Vitrimers:Termoset yang dapat diproses ulang

Ada kata baru untuk ditambahkan ke leksikon komposit Anda, dan itu akan menarik perhatian:Vitrimers. Pertama kali ditemukan dan diberi nama pada tahun 2011 oleh peneliti Prancis Ludwik Leibler, vitrimer adalah kelas plastik yang berasal dari polimer termoset yang terdiri dari jaringan kovalen molekuler yang dapat mengubah topologinya melalui reaksi pertukaran ikatan yang diaktifkan secara termal. Seperti termoset, vitrimer dapat diformulasikan untuk berikatan silang pada suhu tertentu. Seperti termoplastik, pada suhu tinggi vitrimer dapat dilunakkan dan dibentuk kembali.

Sampai saat ini, vitrimer telah terbatas terutama pada pengaturan akademik dan laboratorium. Namun, dalam beberapa tahun terakhir segelintir pemasok telah mengkomersialkan vitrimer yang membuktikan kelas bahan ini tetap ada. Salah satu pemasok tersebut, Mallinda (Denver, Colo., A.S.), menjalankan operasi dan produk berdasarkan teknologi vitrimer, dan membuktikan kelayakan material.

Vitrimer lahir

Philip Taynton, CTO Mallinda, mendirikan perusahaan pada tahun 2014 dengan teman sekelas Chris Kaffer, CEO. Taynton dan Kaffer bertemu di University of Colorado (CU-Boulder), di mana keduanya berada di program pascasarjana, Taynton mengejar gelar doktor di bidang kimia dan Kaffer gelar MBA. Mallinda diciptakan untuk mengkomersialkan penelitian vitrimer yang telah dilakukan Taynton di CU-Boulder. Tujuannya, katanya, adalah untuk mengembangkan dan memasarkan resin matriks yang akan diproses seperti epoksi termoset, tetapi diproses ulang seperti termoplastik. Kaffer mendapatkan pendanaan awal untuk perusahaan dari US National Science Foundation (NSF) dan Negara Bagian Colorado, yang memulai perusahaan.

Pada tahun 2016, Taynton dan Kaffer memindahkan Mallinda ke program Cyclotron Road Berkeley Lab (Berkeley, California, AS), sekarang disebut Activate Fellowship, sebuah inkubator teknologi yang dirancang untuk membantu ilmuwan wirausaha memajukan proyek yang berpotensi berdampak global. Di sini, Kaffer dan Taynton bekerja untuk mematangkan teknologi vitrimer mereka dan menyempurnakan jalan menuju komersialisasi. “Persekutuan terbukti berperan dalam dua cara utama,” kata Taynton. “Pertama, ini memungkinkan kami untuk fokus pada pengurangan risiko teknis di lingkungan kelas dunia. Kedua, ini memungkinkan kami untuk memperluas jaringan mitra strategis, pelanggan, investor, bakat, dan mentor kami.”

Pada tahun 2018, Taynton dan Kaffer memindahkan Mallinda kembali ke Colorado dan memulai pengembangan dan produksi produk dengan sungguh-sungguh. Sepanjang jalan, mereka mendapatkan pendanaan tambahan dari NSF, Negara Bagian Colorado, Departemen Energi AS (DOE) dan investasi seri A dari SABIC Ventures.

Termos yang dapat diproses ulang

Vitrimer Taynton bekerja di CU-Boulder berfokus pada pengembangan resin yang menggunakan ikatan kimia terkait imina yang dapat ditukar. Ikatan terkait-imina, katanya, telah terkenal di dunia kimia selama beberapa dekade, tetapi memiliki reputasi tidak stabil di hadapan air. Ikatan terkait imina, kata Taynton, “sangat istimewa karena, sebagai ikatan rangkap karbon-nitrogen, ikatan ini sangat kuat dan stabil, tetapi juga mudah ditukar dengan ikatan C=N terdekat lainnya tanpa memerlukan katalis. Terobosan yang kami miliki di CU-Boulder adalah pengembangan jaringan terkait imina yang sangat stabil. Ini membuka pintu ke platform kimia baru yang tidak hanya dapat bersaing dengan kinerja mekanis termoset tradisional, tetapi juga memungkinkan pemrosesan pasca-penyembuhan reversibel dari polimer ikatan silang yang sepenuhnya sembuh.”

Lebih lanjut, catat Taynton, jaringan terkait-imina Mallinda dapat diproduksi menggunakan reagen yang tersedia secara komersial. Meskipun atribut seperti itu, “kinerja mekanis, titik harga, sensitivitas lingkungan, dan kemampuan manufaktur produk awal Mallinda semuanya kurang kompetitif untuk resin komposit. Perkembangan kami di tahun-tahun sejak meninggalkan CU-Boulder berfokus pada penanganan semua masalah ini. Kami mampu mengembangkan teknologi platform material yang kuat secara mekanis dan serbaguna untuk bersaing dengan material lama yang sudah ada.”

Taynton mengatakan makalah pertamanya tentang jaringan terkait imina, diterbitkan pada tahun 2014, mengantisipasi aplikasi bahan sebagai resin matriks untuk digunakan dalam pembuatan komposit. “Potensinya ada,” katanya, “tetapi ada banyak tanda tanya yang telah kami jawab dalam enam tahun terakhir.”

Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan tersebut berpusat pada pengembangan formulasi yang ditargetkan pada produksi skala komersial. Hari ini, kata Taynton, “kita tidak perlu mensintesis esoterik, prekursor kimia untuk memformulasi resin kita. Karena kami tidak perlu mensintesis spesies kimia baru, biaya produksi jauh lebih rendah, dan kami dapat meningkatkan skala dengan sangat cepat.”

Hasilnya adalah matriks resin yang menurut Taynton "dimulai seperti termoset lainnya." Ini adalah formulasi dua bagian yang memiliki masa pakai pot dan diawetkan menggunakan salah satu metode tradisional yang umum dalam fabrikasi komposit, termasuk pencetakan kompresi, pengeringan oven, atau pengawetan autoklaf. Ini sembuh dalam 1-3 menit dan sepenuhnya terhubung seperti termoset. Itu juga dapat ditentukan sebelumnya. Namun, saat resin dipanaskan hingga suhu di atas T_g . material , ikatan imina tersebut mulai bertukar dengan cepat dan resin melunak. Dalam keadaan melunak ini, bagian dapat dibentuk kembali sampai suhu resin turun kembali di bawah Tg, di mana titik reaksi pertukaran ikatan pada dasarnya melambat menjadi nol karena jaringan dibekukan oleh transisi gelas.

Karena kimia reversibel yang melekat pada vitrimer, bahan yang diawetkan juga dapat didepolimerisasi dan dipisahkan dari serat dalam kondisi ringan, hanya dengan penambahan prekursor monomer. Monomer itu sendiri bereaksi secara reversibel ke dalam jaringan, dan memecahnya menjadi segmen molekul yang lebih kecil, menghasilkan resin cair, yang mudah dipisahkan dari serat dan pengisi (lihat video, di atas). Resin yang diperoleh kembali tanpa modifikasi dapat diformulasikan ke dalam generasi berikutnya dari resin vitrimer kelas produksi. Menurut Taynton, resin generasi kedua dapat mengandung beban resin daur ulang sebesar 30-40%, yang akan memungkinkan penghematan biaya lebih lanjut di sisi resin selain nilai bahan serat yang dipulihkan.

Apa yang harus mereka sebut bahan seperti itu? Taynton menekankan bahwa meskipun diproses ulang mirip dengan termoplastik, itu tidak sebuah termoplastik. Dan meskipun menyembuhkan dan mengikat silang seperti termoset, itu bukan epoksi, poliester, vinil ester atau sistem resin umum lainnya. “Kami menyebutnya termoset yang dapat diproses ulang atau dapat dibalik,” kata Taynton.

