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2024-09-30 14:55:03
機械試験用のプローブです。クレジット: イオン・イサスティ
プラスチックによる環境への影響の削減は、より耐久性の高いプラスチックの製造やリサイクルなど、さまざまな戦略を通じて取り組むことができます。一般に、プラスチックには主に 2 つの種類があります。 1 つ目は熱可塑性プラスチックで、溶融して成形して他の物体を形成することができますが、何度か溶融すると機械的特性が弱まります。そして 2 つ目の熱硬化性樹脂は、それを形成するポリマーの鎖が化学結合によって絡み合っているため、高温でも溶けません。
熱硬化性プラスチックは、熱可塑性プラスチックと比較して有利な特性を持っています。これらは衝撃や機械的ストレスに対する耐性が高い傾向がありますが、より脆い性質もあります。エポキシ樹脂、シリコーン、またはメラミンは、建築に一般的に使用される熱硬化性プラスチックの例です。
これらのプラスチックを強化するために、エンジニアはカーボンファイバーなどの強化材を追加します。これらはすでにオートバイのヘルメットやスポーツ用品などの製造に使用されており、簡単にリサイクルすることはできませんが、非常に耐久性があります。
IMDEA Nanocienciaでは、Emilio Pérez氏が率いる低次元材料の化学グループがNanocore社と協力して、リサイクル可能なプラスチックを強化する戦略を研究している。研究対象となったプラスチックは「共有結合に適応可能なネットワーク」であり、その分子構造は熱硬化性プラスチックの分子構造に似ていますが、強い共有結合を組み込んでいると同時にポリマー鎖間で可逆的であるという特徴があります。
作品は 出版された 日記で 先端機能材料。
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3 種類の強化材 (1-カーボン ナノチューブのみ、2-機械的に連結されたナノチューブ (MINT)、およびポリマーへの共有結合を持つ 3-MINT) のひずみと適用された応力 (左) および引張とヤング率 (右)補強なしのプラスチックとの比較。クレジット: エミリオ・ペレス
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クレジット: IMDEA ナノサイエンス
具体的には、結合が動的であるイミンを処理します。水や温度によって切断され、再配置される可能性があります。この研究の新規性は、周囲に環分子を持つカーボン ナノチューブの誘導体、つまり機械的に結合したカーボン ナノチューブ MINT を使用していることにあります。環状分子は化学的ではなく機械的にカーボン ナノチューブに取り付けられているため、両者の間の結合は非常に強力ですが、同時にナノチューブに沿った分子の一定の移動を可能にします。
研究者らは、ポリマーと共有結合できるように、リングに 2 つのアンカー ポイント (2 つのアミン) を装備しました。このようにして、ナノチューブはポリマーネットワークの構造部分になります。
カーボン ナノチューブは本質的にはグラフェンのシートを巻き上げたものです。ナノチューブを他の分子と結合するには、チューブを少し破壊し、欠陥を追加して弱める共有結合によって直接結合することが可能です。
研究者らが追求した戦略は、機械的結合（ナノチューブの周りの環状分子）を利用してナノチューブをポリマー格子に統合し、そのすべての特性を維持し、マトリックスから補強材への荷重伝達を最大化するものである。言い換えれば、これ以上改善することはできないのです。
コンセプトは単純です。ナノチューブをリングで囲むことにより、強化の効果を低下させるこれらの繊維の凝集が防止されます。さらに、ポリマー相互作用サイトがリング内に提供され、応力伝達が向上します。ポリマー混合物に重量でわずか 1% のナノチューブを添加すると、ヤング率が 77% 向上し、引張強度が 100% 向上します。驚くべきことに、この強化プラスチックの機械的特性は、最大 4 回まで溶解およびリサイクルされた後も損なわれることはありません。
工学における混合の法則は、化合物の特性が、元の材料の特性がその比率に従って混合されたものであることを示します。マドリードの研究者らが主導した研究は、これはナノスケールレベルで両方の化合物間で機械的応力の効果的な伝達が存在する場合にのみ当てはまることを確認した。
研究者らはその研究で、ポリマーから最も強力な材料であるナノチューブに機械的応力を伝達する際の最大効率を達成した。ナノチューブのヤング率は 1TPa で、鋼よりも 5 倍硬く、はるかに軽い材料です。
プラスチックにナノチューブをさらに追加しても、ナノチューブが凝集し始めて効率が低下するため、プラスチックは強くなりません。成功の鍵は、ナノチューブとポリマー間の共有結合にあります。
炭素繊維とほぼ同じ強度を持ち、溶かしてリサイクルできるプラスチックを製造することは夢です。新しい、より環境に優しく、より持続可能なシナリオにしっかりと貢献できるビフォーアフター。
ペレス氏は、「自動車や飛行機などのより軽量な構造物を製造することは、かなりの燃料節約を意味するでしょう」と説明する。より少ない材料で製造し、リサイクル可能性を確保することで、有望な展望が開けます。
詳細情報:
Ion Isasti et al、SWNT の機械的に連結された誘導体によるポリイミン共有結合適応ネットワークの強化。 先端機能材料 （2024年）。 DOI: 10.1002/adfm.202408592
引用: 研究者らはリサイクル可能なプラスチックを強化するためにカーボン ナノチューブ誘導体を使用 (2024 年 9 月 30 日)、2024 年 9 月 30 日に取得
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