Menciptakan Ulang Komposit: Bahan Berkelanjutan untuk Masa Depan
Saat teknologi komposit berkembang, pemahaman kita tentang apa yang dapat dilakukan komposit dan apa yang dapat ditawarkannya juga harus berkembang.
Blog ini berasal dari press release yang saya terima dari IntegriCo Composites (Sarepta, La., AS), yang memproduksi tiang rel kereta komposit dan mat konstruksi. Dalam melihat press release dan website mereka, keduanya berfokus pada daur ulang dan transformasi sampah plastik menjadi produk akhir berkelanjutan dengan kinerja yang ditingkatkan, saya menyadari ini adalah teknologi plastik 100%. Jadi, saya menulis kembali dan berkata, "definisi komposit Anda tidak cocok dengan kami." Tapi saya salah.
Bagaimana campuran menjadi komposit
Apa definitori komposit?
Saya menjelaskan bahwa sementara IntegriCo klaim produknya adalah komposit dengan properti unggul, mereka sebenarnya adalah ali — amalgamasi dilelehkan dari plastik. Tidak ada penguat serat dan tidak lebih dari satu material yang dapat diidentifikasi dalam produk akhir.
Brian Arkwood, chief technical officer untuk IntegriCo, tidak setuju, menjelaskan bahwa produk IntegriCo adalah campuran dari dua atau lebih jenis material yang mempertahankan identitas unik, dirancang dan dirancang melalui pemrosesan untuk menyampaikan karakteristik dan kinerja unggul. "Izinkan saya untuk mengklarifikasi," katanya.
Proses kami menggunakan campuran HDPE (high density polyethylene) dan LDPE (low density polyethylene), serta polipropilena dan polistiren. Ini adalah dengan desain, karena setiap polimer yang berbeda ini berkontribusi pada karakteristik keseluruhan produk akhir. Kami dapat memanipulasi dan/atau mengubah properti produk akhir dengan berbeda rasio setiap plastik dan/atau pemrosesan campuran keseluruhan. Plastik yang berbeda ini tidak sekedar dilelehkan bersama, namun.
Di sinilah campuran ini menjadi berbeda sebagai komposit:
"Plastik berat molekul (HMW) yang tidak meleleh tersebar melalui polimer kontinu dari plastik yang diproses di atas suhu leleh. Saat campuran ini pendingin, plastik melalui proses nukleasi. Laju dan proses nukleasi dikontrol oleh suhu pemrosesan, laju pendinginan dan pemuatan agen nukleasi yang kemudian. Agen ini adalah kimia yang dikembangkan oleh IntegriCo dan hanya digunakan dalam proses kami."
"Saat nukleasi berlangsung, kristalinitas keseluruhan campuran plastik dimanipulasi dan polimer non-leleh HMU terikut di antara rantai polimer yang terikat kovalen. Polimer juga dimanipulasi melalui stres geser untuk mengurangi viskositas selama pencetakan untuk mempromosikan interaksi dan ikut-ng tangkal yang lebih baik antara polimer yang dinukleasi dan polimer non-leleh."
Nukleasi, kristalinitas dan kontrol aspek rasio
Bagi saya, konsep kunci di sini adalah nukleasi (proses awal pembentukan kristal), kontrol kristalinitas (manajemen pembentukan kristal) dan manipulasi proses untuk mencapai antarmuka yang lebih baik antara polimer yang terikut dan dinukleasi dan polimer non-leleh. Bagian terakhir ini benar-benar penting untuk komposit, karena tanpa antarmuka yang baik antara material yang berbeda, tidak ada transfer beban yang efektif dan tidak ada kinerja unggul.
Juga, ingatlah bahwa di area pertumbuhan tinggi komposit termoplastik, polimer yang menawarkan properti mekanik yang lebih tinggi serta daya tahan suhu dan kimia yang lebih besar adalah semi-kristal. Properti semi-kristal ini dicapai dan disesuaikan dengan mengelola kristalinitas, paling sering melalui kontrol suhu selama pemrosesan.
Tiang rel kereta komposit IntegriCo menawarkan cara untuk menggunakan kembali sampah plastik dalam produk komposit kinerja unggul, di mana plastik leleh panjang memperkuat matriks plastik leleh rendah. SUMBER | IntregiCo Composites
Deskripsi Arkwood juga membuat saya memikirkan plastik samapen (SRP), seperti Pure, Curv, Armordon, Tegris dan yang terbaru, proyek BIO4SELF, yang memenangkan JEC Innovation Award 2019. Biasanya, komposit SRP dibuat dengan menggunakan polimer suhu leleh rendah (PE, PP atau biopolimer PLA) dan memperkuatnya dengan serat suhu leleh tinggi yang terbuat dari polimer yang sama. Penggunaan polimer suhu leleh tinggi dan rendah ini tepatnya apa yang dilakukan IntegriCo. Jadi saya bertanya kepada Arkwood apakah polimer non-leleh berat molekul (HMW) yang ia gunakan sebenarnya muncul/membentuk/berperilaku seperti serat?
