Vật liệu composite đang hướng tới mục tiêu giảm thiểu khí thải carbon.

Vật liệu composite không gây chú ý, nhẹ, chịu được mỏi và thời tiết khắc nghiệt, dễ tạo hình, và do đó phù hợp với nhiều ứng dụng: cánh máy bay, cánh quạt tuabin gió, khung xe đạp, chân tay giả y tế, và nhiều hơn nữa. Những đặc tính độc đáo của chúng đã truyền cảm hứng cho các nhà khoa học và kỹ sư từ đầu thế kỷ 20. Vật liệu composite ban đầu được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ vào những năm 1960, vì chúng cung cấp một giải pháp thay thế nhẹ giúp giảm đáng kể nhu cầu nhiên liệu. Trong bối cảnh hào hứng đó, các câu hỏi về tác động môi trường và tiềm năng tái chế của vật liệu đã bị bỏ qua. Tuy nhiên, ngày nay, nhiều bộ phận composite đang đến cuối vòng đời sử dụng, và mối lo ngại về tác động môi trường và xã hội ngày càng gia tăng. Để đáp ứng điều này, các nhà khoa học đã và đang phát triển một thế hệ vật liệu composite mới được thiết kế cho nền kinh tế tuần hoàn. Những vật liệu tiên tiến này dựa trên những tiến bộ trong sợi thực vật, nhựa sinh học, hợp chất tự phục hồi và các phương pháp sản xuất tiết kiệm năng lượng. Chúng tôi đã xem xét một số đột phá đang được phát triển tại EPFL và các công ty khởi nghiệp của viện.

Vừa bền vừa dễ uốn

Những đặc tính vượt trội của vật liệu composite xuất phát từ việc chúng được tạo ra bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều vật liệu – thường là ma trận polymer và mạng lưới sợi thủy tinh hoặc sợi carbon – trong một cấu trúc tối ưu hóa sự phân bố lực và mang lại hiệu suất tốt hơn bất kỳ vật liệu đơn lẻ nào. Một số vật liệu composite được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến điều kiện khắc nghiệt và phải có khả năng chịu lực cao, chẳng hạn như thân máy bay và tên lửa vũ trụ. Trong các ứng dụng khác, khả năng chịu lực như vậy không cần thiết và có thể sử dụng các vật liệu thân thiện với môi trường hơn và các phương pháp sản xuất ít thâm canh hơn. Ví dụ, sợi lanh và sợi gai dầu đã khá phổ biến trong một số bộ phận của thuyền, ô tô và cabin máy bay. “Ngày nay, các kỹ sư đang áp dụng cách tiếp cận toàn vòng đời trong thiết kế các bộ phận composite”, Giáo sư Véronique Michaud, trưởng phòng thí nghiệm Chế biến Vật liệu Composite Tiên tiến (LPAC) thuộc Trường Kỹ thuật EPFL, cho biết. “Ví dụ, các bộ phận làm từ sợi carbon ít thân thiện với môi trường hơn trong quá trình sản xuất, nhưng khi được sử dụng trong máy bay, chúng có thể giảm đáng kể lượng nhiên liệu cần thiết trong suốt vòng đời của máy bay. Mặt khác, sợi thực vật có lợi thế là nguồn tài nguyên tái tạo, nhưng chúng ta cần xem xét thuốc trừ sâu, phân bón và nước được sử dụng để trồng chúng. Sợi từ cây chuối là một lựa chọn đầy hứa hẹn, vì dù sao thì nông dân trồng chuối cũng nhổ cây của họ ba năm một lần. Chúng ta có thể tái sử dụng những sợi này thay vì để chúng bị lãng phí.”

Hiện nay, các kỹ sư đang áp dụng phương pháp tiếp cận toàn diện theo vòng đời sản phẩm trong thiết kế các bộ phận composite.

