日本語
EnglishBền hơn thép gấp 10 lần với trọng lượng chỉ bằng một nửa nhôm và có độ cứng cao hơn đáng kể so với sợi thủy tinh, sợi carbon mang nhiều ưu điểm khiến loại vật liệu này trở thành một trong lựa chọn được ưa chuộng trong chế tạo các mẫu xe ô tô hạng sang và xe ô tô công thức một. Tuy nhiên, theo Nicholas Rorrer, nhà nghiên cứu thuộc Phòng Thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL), sợi carbon cần được cải thiện thêm trên nhiều phương diện để nâng cao tính ứng dụng và thực tiễn hơn. Ông giải thích: “Sợi carbon có giá thành cao và chi phí sản xuất và năng lượng tiêu thụ cao khiến loại vật liệu này chưa thân thiện với môi trường cũng như khí nhà kính (GHG). Cải thiện khả năng tái chế của sợi carbon sẽ giúp ích rất nhiều cho cả hai vấn đề ở trên.”
Nhờ những tiến bộ gần đây trong thiết kế vật liệu dựa trên nền tảng sinh học, tái chế sợi carbon ở quy mô công nghiệp đã trở nên gần gũi hơn bao giờ hết. 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, Rorrer và các nhà nghiên cứu khác của NREL 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.
Điều đó khiến Rorrer đặt ra câu hỏi: “Có giải pháp nào để tái sử dụng sợi carbon qua nhiều đời vật liệu để thu hồi lại, tái chế để nhận được nhiều giá trị hơn cũng như thân thiện với môi trường hơn?”
Ông và đồng nghiệp 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.
Rorrer giải thích: “Về cơ bản, chúng tôi 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”, “Chúng tôi 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.
Rorrer cho biết: “Chúng tôi thực sự có thể duy trì chất lượng của sợi carbon trong ít nhất 3 đời vật liệu. Vì vậy chúng tôi không chỉ có thể tái chế nó mà chúng tôi 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.
Rorrer cũng cho biết thêm: “Bằng cách sử dụng nguyên liệu thô dựa trên sinh học thay vì nguyên liệu hóa dầu, chúng tôi không phải sử dụng thêm chi phí hay tài nguyên để cải thiện tính chất hóa học của chúng”. “Điều này giúp chúng tôi có thể 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.”