Thông qua một dự án được hỗ trợ bởi Văn phòng Công nghệ Xe Năng lượng, thuộc Chương trình Cốt lõi của Vật liệu tổng hợp, các nhà nghiên cứu thuộc Phòng Thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) tại Mỹ đã chỉ ra rằng việc chế tạo sợi carbon tổng hợp với epoxit sinh học và phụ gia làm cứng anhydrite giúp vật liệu có thể được tái chế hoàn toàn nhờ việc phân hủy các liên kết yếu.
Trên thực tế, quy trình tái chế - hay còn được gọi là ly giải methanol (methanolysis) - có thể được kích hoạt theo điều kiện ở nhiệt độ phòng mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng hay cấu trúc của sợi. Đây có thể coi là một bước tiến mạnh mẽ đối với các loại vật liệu tuần hoàn, giúp sản xuất sợi carbon rẻ hơn và xanh hơn khi được sử dụng và tái chế nhiều lần.
 |
Vừa có độ bền và trọng lượng nhẹ như lông vũ, sợi carbon mang các ưu điểm nhờ cấu trúc thiết kế nhiều lớp. Đây là loại vật liệu tổng hợp sử dụng cả các sợi carbon nguyên chất dài cùng với lớp phủ epoxy dạng keo hay còn được biết đến là keo nhiệt rắn (thermoset). Khi chế tạo, các phân tử nhựa lỏng sẽ liên kết với nhau và xung quanh mạng dệt sợi carbon, cứng lại thành mạng tinh thể mạnh và có độ cứng cao.
Tuy nhiên, bản chất nhiệt rắn của epoxy khi chế tạo làm cho những sản phẩm cao cấp này khó bị phá vỡ, đặc biệt là phá vỡ mà không làm hỏng sợi carbon. Các sản phẩm làm từ sợi carbon - mặc dù có giá cao hơn - thường kết thúc ở bãi rác khi bị bỏ đi mà không đem lại bất kì hiệu quả lợi ích nào.
Mặc dù sợi carbon đem lại rất nhiều lợi ích đáng kể như cắt giảm trọng lượng của một chiếc ô tô chở khách thông thường xuống một nữa, đồng thời tăng hiệu suất nhiên liệu lên tới 35% nhưng những lợi ích này đi kèm với những vấn đề tương đương về mức năng lượng và mức độ GHG tương quan. Quá trình tổng hợp sợi carbon thường yêu cầu quy trình nhiệt lên tới 1000 độ C.
Nhóm nghiên cứu NREL đã bắt đầu những thử nghiệm hóa học liên quan tới sinh khối để tìm hiểu cách sản xuất một loại epoxy mới cung cấp khả năng tái chế cho sợi carbon. So với các hydrocarbon trong dầu mỏ, sinh khối có hàm lượng oxi và nito cao hơn, cung cấp nhiều phương diện ứng dụng hóa học khác nhau.
Về cơ bản, nhóm nghiên cứu đã thiết kế lại một loại epoxy resin amine - loại nhựa nhiệt rắn được ứng dụng ngày nay cùng với sợi carbon - với epoxy và anhydrite được tổng hợp từ sinh khối, phần lớn thông tqua quá trình chuyển hóa sinh học và hóa học của đường. Nhóm đã chỉ ra rằng nhựa được tái thiết kế có thể duy trì thậm chí cải thiện đáng kể những đặc tính quan trọng của epoxy amine ngày nay nhưng cũng khiến chúng có thể được tái chế ở nhiệt độ phòng.
Sử dụng một chất xúc tác đặc biệt, nhóm nghiên cứu NREL đã thành công phân hủy nhựa sinh học ở nhiệt độ phòng thông qua quá trình khử polyme hóa. Nhờ đó, họ có thể thu hồi các sợi carbon mà vẫn duy trì chất lượng và sự liên kết của chúng trong ít nhất 3 đời vật liệu. Vì vậy, nhóm nghiên cứu có thể tái chế nó mà không làm ảnh hưởng cụ thể đến tài sản hay làm giảm giá trị vật liệu.
Kết hợp nghiên cứu của NREL vào acrylonitrile giá rẻ có thành phần sinh học như tiền chất của sợi carbon, giành giải thưởng R&D 100 vào năm 2018, có thể tạo ra bước đột phá trong nhóm vật liệu epoxy, là bước tiến dài trong lĩnh vực sản xuất và chế tạo sợi carbon tổng hợp hiệu quả hơn về cả chi phí và tính thân thiện với môi trường.
Khả năng chiết xuất và tái chế sợi carbon giúp loại vật liệu này trở nên kinh tế hơn đối với các loại xe điện phổ thông, giải phóng bớt trọng lượng và không gian cho pin. Điều này cũng sẽ làm giảm mức độ tương quan với GHG của vật liệu từ 20% tới 40%. Thêm vào đó, việc này có thể được thực hiện mà không làm tăng chi phí sản xuất. Rorrer ước tính epoxy của NREL có thể được sản xuất với chi phí gần bằng với epoxy amine gốc dầu mỏ hiện tại.
Bằng cách sử dụng nguyên liệu thô dựa trên sinh học thay vì nguyên liệu hóa dầu, nhóm nghiên cứu không phải sử dụng thêm chi phí hay tài nguyên để cải thiện tính chất hóa học của chúng. Điều này giúp thiết kế các loại vật liệu nâng cao chính xác hơn, rẻ hơn và hiệu quả hơn về cả tính năng và sự thân thiện với môi trường.