Nhựa là một loại vật liệu composite khác, nhưng chúng thường bị chỉ trích vì tác động đến môi trường do chủ yếu được làm từ các dẫn xuất dầu mỏ. Các nhà hóa học đang nghiên cứu một số chất thay thế sinh học hiện đang được kết hợp vào polyme ở các mức độ khác nhau. Tuy nhiên, cuộc cách mạng thực sự trong lĩnh vực này có thể đến từ vitrimer, một loại nhựa thế hệ mới đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học vật liệu. Vitrimer là một vật liệu composite lý tưởng, vì chúng kết hợp các đặc tính của hai nhóm polyme thông thường rất khác nhau: độ bền cao, điều không may là khiến vật liệu khó tái chế; và tính dễ uốn, giúp vật liệu dễ gia công và tái sử dụng nhưng cũng kém bền hơn. “Vitrimer mở ra cánh cửa cho một thế giới đầy những khả năng,” Michaud nói. “Tại LPAC, chúng tôi đang tham gia vào dự án ZeroPol do Innosuisse tài trợ, nhằm mục đích giảm thiểu lượng khí thải carbon của nhựa trong suốt vòng đời của chúng. Vai trò của chúng tôi là thử nghiệm các hợp chất khác nhau được phát triển bởi một công ty lớn có trụ sở tại Basel để xem chúng có thể được sử dụng trong vật liệu composite như thế nào. Cụ thể, chúng tôi đang chế tạo các bộ phận mẫu và sau đó đo các đặc tính của chúng.” LPAC cũng đang tham gia vào một dự án do EU tài trợ để phát triển một loại vitrimer tương đối mềm có thể được định hình lại bằng cách sử dụng một lượng nhiệt nhỏ. Một ứng dụng tiềm năng của công nghệ này là tai nghe.

Giảm lượng khí thải carbon bằng vật liệu composite tự đông cứng

Đối với vật liệu composite hiệu suất cao, phần lớn tác động đến môi trường xuất phát từ quy trình sản xuất tiêu tốn nhiều năng lượng. Các vật liệu này thường được xử lý ở nhiệt độ cao trong nồi hấp áp suất, một thiết bị tương tự như nồi áp suất khổng lồ. “Gần 95% năng lượng tiêu thụ được dùng để làm nóng nồi hấp đến nhiệt độ thích hợp,” Michaud cho biết. Để giảm lượng năng lượng tiêu thụ này, các nhà khoa học tại LPAC đang phát triển một loại nhựa tự đóng rắn cần ít nhiệt lượng bên ngoài hơn. “Ý tưởng là chiếu tia cực tím vào một góc của chi tiết composite, sau đó để nhiệt tự lan tỏa nhờ cấu trúc phân tử của vật liệu.” Kỹ thuật này đã được chứng minh là hiệu quả trên các mẫu thử, nhưng cần thêm vài năm nghiên cứu nữa trước khi có thể triển khai trên quy mô lớn. Tuy nhiên, LPAC đã phát triển các phương pháp đóng rắn khác không cần nồi hấp áp suất. Những phương pháp này đã được thử nghiệm thành công và một trong số đó đã được sử dụng vào đầu những năm 2000 để chế tạo thân tàu đua Alinghi. Beyond Gravity (trước đây là RUAG Space), một công ty hàng không vũ trụ có trụ sở tại Zurich, đã sử dụng quy trình tương tự để chế tạo vỏ bọc tải trọng cho tên lửa Ariane.

