リサイクル可能な複合材がネットゼロの目標達成に貢献(Recyclable composites help drive net-zero goal)

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2022-11-10 オークリッジ国立研究所(ORNL)

オークリッジ国立研究所の科学者は、自動車、風力発電、航空宇宙のアプリケーションでエネルギー効率を高める部品の循環型製造を可能にする、炭素繊維複合材料用のリサイクル可能なポリマーを設計した。
研究チームのアプローチは、可逆的な動的共有結合を組み込むことで、炭素繊維とポリマーの両方のリサイクルを可能にするものである。この新しいポリマーは、6回の再処理サイクルで機械的強度を維持し、これまで報告されてきたポリマーとは全く対照的であった。
ORNLの炭素繊維複合材料は、高速処理が可能で、修理や再処理を何度も行うことができるため、循環型の低炭素製造への道を開くものである。

<関連情報>

テーラード繊維強化ビトリマー複合材料のマルチサイクルリサイクルへの道筋の解明 Unraveling a path for multi-cycle recycling of tailored fiber-reinforced vitrimer composites

Zhengping Zhou,Sungjin Kim,Christopher C.Bowland,Bingrui Li,Natasha Ghezawi,Edgar Lara-Curzio,Ahmed Hassen,Amit K.Naskar,Md Anisur Rahman,Tomonori Saito
Cell Reports Physical Science  Published: August 31, 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101036

Highlights

•Facile and scalable vitrimer design allows rapid and stable multi-cycle reprocessing
•The tailored vitrimer CFRPs enable multi-cycle processability and repairability
•The circular CFRP processing provides a path for low-carbon manufacturing

Summary

Manufacturing transformation toward a net-zero carbon society demands polymeric composite materials to be reprocessable in circularity in an energy-efficient and stable manner. Recent advancements in vitrimers have bestowed crosslinked polymers like epoxies with reprocessability, opening a path for the circular manufacturing of thermosets. However, (re)processing of mechanically robust vitrimers such as epoxy vitrimers typically requires high temperatures and long processing times, which cause degradation and compromise efficient recyclability. Here, we report a simple design of dynamic polyurea/epoxy (DPE) vitrimers and their carbon-fiber-reinforced polymers (CFRPs) with exchangeable disulfide crosslinks, which overcome such intrinsic limitations. Compared with conventional epoxy vitrimers, the DPE vitrimer exhibits 6 times faster bond rearrangement and ∼40°C lower reprocessing temperature, which enables full recovery of the mechanical strength throughout 6 reprocessing cycles, while the conventional vitrimer lost ∼63% of strength. Moreover, the CFRPs prepared with the DPE vitrimers exhibit facile multi-cycle processability and repairability by thermoformation.

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