Các nhà nghiên cứu Thụy Sĩ đang phát triển một loại vật liệu composite gốc epoxy có khả năng duy trì liên kết bền chắc trong quá trình sử dụng nhưng có thể được làm mềm, tháo tách khi hết vòng đời. “Mở khóa” liên kết vốn gần như vĩnh viễn của epoxy
Epoxy là một trong những vật liệu kết dính quan trọng của công nghiệp hiện đại. Khi kết hợp với sợi carbon, sợi thủy tinh hoặc các vật liệu gia cường khác, epoxy giúp tạo nên những kết cấu composite vừa nhẹ, vừa có độ bền và độ cứng cao.
Những đặc tính này khiến composite gốc epoxy được sử dụng rộng rãi trong máy bay, tàu hỏa, ô tô, tàu thủy, tua-bin gió và nhiều kết cấu kỹ thuật khác.
Tuy nhiên, chính khả năng tạo liên kết bền chắc lại trở thành trở ngại lớn khi sản phẩm kết thúc vòng đời.
Epoxy thuộc nhóm polymer nhiệt rắn, trong quá trình đóng rắn, các phản ứng hóa học tạo thành mạng lưới phân tử liên kết chéo bền vững. Cấu trúc này giúp epoxy có độ bền cơ học, khả năng chịu nhiệt và ổn định kích thước tốt nhưng cũng khiến vật liệu rất khó được làm nóng chảy và tái tạo như nhựa nhiệt dẻo.
Điều đó đồng nghĩa các thành phần giá trị được epoxy liên kết với nhau rất khó tách riêng để tái sử dụng. Sợi carbon, sợi thủy tinh hoặc những cấu trúc lõi có giá trị cao có thể bị mắc kẹt trong ma trận polymer khi sản phẩm hết thời hạn khai thác.
Theo Phòng thí nghiệm Liên bang Thụy Sĩ về Khoa học và Công nghệ Vật liệu (Empa), nhiều loại composite chứa epoxy vì vậy cuối cùng phải được đốt hoặc đưa tới bãi chôn lấp.
Để giải quyết bài toán này, các nhà nghiên cứu Empa phối hợp với công ty hóa chất chuyên dụng Elantas phát triển một hệ composite epoxy mới có khả năng tháo tách trong những điều kiện được kiểm soát.
Chìa khóa nằm ở một chất phụ gia chứa phốt pho được bổ sung vào epoxy trong quá trình sản xuất.
Thay vì tạo nên một mạng lưới polymer hoàn toàn “khóa cứng”, các phân tử chứa phốt pho tham gia hình thành những liên kết động trong vật liệu nhiệt rắn. Trong các nghiên cứu trước đó, nhóm đã đưa hợp chất bis H-phosphonate phản ứng vào epoxy trước khi đóng rắn, tạo nên mạng lưới phosphonate chứa các liên kết phốt pho - carbon và phốt pho - oxy.
Ở điều kiện sử dụng thông thường, mạng lưới này vẫn duy trì những đặc tính cần thiết của epoxy. Nhưng dưới tác động của nhiệt độ và phương pháp xử lý thích hợp, một phần liên kết có thể xảy ra phản ứng trao đổi, cho phép mạng polymer tái sắp xếp thay vì duy trì vĩnh viễn một cấu hình duy nhất.
Nhờ đó, epoxy đã đóng rắn có thể được làm mềm và xử lý lại thông qua phương pháp nhiệt - cơ.
Điểm đáng chú ý là nghiên cứu mới không chỉ dừng ở việc chứng minh epoxy có thể được định hình lại. Các nhà khoa học đã thử nghiệm khả năng tháo rời cả một kết cấu composite nhiều lớp tương tự loại vật liệu đang được sử dụng trong ngành hàng không.
Cấu trúc thử nghiệm gồm lõi tổ ong nhẹ làm từ aramid - nhóm polymer chịu nhiệt có những vật liệu nổi tiếng như Kevlar. Phía trên và phía dưới lõi là nhiều lớp sợi thủy tinh hoặc sợi carbon dệt, trong khi epoxy có nhiệm vụ thấm và liên kết toàn bộ hệ thống thành một cấu kiện cứng nhưng nhẹ.
