Nhà khoa học Việt mở hướng phát triển vật liệu xanh từ phế liệu máy bay

Nghiên cứu sinh Phan Ngô Minh Quang là tác giả đầu tiên của nghiên cứu, PGS.TS Dương Minh Hải, Khoa Cơ khí, Trường Thiết kế và Kỹ thuật, NUS, chủ trì, cùng sự tham gia của các nhà khoa học tại Singapore, Việt Nam và Trung Quốc. Kết quả được công bố trên tạp chí khoa học Waste Management.

Nghiên cứu sinh Phan Ngô Minh Quang (bên trái) - tác giả chính, và PGS.TS Dương Minh Hải - trưởng nhóm nghiên cứu, bên mẫu aerogel sợi carbon - epoxy do nhóm nghiên cứu tại NUS phát triển. Ảnh: NUS

Tận dụng cả sợi carbon và epoxy

Composite sợi carbon - epoxy được sử dụng trong nhiều kết cấu cần độ bền cao nhưng trọng lượng thấp, đặc biệt là máy bay, turbine gió và các phương tiện giao thông hiện đại. Tuy nhiên, việc xử lý loại vật liệu này sau khi hết vòng đời sử dụng không đơn giản.

Sợi carbon có giá trị cao và có thể tái sử dụng. Khó khăn chủ yếu nằm ở epoxy. Khác với nhiều loại nhựa có thể nung chảy để tạo hình lại, epoxy sau khi đóng rắn rất khó tái chế theo cách thông thường.

Vì vậy, các phương pháp hiện nay chủ yếu tập trung thu hồi sợi carbon, trong khi phần epoxy thường bị phá hủy, loại bỏ hoặc chỉ được sử dụng để tạo ra những sản phẩm có giá trị thấp hơn. Một số công nghệ có thể xử lý sâu hơn nhưng cần nhiệt độ cao, hóa chất mạnh hoặc tiêu tốn nhiều năng lượng.

Nhóm nghiên cứu do PGS.TS Dương Minh Hải dẫn đầu lựa chọn cách tiếp cận khác: tận dụng toàn bộ vật liệu thay vì tách sợi carbon khỏi epoxy.

Phế liệu composite được nghiền thành bột mịn và những đoạn sợi ngắn, sau đó kết hợp với carboxymethyl cellulose, một chất kết dính có nguồn gốc từ cellulose. Hỗn hợp tiếp tục được đông khô để tạo thành aerogel - vật liệu rất nhẹ và xốp, với phần lớn thể tích là các khoảng rỗng chứa không khí.

Theo kết quả công bố trên Waste Management ngày 29-6, khoảng 91-94% thể tích của aerogel là khoảng rỗng. Cấu trúc này giúp hạn chế truyền nhiệt và hấp thụ sóng âm. Các thử nghiệm cho thấy vật liệu có khả năng cách nhiệt, hấp thụ âm thanh, qua đó có thể được nghiên cứu cho các sản phẩm cách nhiệt, cách âm và kiểm soát tiếng ồn.

Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm khả năng sử dụng aerogel trong xử lý ô nhiễm môi trường. Sau khi bề mặt được xử lý để hạn chế thấm nước, vật liệu có thể hấp thụ một lượng dầu đáng kể nhưng ít hút nước. Đặc tính này mở ra khả năng nghiên cứu ứng dụng trong xử lý dầu tràn hoặc tách dầu khỏi nước.

Các thử nghiệm với tế bào nguyên bào sợi chưa ghi nhận độc tính của vật liệu trong điều kiện nghiên cứu. Đây là cơ sở để nhóm tiếp tục đánh giá các ứng dụng tiềm năng liên quan đến con người và môi trường.

Từ loại phế liệu composite vốn khó xử lý, nhóm nghiên cứu đã tạo ra vật liệu mới có thể hướng tới ba nhóm ứng dụng chính: cách nhiệt, hấp thụ âm thanh và xử lý dầu tràn.

Nghiên cứu sinh Phan Ngô Minh Quang - tác giả chính của nghiên cứu, chuẩn bị mẫu aerogel sợi carbon - epoxy bằng phương pháp sấy đông khô. Ảnh: NUS

Tìm “vòng đời thứ hai” cho vật liệu công nghệ cao

Composite sợi carbon - epoxy ngày càng được sử dụng trong hàng không, ô tô, năng lượng tái tạo và nhiều ngành công nghiệp công nghệ cao. Cùng với đó, lượng vật liệu cần xử lý sau khi hết thời gian sử dụng cũng sẽ gia tăng.

Việc tìm phương án xử lý những cánh turbine gió, linh kiện máy bay và các kết cấu composite sau nhiều năm vận hành vì thế ngày càng trở nên quan trọng.

“Vật liệu composite tiên tiến đã cho phép tạo ra các cấu trúc nhẹ hơn và hiệu quả hơn trong nhiều ngành công nghiệp. Bước tiếp theo là bảo đảm rằng các vật liệu này có thể được quản lý bền vững khi kết thúc vòng đời sử dụng”, PGS.TS Dương Minh Hải nhấn mạnh.

Nhóm nghiên cứu hiện tìm kiếm cơ hội hợp tác với các đối tác trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, vật liệu tiên tiến, sản xuất và quản lý chất thải. Các bước tiếp theo sẽ tập trung vào mở rộng quy mô công nghệ, đồng thời đánh giá hiệu quả môi trường và kinh tế trước khi hướng tới ứng dụng trong công nghiệp.

Nghiên cứu mở thêm một hướng tận dụng phế liệu composite sau khi hết vòng đời sử dụng, thay vì chỉ tập trung thu hồi sợi carbon như các phương pháp xử lý hiện nay.