Il riciclaggio non impedisce necessariamente che un oggetto finisca in una discarica, secondo Enrique Gomez, preside associato ad interim per l'equità e l'inclusione e professore di ingegneria chimica al Penn State College of Engineering. Invece, il riciclaggio ne ritarda semplicemente la fine della vita. Le bottiglie di plastica che vengono riciclate e poi trasformate in moquette, ad esempio, finiscono nella discarica quando la moquette si consuma e viene gettata via.
Tuttavia, la sinterizzazione a freddo, il processo di combinazione di materiali a base di polvere in forme dense a basse temperature mediante pressione applicata utilizzando solventi, consente di riciclare i materiali più e più volte.
"Questa è l'idea della sinterizzazione a freddo:puoi prendere due o più materiali destinati alla discarica, combinarli e creare un composito, e riciclare il composito ancora e ancora, senza perdita di prestazioni", ha affermato Gomez.
In tre articoli recenti, Gomez e il suo team delineano tre nuovi usi della sinterizzazione a freddo che fanno avanzare il riciclaggio nella scienza dei materiali.
In un articolo pubblicato su Materials Horizons , i ricercatori hanno utilizzato la sinterizzazione a freddo per combinare il polipropilene, un comune rifiuto plastico difficile da riciclare a causa di problemi di lavorazione e smistamento, con un materiale ceramico. Il risultato è stato un composito che potrebbe essere utilizzato per realizzare materiali da costruzione strutturali come muri a secco o ponti esterni.
"La sinterizzazione a freddo della plastica con materiali ceramici produce compositi resistenti e resistenti, perfetti per l'uso nell'edilizia", ha affermato Po-Hao Lai, studente di dottorato in ingegneria chimica e primo autore dell'articolo. "Questi compositi possono essere sottoposti a molteplici cicli di riciclaggio con la sola aggiunta di acqua, offrendo minori richieste di energia e acqua rispetto ai materiali da costruzione convenzionali."
Inoltre, secondo i ricercatori, il riciclaggio tradizionale porta spesso al downcycling, in cui la qualità del materiale diminuisce ad ogni ciclo di riciclaggio, con conseguente perdita di proprietà preziose. Combinando i rifiuti di plastica con la ceramica in compositi, il metodo non solo risolve i limiti del riciclaggio meccanico ma supera anche gli svantaggi della ceramica, come la fragilità.
Quando i materiali da costruzione hanno raggiunto la fine del loro ciclo di vita, possono essere nuovamente macinati nel processo di sinterizzazione a freddo e riutilizzati. I ricercatori hanno dimostrato competenza nella rimolatura e nella sinterizzazione a freddo del composito fino a 10 volte.
"Se rifai il tuo mazzo utilizzando questi materiali, e poi decidi di voler cambiarne il design, puoi semplicemente recuperarlo, macinarlo e sinterizzarlo a freddo e rifarlo in qualcos'altro, come un portico o una panchina", ha affermato Bryan Vogt. , professore di ingegneria chimica e co-autore dell'articolo Materials Horizons.
In uno studio pubblicato su ChemSusChem , i ricercatori hanno applicato la sinterizzazione a freddo ai componenti elettrolitici solidi e liquidi delle batterie a stato solido. Le batterie al litio a stato solido sono ad alta densità energetica, sicure, non infiammabili e possono essere utilizzate in veicoli elettrici, dispositivi indossabili o batterie per laptop.
"I difetti nelle batterie, come vuoti e crepe causati dallo stress meccanico sugli elettroliti a stato solido nelle batterie, possono bloccare i percorsi di trasporto degli ioni di litio e portare la batteria al cortocircuito", ha affermato Yi-Chen Lan, dottorando in ingegneria chimica. e primo autore dell'articolo.
"Per riciclare gli elettroliti che hanno subito un degrado meccanico, utilizziamo la sinterizzazione a freddo per ridensificare le microstrutture e rielaborare gli elettroliti compositi mescolando ceramica con polimeri e sali di litio."
L'idea della sinterizzazione a freddo degli elettroliti liquidi necessari nelle batterie a stato solido è nata nel 2018, quando uno studioso post-dottorato del Gruppo Gomez ha rotto accidentalmente un campione di elettrolito liquido durante un esperimento.
"Ha deciso di rielaborare il campione di elettrolita attraverso la sinterizzazione a freddo e abbiamo scoperto che funzionava altrettanto bene dopo essere stato rielaborato", ha affermato Gomez. "All'epoca non ci rendevamo conto che questo era un concetto che potevamo sfruttare, e così è nato questo articolo."
Secondo Lan, il ritrattamento e il riutilizzo degli elettroliti utilizzati in queste batterie porta a un minore consumo di energia e a un minore impatto ambientale nel tempo, il che a sua volta promuove la fattibilità e la sostenibilità di tutti i tipi di batterie a stato solido.
In un articolo pubblicato su MRS Communications , i ricercatori hanno sinterizzato a freddo un composito che viene utilizzato nei condensatori, che sono componenti importanti dei veicoli elettrici. Negli esperimenti, hanno combinato il titanato di bario ceramico con Teflon o politetrafluoroetilene.
"Il nostro lavoro in MRS Communications dimostra il potenziale del riciclaggio di materiali che sarà cruciale per l'elettrificazione dei trasporti e quindi per la riduzione dei gas serra", ha affermato Hongtao Sun, assistente professore di ingegneria industriale e manifatturiera e co-autore corrispondente dell'articolo.
La sinterizzazione a freddo è stata sviluppata nel 2016 da un team di ricercatori guidati da Clive Randall, direttore del Materials Research Institute della Penn State e illustre professore di scienza e ingegneria dei materiali.
"Ora vediamo molti altri gruppi di ricerca adottare il processo di sinterizzazione a freddo in tutto il mondo nelle università, nei laboratori nazionali e persino nell'industria", ha affermato Randall.
"Sono rimasto stupito dalla diversità delle applicazioni che stanno emergendo, ma la ricerca del Gruppo Gomez stabilisce un percorso per un'economia circolare, una strategia estremamente importante necessaria per un futuro sostenibile."
Ulteriori informazioni: Po-Hao Lai et al, Riciclo dei rifiuti di plastica in compositi completamente riciclabili tramite sinterizzazione a freddo, Orizzonti dei materiali (2024). DOI:10.1039/D3MH01976D
Yi‐Chen Lan et al, La sinterizzazione a freddo consente il ritrattamento di compositi basati su LLZO, ChemSusChem (2024). DOI:10.1002/cssc.202301920
Juchen Zhang et al, Sinterizzazione a freddo e riciclaggio di compositi ceramici assistiti da polimeri di dimensioni nanometriche, MRS Communications (2024). DOI:10.1557/s43579-024-00524-9
Informazioni sul giornale: Orizzonti dei materiali
Fornito dalla Pennsylvania State University
