Sản xuất các sản phẩm polyme và composit với chi phí năng lượng đặc biệt thấp

03:24' PM - Thứ năm, 13/09/2018

Các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Illinois (Mỹ) đã phát triển một phương pháp mới sản xuất polyme nhiệt rắn và các sản phẩm composit polyme gia cố bằng sợi, với chi phí năng lượng thấp hơn nhiều bậc so với các phương pháp khác từ trước đến nay.

Phương pháp này có thể tạo ra những sản phẩm như các tấm composit định hình dùng làm thân máy bay, trong khi đó tiêu thụ năng lượng chỉ bằng một phần nhỏ so với các phương pháp sản xuất công nghiệp hiện nay. Polyme và composit thu được theo phương pháp mới có những tính chất như độ bền, độ ổn định nhiệt, sức bền uốn và độ bền hóa chất tương đương vật liệu sản xuất theo phương pháp truyền thống.

Quá trình sản xuất các thành phần polyme nhiệt rắn tính năng cao hiện nay đòi hỏi phải sử dụng nồi hấp gia nhiệt ở áp suất cao để hóa rắn nhựa monome đã định hình sơ bộ. Kích thước của nồi hấp phải tương đương kích thước của thành phần polyme cần tạo ra, vì vậy người ta phải sử dụng một số nồi hấp rất lớn để sản xuất những chi tiết có kích thước lớn. Quá trình này diễn ra chậm và tiêu hao những lượng năng lượng rất lớn, đặc biệt là khi sản xuất các thành phần kích thước lớn.

Các nhà nghiên cứu ước tính, phương pháp sản xuất truyền thống một phần nhỏ thân máy bay Boeing 787 với composit gia cố bằng sợi sẽ tiêu thụ 96.000 kWh điện, tương đương lượng điện mà 9 hộ gia đình sử dụng trong một năm. Trong khi đó, phương pháp xử lý mới cho phép giảm tiêu thụ điện năng xuống chỉ còn 9,6 mWh, tương đương lượng điện một bóng đèn dây tóc 25W tiêu thụ trong khoảng 2 giây.

Khi thực hiện phương pháp mới, trước tiên các nhà khoa học nói trên chuẩn bị một dung dịch hoặc keo gien của monome dixyclopentadien (DCPD), hoặc một hỗn hợp sợi DCPD. Sau đó, họ sử dụng nguồn nhiệt lớn để khởi phát quá trình polyme hóa nguyên liệu. Sau khi quá trình này bắt đầu, monome sẽ có đủ năng lượng nội tại để tự polyme hóa thành sản phẩm nhiệt rắn, không cần nồi hấp hoặc nguồn điện.

Quá trình nói trên được gọi là polyme hóa hàng trước, vì phản ứng dịch chuyển nhanh qua nhựa monome hoặc hỗn hợp monome-sợi dọc theo một hàng, ở đây là hàng trước, tương tự sự dịch chuyển của hệ thống thời tiết hoặc đội hình diễu hành của quân đội. Quá trình polyme hóa hàng trước ở DCPD tạo ra polyme nhiệt rắn polyxyclopentadien (pDCPD) với liên kết ngang và có tính năng cao, hoặc các composit polyme.

Phản ứng đặc biệt mà các nhà nghiên cứu tại Illinois sử dụng là phản ứng polyme hóa hoán vị vòng mở hàng trước với xúc tác ruteni (còn gọi là phản ứng FROMP). Trước đây, một số nhà khoa học khác đã phát triển phản ứng FROMP, nhưng ứng dụng của nó

bị hạn chế rất nhiều vì thời gian xử lý quá ngắn. Ví dụ, nhựa monome DCPD hoặc hỗn hợp sợi không gia nhiệt thường hóa rắn trong 30 phút. Trong phần lớn các trường hợp, quá trình như vậy diễn ra quá nhanh nên không thể định hình sơ bộ nguyên liệu đầu một cách thích hợp trước khi bắt đầu quá trình polyme hóa.

Đóng góp chính của nhóm nghiên cứu trên là phát hiện các chất ức chế alkyl phosphite, có thể kéo dài thời gian hóa rắn của monome DCPD từ 30 phút lên 30 giờ. Những chất ức chế đó cho phép áp dụng phản ứng FROMP để tạo ra một phạm vi rộng các polyme pDCPD và các cấu trúc composit.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy in 3D để tạo ra các khuôn xoắn ốc và mô hình phân tử DCPD. Họ đã chế tạo các tấm polyme dập nổi chữ viết với hình dạng khác nhau và các tấm composit gia cố bằng sợi. Những sản phẩm thu được có tính chất tương tự polyme và composit được sản xuất công nghiệp hiện nay, chúng thích hợp cho các ứng dụng tính năng cao. Do nhiệt ban đầu là nguồn năng lượng duy nhất cần thiết, nên phương pháp này tiêu hao ít năng lượng hơn nhiều so với các phương pháp xử lý thông thường. Nó cũng nhanh hơn và không cần thiết bị nồi hấp đắt tiền.

Một nhà khoa học tiên phong trong lĩnh vực phản ứng polyme hóa hàng trước tại Đại học Tổng hợp Louisiana (Mỹ) cho rằng, nghiên cứu nói trên cho thấy việc kéo dài thời gian của phản ứng FROMP đã mang lại những ứng dụng có lợi như thế nào, và quan trọng nhất là cho thấy làm cách nào để chế tạo các vật liệu hữu ích với thời gian ngắn hơn, rẻ tiền hơn các phương pháp truyền thống.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois hy vọng sẽ sử dụng kỹ thuật trên để phát triển các phương pháp hoàn toàn mới trong sản xuất các cấu trúc phức tạp. Họ đã đăng ký sáng chế này tại Mỹ nhưng chưa bắt đầu thương mại hóa nó.

HS

Theo Chemical & Engineering News, 5/2018

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,