Bằng việc sử dụng nhiệt và dung môi thích hợp, nhóm nghiên cứu có thể phá vỡ mạng epoxy ở mức cần thiết để tháo kết cấu thành các thành phần riêng biệt. Qua đó, lõi tổ ong aramid và các lớp sợi gia cường có thể được thu hồi thay vì bị loại bỏ cùng với epoxy.
Đây được xem là một trong những giá trị quan trọng nhất của công nghệ bởi quá trình sản xuất sợi carbon tiêu thụ nhiều năng lượng. Nếu những vật liệu này có thể được thu hồi và đưa trở lại chu trình sản xuất, lượng nguyên liệu mới cần sử dụng và chất thải cuối vòng đời có thể được giảm đáng kể.
Tuy nhiên, bản thân epoxy trong thử nghiệm mới chưa hoàn thành một vòng tái chế khép kín. Nhóm nghiên cứu cho rằng việc thu hồi nhựa từ dung dịch sau quá trình tháo tách là khả thi và đây sẽ là nội dung được tiếp tục nghiên cứu.
Vừa có khả năng tái chế, vừa tăng khả năng chống cháy
Một lợi thế khác của việc đưa phốt pho vào hệ epoxy là khả năng cải thiện đặc tính chống cháy.
Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng đối với vật liệu composite sử dụng trong máy bay và tàu hỏa. Các cấu kiện tại những môi trường này không chỉ cần nhẹ và bền mà còn phải đáp ứng những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về cháy, nhiệt và khói.
Theo kết quả nghiên cứu trước đó của Empa, công thức epoxy chứa 2,5% phốt pho đã giúp giảm tới 75% tốc độ tỏa nhiệt cực đại và giảm 72,5% tổng lượng khói tạo ra so với vật liệu nhiệt rắn tham chiếu trong thử nghiệm bằng thiết bị đo nhiệt lượng hình nón.
Trong khi đó, hàm lượng phốt pho trên 5% được xác định là cần thiết để đạt khả năng xử lý và tái chế hiệu quả.
Như vậy, cùng một thành phần hóa học có thể đồng thời giải quyết hai bài toán: tạo mạng liên kết có khả năng tái sắp xếp khi cần thiết và cải thiện đặc tính chống cháy của vật liệu.
Theo Empa, composite được phát triển cùng Elantas có thể đáp ứng các yêu cầu an toàn cháy cần thiết trong khi vẫn giữ gần tương đương những đặc tính cơ học nổi bật của vật liệu epoxy thông thường.
Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với những ngành sử dụng lượng lớn composite kỹ thuật cao. Máy bay và tàu hỏa chứa nhiều cấu kiện được thiết kế để duy trì độ bền trong thời gian dài, nhưng khi hết vòng đời, khả năng thu hồi từng thành phần vẫn còn hạn chế.
Nếu các mối liên kết có thể được chủ động tháo tách sau nhiều năm sử dụng, cách tiếp cận đối với thiết kế vật liệu composite có thể thay đổi đáng kể. Thay vì chỉ tính toán khả năng sản xuất và vận hành, khả năng tháo dỡ và thu hồi vật liệu có thể được tính đến ngay từ giai đoạn thiết kế. Tiềm năng ứng dụng cũng không giới hạn trong ngành hàng không.
Composite epoxy gia cường sợi hiện diện trong ô tô, đường sắt, tàu thủy, turbine gió và nhiều kết cấu nhẹ. Đặc biệt, vấn đề xử lý các cấu kiện composite kích thước lớn khi hết vòng đời đang trở thành thách thức khi số lượng turbine gió được tháo dỡ ngày càng tăng.
Trong lĩnh vực xây dựng, khả năng tạo ra các vật liệu vừa có độ bền cao trong quá trình sử dụng, vừa có thể tháo tách để thu hồi thành phần khi công trình hoặc cấu kiện hết vòng đời cũng phù hợp với xu hướng thiết kế tuần hoàn.
Thay vì coi vật liệu composite là sản phẩm gần như không thể đảo ngược sau khi đóng rắn, công nghệ liên kết động có thể giúp những thành phần có giá trị quay trở lại chuỗi sản xuất.
Dù vậy, trở ngại lớn hiện nay vẫn là khả năng mở rộng quy mô. Empa và Elantas đang tiếp tục nghiên cứu nhằm tăng quy mô sản xuất composite cũng như hoàn thiện quy trình tháo tách và tái chế.
