Gli studenti laureati Yufeng Quan e Ruiqing Shen utilizzano un estrusore bivite da banco per la produzione sostenibile ed efficiente di nanocompositi polimerici a base di struttura metallo-organica. Credito:Dr. Qingsheng Wang
Il Dr. Qingsheng Wang, professore associato e George Armistead '23 Faculty Fellow presso il Dipartimento di ingegneria chimica Artie McFerrin presso la Texas A&M University, e il suo team di ricercatori hanno trascorso oltre tre anni alla ricerca di modi più efficienti per produrre strutture metallo-organiche (MOF) compositi a base di materiali per applicazioni industriali come ritardanti di fiamma.
I MOF sono una classe di materiali cristallini con porosità permanente e ampie applicazioni, tra cui purificazione del gas, separazione del gas, bonifica dell'acqua, catalisi e somministrazione di farmaci. Tuttavia, è necessario un miglioramento del processo per produrre MOF a una capacità maggiore nell'industria man mano che l'uso e le applicazioni dei compositi a base di MOF si espandono.
"Per produrre MOF è necessaria una profonda comprensione dell'ingegneria di processo e delle condizioni rigorose, e anche con questo, solo una piccola quantità può essere prodotta alla volta", ha affermato Wang. "Sono necessarie molte modifiche per migliorare il processo se vogliamo produrre MOF in serie".
Il gruppo di Wang ha pubblicato quattro studi in Pubblicazioni ACS per quanto riguarda le loro scoperte sulla stabilità dei MOF, i processi di sviluppo dei MOF, la produzione di compositi a base di MOF e le loro applicazioni nel ritardante di fiamma.
Attualmente, la maggior parte dei compositi MOF-polimero sono preparati in base a un principio dal basso verso l'alto che richiede reazioni chimiche complesse miscelate all'interno di diversi polimeri in soluzioni. Questo processo in più fasi richiede molto tempo, energia e denaro per produrre quantità minime.
Combinando parti del processo di sviluppo del MOF, il team di Wang ha scoperto un metodo in una fase che utilizza l'estrusione di reazione per produrre compositi a base di MOF su scala più ampia in modo sicuro ed efficace. Insieme alle condizioni di riscaldamento, al taglio applicato e alle forze di compressione, i MOF possono soddisfare le condizioni di reazione richieste per la sintesi meccanochimica.
Inoltre, i risultati forniscono nuove informazioni sulla creazione di sistemi polimerici a base di MOF per le poliolefine, riducendo le loro emissioni di fumo e migliorando il ritardo di fiamma durante la combustione. Il metodo ha anche migliorato la sicurezza e l'efficienza migliorando la stabilità termica e le proprietà meccaniche del MOF riducendone al contempo l'infiammabilità.
Questo lavoro è stato recentemente pubblicato su ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
"Se utilizziamo la produzione di estrusione reattiva, possiamo prendere il materiale di partenza combinato con un polimero per produrre MOF e mescolarlo direttamente con la plastica trascurando diverse fasi di reazione nei metodi idrotermali convenzionali", ha affermato Wang. "Utilizzando questo processo, ogni giorno possiamo aggirare la scala del chilogrammo rispetto al metodo tradizionale, che di solito può produrre solo in scala del grammo."
Sperano di vedere questo metodo utilizzato nell'industria per far progredire gli sforzi di sostenibilità, miglioramento dei processi e sicurezza dei processi.
Nel loro studio pubblicato su Ricerca chimica industriale e ingegneristica , Wang ha mostrato l'uso del MOF come ritardante di fiamma. Un MOF disponibile in commercio è stato incorporato in un sistema composito intumescente ritardante di fiamma/polipropilene (IFR/PP). I risultati mostrano che gli additivi mostrano un forte effetto sinergico tra di loro per migliorare la formazione e la stabilità dello strato di carbone intumescente per prevenire la combustione intensiva del PP.
Questi risultati potrebbero migliorare i sistemi IFR per le poliolefine, riducendo le loro emissioni di fumo durante la combustione. Considerando che tutte le materie prime sono disponibili in commercio e il metodo di preparazione è compatibile con gli attuali processi industriali, la metodologia presentata in questo studio può essere ampliata per applicazioni industriali.
"Possiamo utilizzare i MOF in tanti modi, dal trattamento delle acque alla cattura del carbonio", ha affermato Wang. "Vorrei continuare a migliorare questo processo in modo che l'industria possa utilizzare i MOF su scala più ampia in varie applicazioni utili". + Esplora ulteriormente