"Ini memungkinkan beberapa manfaat yang sama seperti serat," katanya. "Kami mengubah rasio aspek polimer HMW dalam matriks polimer untuk mendorong properti produk. Meningkat atau menurunkan polimer HMW, bersama dengan perubahan pada parameter operasional lainnya, dapat memiliki efek signifikan pada properti plastik seperti modulus elastisitas, modulus patah dan kekejaman."
Arkwood menjelaskan bahwa IntegriCo dapat memodifikasi rasio polimer dan parameter operasional untuk memenuhi kebutuhan pelanggan spesifik. "Kami telah mendokumentasikan ini dengan data pengujian destruktif dan telah memenuhi permintaan yang didorong properti untuk pelanggan termasuk Union Pacific dan Angkatan Darat AS. Rasio polimer — HMW ke LMW dan linier ke non-linier atau sangat cabang — memainkan peran dalam produk kami seperti penguat serat dalam produk komposit plastik lainnya, dengan mempengaruhi properti kinerja kunci kekuatan, kekakuan, kekejaman dan ketahanan."
Kelestarian
Jadi, poin pertama, IntegriCo memang memberikan inspirasi yang layak untuk dicatat oleh industri komposit saat planet kita dihancurkan oleh sampah. Lebih dari 90% plastik menjadi sampah di seluruh dunia dan lebih dari 34 juta ton metrik plastik dikirim ke landfill atau pembakar setiap tahun di AS dan Kanada saja. IntegriCo menawarkan solusi nyata dengan mendaur ulang plastik kaku campuran dan grade 3-7 yang biasanya tidak dapat didaur ulang, yang China berhenti terima pada 2018. Grade plastik 3-7 adalah yang lebih sulit untuk didaur ulang sebagaimana diklasifikasikan oleh ASTM International Resin Identification Coding System (RIC) yang mengidentifikasi polimer konstituen dan daur ulangabilitas semua plastik. Grade 1 (PETE, PET) dan 2 (HDPE) sangat dapat didaur ulang, dan 5 (PP) mulai didaur ulang, sementara semua grade lain termasuk 3 (PVC), 4 (LDPE), 6 (PS) dan 7 (Lainnya) saat ini tidak didaur ulang. Dengan demikian, IntegriCo membuat perbedaan, mengalihkan sampah dari landfill dan merancangnya menjadi produk komposit bernilai tambah yang lebih tahan lama dari alternatif, menghasilkan lebih sedikit sampah seiring waktu.
Nano-CMCs
Poin kedua saya adalah teknologi sedang maju dalam apa yang merupakan komposit. Saya percaya hal ini sudah mempengaruhi kemajuan ilmu material komposit dan saya ingin meminspirasi perkembangan lebih lanjut. Apa yang memicu sadaran ini bagi saya adalah penggunaan Arkwood dari nukleasi. Saya segera mengenalinya dari penelitian terbaru saya tentang komposit matriks keramik nano (nano-CMCs, lihat artikel Juli 2019 saya tentang nano komposit).
Ini adalah dari artikel Nov 2017, "Polymer and ceramic nanocomposites for aerospace applications":
“Nanokomposit adalah materi abad ke-21 dengan tingkat pertumbuhan tahunan 25% karena kemampuan multifungsi mereka. … Kemungkinan menggabungkan properti yang diinginkan, nanokomposit memperluas potensinya dalam aplikasi penerbangan dan misi antarik di masa depan. … Nanofiller meningkatkan kemampuan nukleasi dengan meningkatkan interaksi antarmuka dengan matriks polimer."
Saya tidak dapat menjamin tingkat pertumbuhan 25%, tetapi jelas bahwa nanokomposit menawarkan banyak potensi. Teks ini membahas nukleasi nanofiller. Apa yang baru bagi saya adalah pengembangan nano-CMCs di mana matriks keramik sebenarnya diperkuat bukan dengan serat atau filler tetapi dengan keramik lain, di mana nukleasi dan kristalisasi dari yang terakhir dikontrol untuk menghasilkan penguat rasio aspek tinggi.