Produk, aplikasi

Mallinda sedang mengembangkan dan mengkomersialkan dua resin berdasarkan teknologi terkait iminanya. Taynton mengatakan yang pertama, Vitrimax T60, yang ditargetkan untuk pasar barang olahraga, memiliki fitur T_g yang memungkinkan material dilunakkan pada suhu yang tersedia untuk pengguna akhir rumahan (60-80 °C) dan kemudian dibentuk ulang untuk modifikasi fisik khusus.

Kemungkinan penggunaan bahan ini termasuk tiang ski dan bantalan yang sesuai untuk perlindungan pribadi. Produk kedua, yang disebut Vitrimax T130, diposisikan sebagai pengganti epoksi struktural standar. Ini memiliki rentang suhu proses 180-200 °C dan T_g dari 130 °C. Ini dapat dibentuk dengan kompresi dan ditargetkan untuk digunakan pada suku cadang otomotif, tutup spar bilah angin, dan struktur industri.

Formulasi Mallinda dapat dibeli dalam bentuk cair, tetapi Taynton mengatakan format yang paling mudah digunakan adalah lembaran yang sepenuhnya diawetkan. Untuk memproduksinya, Mallinda melakukan prepreg serat pilihan dan kemudian segera menyembuhkannya untuk membuat produk lembaran. Lembaran ini dapat dengan mudah diangkut dan disimpan pada suhu kamar, tidak memiliki batasan umur simpan dan dapat dengan cepat dipanaskan kembali untuk melunakkannya untuk dibentuk menjadi bentuk akhir. “Waktu masuk cetakan selama proses pembentukan ini sangat cepat,” kata Taynton. “Juga, kami telah menunjukkan ikatan interlaminar yang baik dari bahan kami. Ini juga mengikat dengan sangat baik ke epoksi. ” Resin Mallinda, Taynton melaporkan, memiliki energi permukaan yang mirip dengan epoksi, sehingga kompatibel dengan sebagian besar serat yang berukuran untuk digunakan dengan epoksi.

Juga dalam karya Mallinda adalah varietas resin yang kompatibel dengan pultrusion, resin transfer moulding (RTM) dan kaset UD. Resin yang sesuai dengan api, asap dan toksisitas (FST) juga sedang dikembangkan. Selain itu, resin sedang dinilai untuk digunakan dengan serat aramid dan serat polietilen dengan berat molekul ultra-tinggi (UHMWPE). Pengelasan dan kemampuan perbaikan juga sedang diperhatikan, kata Taynton.

Pergi ke pasar

Taynton berpendapat bahwa ketika dia dan Kaffer mendirikan Mallinda, fokus awal mereka adalah pada pengembangan resin yang dapat diproses ulang yang cepat sembuh menggunakan proses manufaktur komposit standar. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, dia berkata, “Kekuatan pendorong untuk produk ini adalah ekonomi sirkular. Daur ulang telah menjadi keharusan, terutama di UE, dan bahan kami sangat cocok untuk itu.”

Bagaimanapun penggunaannya, membawa produk ini ke pasar tentu saja membutuhkan pengembangan kapasitas manufaktur skala industri. Mallinda sedang membangun kapasitas di lokasinya di Denver untuk memproduksi 1 A.S. ton dari masing-masing produk Vitrimax T60 dan T130. Materi dari baris ini akan digunakan untuk uji coba pelanggan dan program validasi.

Produksi skala penuh akan ditangani secara tol oleh mitra industri yang, kata Taynton, lebih siap untuk tugas itu. Mallinda akan menangani pengembangan produk dan penjualan. Mallinda saat ini mempekerjakan delapan orang, tetapi Taynton memperkirakan jumlah tersebut akan meningkat menjadi 12-15 orang setelah perusahaan mendapatkan pendanaan putaran berikutnya.