En un paso importante hacia la creación de una economía circular y sostenible, investigadores de la Universidad Rice han publicado un estudio histórico en la revistaCarbón demostrando que las fibras de nanotubos de carbono (CNT) se pueden reciclar completamente sin pérdida de su estructura o propiedades. El descubrimiento posiciona a las fibras CNT como una alternativa sostenible a los materiales tradicionales como metales, polímeros y fibras de carbono voluminosas, que son notoriamente difíciles de reciclar.
“El reciclaje ha sido durante mucho tiempo un desafío en la industria de materiales: el reciclaje de metales suele ser ineficiente y consume mucha energía, los polímeros pierden sus propiedades después del reprocesamiento y las fibras de carbono no se reciclan en absoluto. Solo se cortan en trozos pequeños y se reciclan. “. dijo el autor correspondiente Matteo Pasquali, director de Rice’s Carbon Hub y profesor de química AJ Hartsook. e ingeniería biomolecular, ciencia de materiales y nanoingeniería y química. “A medida que se desarrollan las fibras CNT, nos preguntamos si estos nuevos materiales podrían reciclarse en el futuro y cómo hacerlo para evitar los problemas de gestión de residuos asociados con el uso a gran escala de otros materiales de ingeniería. Después de llegar, esperábamos que el reciclaje fuera difícil. Y, sorprendentemente, descubrimos que la reciclabilidad de los materiales de ingeniería existentes ofrecía una solución a un importante problema medioambiental”.
El equipo de investigación utilizó fibras CNT hiladas en solución preparadas disolviendo CNT comerciales de calidad de fibra en un solvente industrial ampliamente utilizado, el ácido clorosulfónico. Dado que el reciclaje al final de su vida útil siempre combina materiales que fueron producidos en diferentes procesos por diferentes empresas, era importante evaluar el efecto de múltiples fuentes de materiales en el proceso de fabricación de la fibra y sus propiedades. Las fibras hechas de diferentes tipos de CNT producidos por diferentes fabricantes se procesaron inicialmente por separado en fibras vírgenes de una sola fuente, luego se mezclaron y reciclaron en ácido clorosulfónico. Sorprendentemente, la mezcla de las dos fibras dio como resultado una redisolución completa y no hubo signos de separación de los dos materiales de origen en diferentes fases líquidas. Este material redisuelto se hiló en una fibra reciclada de fuente mixta que conservaba la misma composición y alineación de la fibra virgen.
“Al utilizar dos fuentes diferentes de nanotubos de carbono, nos aseguramos de que nuestro proceso de reciclaje fuera representativo de las condiciones de la vida real”, dijo la coautora Michelle Duran-Chávez, estudiante de posgrado en química. “Sorprendentemente, las fibras recicladas exhibieron igual resistencia mecánica, conductividad eléctrica, conductividad térmica y alineación, lo que no tiene precedentes en el campo de los materiales de ingeniería”.
La investigación reveló varios hallazgos importantes que sitúan a las fibras CNT como un material prometedor en el camino hacia prácticas sostenibles. El más importante de ellos es la completa reciclabilidad de las fibras CNT. A diferencia de los materiales tradicionales, especialmente los polímeros y las fibras de carbono que pierden calidad durante el reciclaje, las fibras CNT conservan el 100% de sus propiedades originales tras ser recicladas.
“Esta preservación de la calidad significa que las fibras CNT se pueden usar y reutilizar en aplicaciones exigentes sin comprometer el rendimiento, extendiendo así su ciclo de vida y reduciendo la necesidad de nuevas materias primas”. dijo el coautor Ivan R. Sequeira, un recién graduado de doctorado en Rice. Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular y actualmente es Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica en la Pontifícia Universidade Católica de Río de Janeiro.
Igualmente importante es la eficiencia del proceso de reciclaje. Los investigadores demostraron que el reciclaje de fibra CNT es significativamente más eficiente que los métodos tradicionales de reciclaje de metales y polímeros, que a menudo implican productos químicos peligrosos y que consumen mucha energía o una clasificación laboriosa. Sin embargo, las fibras CNT se pueden reciclar sin clasificarlas porque se pueden combinar fibras de diferentes fuentes para producir material reciclado de alta calidad. Una vez que este material alcance escala, este simple proceso de reciclaje reducirá significativamente los desechos, el consumo de energía y las emisiones de dióxido de carbono asociados con la producción del material.
“La capacidad de reciclar completamente las fibras CNT tiene amplias implicaciones para industrias como la aeroespacial, la automotriz y la electrónica”, dijo Durán-Chaves. “Esperamos que esto pueda allanar el camino para la creación de compuestos totalmente reciclables en aviones, vehículos, infraestructura civil y más, reduciendo en última instancia el impacto ambiental en una amplia gama de sectores”.
Otros coautores del artículo incluyen al ex alumno graduado de Rice, Oliver Davey, ahora de DexMet. Steven Williams; Cedric Ginestra, ahora de LyondellBasell; Yangru Song, que ahora es becario postdoctoral en la Universidad Purdue. Juan de la Garza, ex alumno de Rice, ahora de Axiom Space. y Geoff Wehmeier, profesor asistente de ingeniería mecánica.
La investigación es parte del programa más amplio Carbon Hub, que desarrolla un futuro sin emisiones liderado por Rice, donde se produzcan materiales de carbono avanzados e hidrógeno limpio de manera eficiente y sostenible a partir de hidrocarburos.
Este trabajo fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Robert A. Welch, la Fundación Nacional de Ciencias, el Centro de Investigación de CO2 de la Fundación Novo Nordisk y un graduado del Instituto Ken Kennedy. Beca de Schlumberger. y una beca Ricky Kubishi del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Rice and Rice.
