Naskar do ORNL, renomado especialista em fibra de carbono, revisou o artigo.

Os cientistas descobriram que o grau de reticulação dinâmica é importante. “Descobrimos que 5% de reticulação funciona melhor que 50%”, disse Rahman. “Se aumentarmos a quantidade de reticulador, o polímero começa a ficar quebradiço. Isso porque nosso reticulador tem três estruturas volumosas semelhantes a mãos, capazes de fazer mais conexões e diminuir a flexibilidade do polímero.”

Em seguida, a equipe de pesquisa gostaria de realizar estudos semelhantes com compósitos de fibra de vidro, que mantêm alto desempenho e ao mesmo tempo reduzem o custo e a pegada de carbono de aplicações aeroespaciais, automotivas, marítimas, esportivas, de construção e de engenharia. Eles também esperam reduzir os custos da nova tecnologia para otimizar as perspectivas comerciais de um futuro licenciado.

“Esta etapa abrirá mais aplicações, especialmente para turbinas eólicas, veículos elétricos, materiais aeroespaciais e até artigos esportivos”, disse Rahman.

Mais informações: Md Anisur Rahman et al, Compósitos de fibra de carbono resistentes e recicláveis ​​com adesão interfacial excepcional por meio de uma interface vitrímero-fibra personalizada, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101695
Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge