Vitrimers: Termoset Dapat Daur Ulang untuk Komposit Material Canggih

Ada kata baru untuk ditambahkan ke kamus komposit Anda, dan itu akan layak mendapatkan perhatian: Vitrimers. Pertama kali ditemukan dan diberi nama pada 2011 oleh peneliti Prancis Ludwik Leibler, vitrimers adalah kelas plastik yang berasal dari polimer termoakur yang terdiri dari jaringan kovalen molekuler yang dapat mengubah topologinya melalui reaksi pertukaran ikatan yang diaktifkan termal. Seperti termoakur, vitrimers dapat diformulasikan untuk menyilang pada suhu tertentu. Seperti termoplastik, pada suhu yang lebih tinggi vitrimers dapat lunak dan diubah bentuk.

Hingga beberapa waktu yang lalu, vitrimers terutama terbatas pada lingkungan akademik dan laboratorium. Namun, selama beberapa tahun terakhir, sejumlah pemasok telah mengkomersialkan vitrimers yang membuktikan bahwa kelas material ini akan tinggal. Salah satu pemasok tersebut, Mallinda (Denver, Colorado, AS), beroperasi dan produk berdasarkan teknologi vitrimer, dan membuktikan kelayakan material.

Vitrimers lahir

Philip Taynton, CTO Mallinda, mendirikan perusahaan pada 2014 bersama teman kelas Chris Kaffer, CEO. Taynton dan Kaffer bertemu di University of Colorado (CU-Boulder), di mana keduanya berada dalam program pasca sarjana, Taynton mengejar doctoratnya dalam kimia dan Kaffer MBA. Mallinda dibuat untuk mengkomersialkan penelitian vitrimer yang dilakukan Taynton di CU-Boulder. Tujuannya, katanya, adalah untuk mengembangkan dan membawa ke pasar resin matriks yang akan diproses seperti termoakur epoksi, tetapi diproses ulang seperti termoplastik. Kaffer mendapatkan pendanaan awal untuk perusahaan dari U.S National Science Foundation (NSF) dan State of Colorado, yang memulai perusahaan.

Pada 2016, Taynton dan Kaffer memindahkan Mallinda ke Berkeley Lab (Berkeley, California, AS) Cyclotron Road program, sekarang disebut Activate Fellowship, sebuah inkubator teknologi yang dirancang untuk membantu ilmuwan wirausaha maju proyek dengan potensi dampak global. Di sini, Kaffer dan Taynton bekerja untuk mematangkan teknologi vitrimer mereka dan menyesuaikan jalur menuju komersialisasi. “Fellowship ini terbukti instrumental dalam dua cara kunci,” ujar Taynton. “Pertama, ini memungkinkan kami untuk fokus pada pengurangan risiko teknis di lingkungan kelas dunia. Kedua, ini memungkinkan kami untuk sangat memperluas jaringan mitra strategis, pelanggan, investor, talenta dan mentor kami.”

Pada 2018, Taynton dan Kaffer memindahkan Mallinda kembali ke Colorado dan memulai pengembangan produk dan produksi dengan serius. Sejalan dengan itu, mereka mendapatkan pendanaan tambahan dari NSF, State of Colorado, U.S. Department of Energy (DOE) dan investasi seri A dari SABIC Ventures.

Termoset dapat diproses ulang

Penelitian vitrimer Taynton di CU-Boulder berfokus pada pengembangan resin yang menggunakan ikatan kimia imine yang dapat ditukar. Ikatan imine, katanya, telah dikenal dalam dunia kimia selama beberapa dekade, tetapi memiliki reputasi tidak stabil dalam kehadiran air. Ikatan imine, kata Taynton, “istimewa karena, sebagai ikatan ganda karbon-nitrogen, ia sangat kuat dan stabil, tetapi juga dapat ditukar dengan ikatan C=N terdekat lainnya tanpa memerlukan katalis. Terobosan yang kita miliki di CU-Boulder adalah pengembangan jaringan imine yang sepenuhnya stabil. Ini membuka pintu ke platform kimia baru yang tidak hanya dapat bersaing dengan performa mekanik termoakur tradisional, tetapi juga memungkinkan pemrosesan pasca-curing reversibel dari polimer bersilang yang telah di-cure sepenuhnya.”

Selanjutnya, catat Taynton, jaringan imine Mallinda dapat diproduksi menggunakan reagensi yang tersedia secara komersial. Meskipun memiliki atribut tersebut, produk awal Mallinda “performa mekanik, titik harga, sensitivitas lingkungan dan kemanufakturannya semuanya kurang kompetitif untuk resin komposit. Pengembangan kami selama bertahun-tahun sejak meninggalkan CU-Boulder telah berfokus pada mengatasi semua masalah ini. Kami berhasil mengembangkan platform teknologi bahan yang kuat dan serbaguna untuk bersaing dengan bahan legasi yang ada.”

Taynton mengatakan makalah pertamanya tentang jaringan imine, yang diterbitkan pada 2014, memprediksi aplikasi material sebagai resin matriks untuk digunakan dalam manufaktur komposit. “Potensi ada,” katanya, “tetapi ada banyak tanda tanya yang telah kami jawab dalam enam tahun terakhir.”

Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan itu berpusat pada pengembangan formulasi yang difokuskan pada produksi skala komersial. Hari ini, Taynton mengatakan, “kita tidak perlu menyintesis prekursor kimia yang esoteris untuk memformulasikan resin kita. Karena kita tidak perlu menyintesis spesies kimia baru, biaya produksi jauh lebih rendah, dan kita dapat menskalakan dengan sangat cepat.”

