Composietmaterialen met koolstofvezel zijn sterk, licht en bijna niet kapot te krijgen. Dat laatste is tijdens het gebruik een groot voordeel, maar wordt een probleem zodra een vliegtuigonderdeel, windturbineblad of ander composietproduct wordt afgedankt. Onderzoekers van de National University of Singapore hebben nu een manier ontwikkeld om dit lastige afval vrijwel volledig te verwerken tot een nieuw materiaal: een lichte en poreuze aerogel.
De methode is ontwikkeld door een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Duong Hai Minh van de National University of Singapore (NUS). In plaats van alleen de kostbare koolstofvezels terug te winnen, gebruiken de onderzoekers zowel de vezels als de epoxyhars waaruit het oorspronkelijke composiet bestaat.
Dat levert een aerogel op die onder meer geschikt kan zijn als isolatiemateriaal, geluidsdemper en absorberend materiaal voor het opruimen van olie. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Waste Management.
Sterk materiaal, lastig afval
Koolstofvezelcomposieten worden veel toegepast in vliegtuigen, auto’s, schepen en windturbines. Het materiaal combineert een laag gewicht met een hoge sterkte en goede weerstand tegen corrosie. Moderne verkeersvliegtuigen zoals de Boeing 787 en Airbus A350 bestaan bijvoorbeeld voor een aanzienlijk deel uit composietmaterialen.
De eigenschappen die deze materialen aantrekkelijk maken, bemoeilijken echter de recycling. Koolstofvezels worden doorgaans ingebed in een epoxyhars. Die hars is een zogenoemde thermoharder: tijdens het uitharden ontstaat een permanent netwerk van chemische verbindingen. Anders dan bij veel thermoplastische kunststoffen kan het materiaal daarna niet simpelweg opnieuw worden gesmolten en gevormd.
Bestaande recyclingtechnieken richten zich daarom vaak op het terugwinnen van de koolstofvezels. Daarbij wordt de epoxy bijvoorbeeld met hoge temperaturen of chemische processen verwijderd. De hars gaat verloren of eindigt als product met een relatief lage waarde. Bovendien kunnen dergelijke processen veel energie of chemicaliën vergen.
Van composiet naar sponsachtig materiaal
De onderzoekers in Singapore pakken het anders aan. Ze vermalen het composietafval mechanisch tot een mengsel van fijn poeder en korte vezelfragmenten. Daaraan voegen ze carboxymethylcellulose toe, een bindmiddel op basis van cellulose.
Het mengsel wordt vervolgens gevriesdroogd. Daarbij ontstaat een zeer poreuze, sponsachtige structuur waarin de resten van koolstofvezel en epoxy bij elkaar worden gehouden. Het eindproduct heeft een dichtheid van ongeveer 0,08 tot 0,12 gram per kubieke centimeter en een porositeit van ruim 91 tot bijna 95 procent. Het grootste deel van het volume bestaat dus uit lucht.
Juist die structuur maakt het materiaal interessant als isolator. Lucht kan in de kleine onderling verbonden poriën nauwelijks circuleren, waardoor warmte relatief langzaam door het materiaal beweegt. Tijdens laboratoriumtests maten de onderzoekers een warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,042 tot 0,049 watt per meter kelvin. Dat ligt in dezelfde orde van grootte als verschillende gangbare isolatiematerialen, al zal nog moeten blijken hoe de aerogel zich bij langdurig en grootschalig gebruik gedraagt.
Niet alleen voor isolatie
De poreuze structuur blijkt meer mogelijkheden te bieden. Tijdens akoestische tests absorbeerde het materiaal geluid, met een gemeten noise reduction coefficient tot 0,51. Daarmee zou het gerecyclede composiet bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden in lichtgewicht panelen die zowel warmte als geluid moeten tegenhouden.
De onderzoekers keken ook naar een heel andere toepassing: het opruimen van olie. Door het oppervlak waterafstotend te maken, kan de aerogel olie opnemen terwijl water grotendeels wordt afgestoten. Na zo’n behandeling kon het materiaal bijna vijftien gram olie per gram aerogel absorberen. Dat maakt toepassingen bij olielekkages en de scheiding van olie en water denkbaar.
Tests met fibroblastcellen leverden onder de onderzochte omstandigheden bovendien geen aanwijzingen op dat het materiaal giftig is. Volgens de onderzoekers biedt dat ruimte om ook andere toepassingen te onderzoeken.
De belangrijkste stap moet nu buiten het laboratorium worden gezet. Vriesdrogen werkt goed voor kleine hoeveelheden materiaal, maar opschaling naar een continu industrieel proces is aanzienlijk ingewikkelder. Het team zoekt daarom samenwerking met bedrijven uit onder meer de luchtvaart, maakindustrie, afvalverwerking en materiaaltechnologie.
Daarbij zal niet alleen moeten worden gekeken of grote hoeveelheden aerogel betrouwbaar geproduceerd kunnen worden. Ook energiegebruik, kosten en de totale milieuwinst moeten worden doorgerekend. Juist dat bepaalt uiteindelijk of afgedankte composieten daadwerkelijk een tweede leven krijgen, in plaats van dat de nieuwe toepassing vooral in het laboratorium aantrekkelijk blijft.