Dalam fitur Juli 2019 saya tentang nanokomposit, saya menggunakan ilustrasi dari artikel Paola Palmero 2015, "Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders' Synthesis Methods" untuk menunjukkan contoh komposit skala mikro dan nano. A, B dan C menunjukkan matriks skala mikro (micronic) yang diperkuat dengan nanopartikel, nanoserat atau nanoplatelet, masing-masing, sementara D memiliki penguat nano yang bulat dan rasio aspek tinggi. Namun, E dan F menunjukkan nanokomposit bi-fasis dan multi-fasis, masing-masing, di mana keramik skala nano tidak bercampur.
Fig. 1 Struktur komposit mikro/nano umum untuk bahan keramik.
SUMBER | "Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders' Synthesis Methods" oleh Paola Palmero.
Palmero menggambarkan kristalisasi in-situ fase kedua pada permukaan partikel matriks — dengan kata lain, matriks adalah fase pertama dan keramik lain adalah fase kedua — sebagai salah satu proses kunci yang terlibat dalam manufaktur nanokomposit keramik. Setelah kristalisasi, ukuran dan bentuk kristal atau butir keramik dielola, yang sangat penting, karena hal ini menentukan properti bulk komposit keramik. Misalnya, butir panjang dikenal memiliki efek in-situ penguat. Palmero mencatat bahwa kemampuan untuk menyesuaikan fitur nanostruktur yang diinginkan dalam komposit sinter ini sangat penting namun menantang, memerintahkan kontrol proses yang ketat selama pencampuran, pembentukan, sintering dan densifikasi.
Ilustrasi dan diskusi yang sama terlihat dalam Fig. 6 di buku Intechopen.com, Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites. Bagian 9.1.2 membahas mikrostruktur nanokomposit silicon nitride(Si3N4)/silicon carbide (SiC), yang dibuat dengan sintering (hot pressing). Mikrostruktur mereka mengandung partikel panjang besar β- Si3N4 (whiskers) yang dikelilingi oleh partikel β- Si3N4 yang lebih halus dengan bentuk jarum. Mikrograf elektron pemindaian di bawah dari Fig. 7b menunjukkan struktur ini pada pembesaran 20.000 kali.
Potongan silang komposit keramik bi-fasis (kiri) dan komposit plastik daur ulang (kanan) sebenarnya cukup mirip, meskipun sangat berbeda dari potongan silang komposit serat berkelanjutan tradisional.
SUMBER | Figure 7, Section 9.1.2 from Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites by Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová and Petr Jonšta (kiri) dan potongan silang tiang rel kereta komposit, IntegriCo Composites (kanan).
Manfaat komposit bi- dan multi-fasis
Jadi mengapa ini bermanfaat bagi industri komposit? Karena ilmuwan material menggunakan definisi komposit baru ini untuk mencapai kombinasi unik yang disesuaikan dari properti mekanik, termal, listrik dan ablasi. Misalnya, Naval Research Laboratory (NRL, Washington, D.C., AS) telah mengembangkan komposit silicon nitride, zirconium nitride dan titanium diboride serta metode untuk memperkuatnya dengan serat tahan. Keramik refraktori ini menunjukkan kekuatan tinggi, stabilitas termal dan konduktivitas listrik dan termal yang bervariasi yang memungkinkan mereka untuk memenuhi tuntutan komponen kendaraan hipersonik — sesuatu yang tidak dapat dilakukan oleh komposit polimer organik bahkan aloi logam canggih.
NRL juga mengembangkan teknologi pencetakan aditif yang akan memasukkan nanostruktur ke dalam bahan ini dan lebih jauh menyesuaikan properti dielektrik, termal dan pelindung elektromagnetik pada resolusi yang lebih tinggi dari yang mungkin dengan bahan yang saat ini tersedia. Bahkan jika Anda tidak setuju dengan aplikasi pertahanan yang direncanakan untuk bahan ini, mereka juga dapat menyediakan solusi yang berharga untuk eksplorasi antarik yang direncanakan dan misi ke Mars. Namun, mereka juga dapat membuka jalan baru untuk komposit berbahan dasar bio sepenuhnya yang menawarkan tidak hanya kinerja tinggi di bumi ini, tetapi juga kemampuan untuk melakukannya secara berkelanjutan dan dengan cara yang material dan produk akhir dapat diproduksi dan didaur ulang menggunakan lebih sedikit energi dan sumber daya.
Saya tidak menyarankan bahwa komposit diperkuat serat keluar dari panggung atau bahkan pudar. Namun, saat teknologi berkembang, pemahaman kita tentang apa yang dapat dilakukan komposit dan apa yang dapat ditawarkannya juga harus berkembang.