Hasilnya adalah matriks resin yang Taynton katakan “dimulai seperti termoakur lainnya.” Ini adalah formulasi dua bagian yang memiliki pot life dan di-cure menggunakan salah satu metode tradisional yang umum dalam fabrikasi komposit, termasuk press molding, oven cure atau autoclave cure. Ini di-cure dalam 1-3 menit dan sepenuhnya bersilang seperti termoakur. Ini juga dapat di-prepreg. Namun, ketika resin dipanaskan pada suhu di atas T_g material, ikatan imine mulai ditukar dengan cepat dan resin menjadi lunak. Dalam keadaan lunak ini, bagian dapat diubah bentuk hingga suhu resin turun kembali di bawah Tg, di titik tersebut reaksi pertukaran ikatan melambat pada dasarnya menjadi nol saat jaringan membeku oleh transisi kaca.

Karena kimia reversibel yang inheren pada vitrimers, material yang telah di-cure juga dapat di-depolimerisasi dan dipisahkan dari serat dalam kondisi ringan, hanya dengan menambahkan prekursor monomer. Monomer itu sendiri secara reversibel bereaksi ke dalam jaringan, dan memecahnya menjadi segmen molekuler yang lebih kecil, menghasilkan resin cair, yang mudah dipisahkan dari serat dan filler (lihat video, di atas). Resin yang dipulihkan tanpa modifikasi dapat diformulasikan ke dalam generasi berikutnya dari resin vitrimer grade produksi. Menurut Taynton, resin generasi kedua dapat memuat muatan resin daur ulang 30-40%, yang akan menghemat biaya lebih lanjut di sisi resin selain nilai dari serat yang dipulihkan.

Apa yang harus mereka sebut material seperti itu? Taynton menekankan bahwa meskipun diproses ulang mirip dengan termoplastik, itu bukan termoplastik. Dan meskipun di-cure dan bersilang seperti termoakur, itu bukan epoksi, polyester, vinyl ester atau sistem resin umum lainnya. “Kami menyebutnya termoakur dapat diproses ulang atau reversibel,” Taynton mengatakan.

Produk, aplikasi

Mallinda tengah mengembangkan dan mengkomersialkan dua resin berdasarkan teknologi imine-linked-nya. Taynton mengatakan yang pertama, Vitrimax T60, yang ditargetkan ke pasar barang olahraga, memiliki T_g yang memungkinkan material menjadi lunak pada suhu yang tersedia untuk pengguna rumah (60-80°C) dan kemudian diubah bentuk untuk modifikasi fisik kustom.

Penggunaan yang mungkin untuk material ini meliputi tongkat ski dan bantal pelindung yang menempel untuk perlindungan diri. Produk kedua, disebut Vitrimax T130, diposisikan sebagai pengganti drop-in untuk epoksi struktural standar. Ini memiliki rentang suhu proses 180-200°C dan T_g 130°C. Ini dapat di-form press dan ditargetkan untuk digunakan pada bagian otomotif, spar cap daun angin bangunan dan struktur industri.

Formulasi Mallinda dapat dibeli dalam bentuk cair, tetapi Taynton mengatakan format yang paling ramah pengguna adalah lembar yang telah di-cure sepenuhnya. Untuk menghasilkan ini, Mallinda prepreg serat pilihan dan segera meng-cure-nya untuk menciptakan produk lembar. Lembar ini dapat dengan mudah diangkut dan disimpan di suhu kamar, tidak ada batasan masa simpan dan dapat dengan cepat dipanaskan kembali untuk melunakkannya untuk diubah bentuk menjadi bentuk akhir. “Waktu dalam cetakan selama proses forming ini sangat cepat,” Taynton mengatakan. “Selain itu, kami telah menunjukkan ikatan interlaminar yang baik dari material kita. Ini juga sangat baik untuk menempel pada epoksi.” Resin Mallinda, menurut Taynton, memiliki energi permukaan yang mirip dengan epoksi, sehingga kompatibel dengan sebagian besar serat yang tersedia untuk digunakan dengan epoksi.

Sedang dikembangkan oleh Mallinda adalah varietas resin yang kompatibel dengan pultrusion, resin transfer molding (RTM) dan UD tapes. Resin yang mematuhi fire, smoke and toxicity (FST) juga sedang dikembangkan. Selain itu, resin sedang dievaluasi untuk digunakan dengan serat aramid dan serat polyethylene bobot molekular ultra-tinggi (UHMWPE). Pengelasan dan kemampuan perbaikan juga sedang diperiksa, kata Taynton.

Berjualan ke pasar

Taynton berpendapat bahwa ketika dia dan Kaffer mendirikan Mallinda, fokus awal mereka adalah pada pengembangan resin dapat diproses ulang yang di-cure dengan cepat menggunakan proses manufaktur komposit standar. Dalam beberapa tahun terakhir, katanya, “Dorongan untuk produk ini adalah ekonomi lingkaran. Daur ulang telah menjadi sangat penting, terutama di Uni Eropa, dan material kita cocok untuk itu.”

Bagaimanapun cara penggunaannya, membawa produk ini ke pasar tentu saja akan memerlukan pengembangan kapasitas manufaktur skala industri. Mallinda membangun kapasitas di lokasi Denver-nya untuk menghasilkan 1 ton AS dari setiap produk Vitrimax T60 dan T130. Material dari garis ini akan digunakan untuk uji coba pelanggan dan program validasi.

Produksi skala penuh akan ditangani secara toll oleh mitra industri yang, kata Taynton, lebih siap untuk tugas tersebut. Mallinda akan menangani pengembangan produk dan penjualan. Mallinda saat ini menpekerjakan delapan orang, tetapi Taynton mengasumsikan angka itu akan meningkat menjadi 12-15 setelah perusahaan mendapatkan ronde pendanannya berikutnya.