Từ vật liệu composite tự phục hồi đến sợi thông minh

Mặc dù vật liệu composite có khả năng chịu lực cực tốt, nhưng chúng không miễn nhiễm với những va đập mạnh có thể làm thay đổi cấu trúc của chúng. Cả các nhà nghiên cứu đại học và các nhà sản xuất đều mong muốn phát triển các vật liệu composite tự phục hồi có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận có tuổi thọ cao hơn. Các vật liệu composite này chứa các chất tự phục hồi được giải phóng khi xuất hiện các vết nứt hoặc chỗ lồi lõm. Công ty CompPair, một công ty con của EPFL, đang tiếp thị công nghệ này; nhựa của họ có thể tự sửa chữa khi nhiệt (khoảng 100°C) được tác dụng vào vị trí bị hư hỏng. Tuy nhiên, điều này chỉ giải quyết được một phần vấn đề. Khi các bộ phận composite bị hỏng, thường là do lỗi trong cách các thành phần của chúng được liên kết với nhau chứ không phải do vấn đề với chính vật liệu. Đó là điều xảy ra với cánh quạt tuabin gió, chẳng hạn. Trong trường hợp này, LPAC đang hợp tác với Nhóm Cơ học Composite (GR-MeC) của EPFL để phát triển một loại keo bao gồm một phần các vi hạt polymer giúp hỗn hợp có độ đặc phù hợp và cho phép sửa chữa các vết nứt chỉ bằng cách tác dụng nhiệt. Một hướng nghiên cứu khác là bổ sung các sợi thông minh vào vật liệu composite để thu thập dữ liệu trực tiếp bên trong chi tiết, từ đó phát hiện khi nào cần sửa chữa hoặc khi nào cần loại bỏ chi tiết đó. LPAC đang hợp tác với Phòng thí nghiệm Vật liệu Quang tử và Thiết bị Sợi của EPFL do Fabien Sorin đứng đầu, chuyên về sợi thông minh, trong một số dự án thuộc lĩnh vực này.

Vật liệu composite sẽ được xử lý như thế nào khi hết hạn sử dụng?

Sự kết hợp phức tạp của các vật liệu là điều làm cho vật liệu composite trở nên hữu ích, nhưng điều này cũng gây ra vấn đề khi đến lúc tái chế. Các bộ phận composite thế hệ đầu tiên hiện đang đến cuối vòng đời sử dụng, và hầu hết chúng đều bị đốt hoặc chôn lấp vì các vật liệu cấu thành đã lỗi thời. Tuy nhiên, các kiến ​​trúc sư và kỹ sư xây dựng đang nghiên cứu các cách thức tái sử dụng các công trình cũ làm bằng vật liệu composite. “Hiện tại, đây vẫn là một ứng dụng chuyên biệt, nhưng nó hoàn toàn có thể mở rộng,” Giáo sư Anastasios Vassilopoulos, người đứng đầu Nhóm Cơ học Vật liệu Composite, cho biết. “Chúng tôi đã hợp tác với Clemens Waldhart, tại AAF Architects và giảng viên tại Phòng thí nghiệm Kiến trúc Cơ bản và Nghiên cứu Các Loại hình của EPFL, trong các dự án tái sử dụng cánh quạt tuabin gió làm vật liệu xây dựng [hình 1] và tạo ra một phần nhô ra cho đường tránh phía nam Lausanne rồi lắp đặt các tấm pin mặt trời trên đó [hình 2]. Cả hai dự án đều đang trong giai đoạn phát triển và tìm kiếm sự hỗ trợ đầy đủ từ các bên liên quan.”

Một phương pháp khác là sử dụng vật liệu composite đã qua sử dụng, có thể phân hủy thành các thành phần cấu tạo – sợi và polyme – bằng cách sử dụng dung môi hoặc quy trình nhiệt phân, bao gồm việc nung nóng vật liệu composite ở nhiệt độ cao. Một số công ty, trong đó có Composite Recycling (có trụ sở tại EPFL) và Verretex, đang nỗ lực làm cho các phương pháp này thân thiện hơn với môi trường và mang lại lợi nhuận cao hơn. Composite Recycling đã phát triển một hệ thống di động có thể thu hồi các bộ phận tàu thuyền đã qua sử dụng trực tiếp tại cảng. Hệ thống này tạo ra các mảnh sợi tái chế đủ dài để có thể tái sử dụng mà không cần bước nấu chảy trước đó. Trong khi đó, Verretex đã phát minh ra một quy trình tái chế tạo ra các sợi ngắn không dệt với chất lượng tương đương sợi ban đầu và có thể bán với số lượng lớn.