I ricercatori dell’Università degli Emirati Arabi Uniti stanno esplorando lo sviluppo di materiali compositi riciclati utilizzando PLA stampato in 3D avanzato e rifiuti di fibra di carbonio.
Il consumo di plastica è in aumento dalla sua invenzione oltre un secolo fa, risultando in rifiuti inquinanti che rappresentano una sfida sia per l’umanità che per il resto dell’ecosistema terrestre. Soprattutto negli ultimi anni, c’è stata una spinta verso “iniziative verdi” che lavorano per realizzare una società più sostenibile. Una di queste iniziative è il riciclaggio, per cui polimeri come i rifiuti PLA stampati in 3D vengono riproposti per nuove applicazioni.
Allo stesso modo, anche i materiali compositi hanno visto un aumento della domanda nel corso degli anni, con rinforzi in fibra di carbonio che hanno applicazioni sia nella produzione convenzionale che nella stampa 3D. Proprio come i polimeri, l’uso diffuso delle fibre di carbonio in settori come quello automobilistico e aerospaziale sta alimentando un problema di rifiuti sempre più grave.
Cogliendo l’opportunità di colpire due piccioni con una fava, i ricercatori degli Emirati Arabi Uniti hanno trovato un modo per riutilizzare due diversi flussi di rifiuti e soddisfare le esigenze materiali del settore dei compositi.
Una lastra composita in fibra di carbonio. Immagine tramite Furo Systems.
PLA rinforzato con fibra di carbonio
L’acido polilattico, o PLA, è un polimero a base biologica creato utilizzando l’acido lattico dal processo di fermentazione dello zucchero. Inizialmente era inteso come un’alternativa più ecologica ai polimeri a base di petrolio greggio ed è tecnicamente biodegradabile (sebbene in condizioni di compostaggio industriale). Oltre ad essere il polimero più utilizzato nello spazio di stampa 3D desktop, il PLA ha anche una varietà di applicazioni negli imballaggi, nei bicchieri usa e getta e altro ancora.
Sebbene sia molto conveniente, facile da elaborare e facile da stampare in 3D, il PLA nella sua forma pura offre una scarsa stabilità termica e meccanica, quindi non è adatto per applicazioni ad alte prestazioni.
Un modo per migliorare le caratteristiche del materiale è con additivi come rinforzi in fibra di carbonio, poiché i compositi in fibra di carbonio possono offrire un’eccellente combinazione di proprietà meccaniche e resistenza al calore.
I rifiuti di fibra di carbonio (a, c) sono stati mescolati con i rifiuti di PLA stampati in 3D (b) in un estrusore a doppia vite (d) per creare formulazioni composite riciclate. Immagine tramite l’Università degli Emirati Arabi Uniti.
Come si sono comportati i compositi riciclati?
Per creare i loro materiali compositi riciclati, il team degli Emirati Arabi Uniti ha raccolto il PLA stampato in 3D avanzato dai laboratori di prototipazione dell’università. Per ottenere l’elemento in fibra di carbonio dei compositi, è stato utilizzato materiale di scarto da lastre CF-prepreg e lastre in fibra di carbonio. I rifiuti di PLA e fibra di carbonio sono stati triturati, macinati, miscelati e miscelati allo stato fuso in percentuali variabili di additivi.
Il team ha quindi pressato a caldo le formulazioni in campioni dogbone e ha utilizzato una macchina di prova universale per caratterizzare le prestazioni meccaniche dei compositi riciclati.
È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto che sia la percentuale di additivo che il tipo di riempitivo hanno avuto un impatto sulle prestazioni meccaniche. Ad esempio, il composito in fibra di carbonio al 20% aveva un modulo elastico più elevato rispetto al composito in fogli preimpregnati in fibra di carbonio al 20%.
Tutto sommato, i rinforzi in fibra di carbonio hanno generalmente migliorato la resistenza del PLA, con il composito in fibra di carbonio al 20% che offre la massima resistenza allo snervamento. Tuttavia, si è riscontrato che percentuali di rinforzo più elevate hanno anche maggiori effetti negativi sulla duttilità del materiale.
Il lavoro ha dimostrato che è possibile riciclare contemporaneamente PLA e fibra di carbonio per sviluppare compositi verdi con proprietà sintonizzabili. Gli autori sperano che il loro progetto possa fungere da trampolino di lancio per altri per studiare metodi più efficienti per creare compositi riciclati per l’industria.
Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nel documento intitolato “Composito riciclato in fibra di carbonio/PLA” .
Composito riciclato in fibra di carbonio/PLA
di Salem Al Zahmi
A causa di proprietà eccezionali come la sua resistenza alle alte temperature, le caratteristiche meccaniche e il prezzo relativamente basso, la domanda di fibra di carbonio è aumentata negli ultimi anni. L’uso diffuso di polimeri o plastiche rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) ha attratto molte industrie. Tuttavia, d’altra parte, la crescente domanda di fibre di carbonio ha creato un problema di riciclaggio dei rifiuti che deve essere superato. In questo contesto, è stato aumentato l’aumento dei rifiuti di plastica dalla nuova tecnologia di stampa 3D, contribuendo a una maggiore necessità di sforzi di riciclaggio. Questa ricerca mira a produrre un composito riciclato a base di diverse risorse residue di fibre di carbonio per rafforzare il crescente spreco di acido polilattico (PLA) come soluzione promettente alla crescente domanda di entrambi i materiali. Vengono gestiti due tipi di rifiuti di fibra di carbonio rimanenti dalle industrie nazionali: rifiuti di fibra di carbonio (CF) e compositi rinforzati con fibra di carbonio (CFRP). Vengono adottate due strategie per produrre il materiale composito riciclato, mescolando i rifiuti di PLA con CF una volta e con CFRP la seconda. I compositi riciclati vengono testati in condizioni di prova di trazione per studiare l’impatto del rinforzo del carbonio di scarto sulle proprietà del PLA. Inoltre, sui compositi vengono eseguite analisi termogravimetriche (TGA), diffrazione di raggi X (XRD) e spettroscopia a infrarossi trasformata di Fourier (FTIR) per studiarne le proprietà termiche. I compositi riciclati vengono testati in condizioni di prova di trazione per studiare l’impatto del rinforzo del carbonio di scarto sulle proprietà del PLA. Inoltre, sui compositi vengono eseguite analisi termogravimetriche (TGA), diffrazione di raggi X (XRD) e spettroscopia a infrarossi trasformata di Fourier (FTIR) per studiarne le proprietà termiche. I compositi riciclati vengono testati in condizioni di prova di trazione per studiare l’impatto del rinforzo del carbonio di scarto sulle proprietà del PLA. Inoltre, sui compositi vengono eseguite analisi termogravimetriche (TGA), diffrazione di raggi X (XRD) e spettroscopia a infrarossi trasformata di Fourier (FTIR) per studiarne le proprietà termiche.
Parole chiave: compositi polimerici rinforzati con fibra di carbonio ; pura fibra di carbonio ; trattamento meccanico ; resistenza alla trazione
1. Introduzione
Il consumo di plastica è aumentato rapidamente in diversi settori. Di conseguenza, la produzione di rifiuti è aumentata nel corso dell’ultimo secolo. La produzione di rifiuti non è solo una sfida per l’umanità, ma anche una questione importante per la stabilità dell’intero ecosistema . Pertanto, i ricercatori sono incoraggiati a lavorare su soluzioni ambientali al problema della raccolta e dell’aumento dei rifiuti di materiali polimerici per proteggere le risorse naturali della terra e sviluppare una società sostenibile. Diversi suggerimenti sono emersi in risposta agli studi dei ricercatori, tra cui il contenimento dell’uso della plastica, l’applicazione di materiali plastici biodegradabili, il passaggio a materiali non plastici, ecc., in base alle esigenze della società . Le proposte di un cambiamento improvviso per rimuovere la plastica dal mondo, tuttavia, sono criticate da molti settori, inclusi prodotti e servizi, perché un cambiamento drastico può causare instabilità economica nel mondo a causa del collegamento di un’ampia varietà di stringhe economiche e sociali con l’industria della plastica .
Pertanto, l’applicazione di plastiche biodegradabili è stata presentata come la soluzione più praticabile secondo la situazione attuale sia dai ricercatori che dagli industriali . Questo cenno delle principali parti interessate e l’interesse del pubblico verso la conservazione di un ambiente sano con un minore utilizzo di plastica nella vita quotidiana ha aumentato la ricerca sui polimeri biodegradabili .
