Afgedankte vliegtuigcomposieten krijgen tweede leven als aerogel

Onderzoekers van de National University of Singapore hebben een manier ontwikkeld om koolstofvezel/epoxy-composietafval om te zetten in een lichtgewicht aerogel. Het materiaal isoleert warmte, absorbeert geluid en kan na een oppervlaktebehandeling olie opnemen. De studie laat zien dat de koolstofvezels en de epoxyhars samen in één nieuw materiaal kunnen worden benut.

Koolstofvezelversterkte epoxycomposieten zijn aantrekkelijk voor toepassingen waarin een hoge sterkte en een laag gewicht belangrijk zijn. Ze worden onder meer toegepast in de luchtvaart, windturbines en andere hoogwaardige constructies. Aan het einde van de levensduur vormen ze echter een lastig afvalprobleem. De koolstofvezels zitten opgesloten in een uitgeharde epoxyhars, een thermoharder die na uitharding niet opnieuw kan worden gesmolten.

Veel bestaande recyclingroutes proberen daarom vooral de koolstofvezels terug te winnen. Daarbij blijft de hars als reststroom over of wordt deze verwerkt tot een materiaal met een lagere waarde. De onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) kiezen een andere route: zij proberen het volledige composietmateriaal opnieuw te benutten.

De technologie kan interessant zijn voor composietafval uit de luchtvaart, maar de studie toont niet aan dat complete afgedankte vliegtuigonderdelen zonder meer volgens deze route kunnen worden verwerkt. Vliegtuigcomposieten kunnen bovendien verschillende samenstellingen, coatings, lijmen en andere materialen bevatten. Voor toepassing op daadwerkelijke end-of-life vliegtuigonderdelen is daarom aanvullend onderzoek nodig.

Van composietafval naar aerogel

De onderzoekers malen het CFE-afval tot een homogeen mengsel van fijn poeder en korte koolstofvezelfragmenten. Dat wordt vervolgens gemengd met natriumcarboxymethylcellulose. Door dit mengsel te vriesdrogen, ontstaat een zeer poreuze aerogel met een gelaagde, lamellaire structuur.

De resulterende materialen hebben een dichtheid van ongeveer 0,08 tot 0,12 gram per kubieke centimeter en een porositeit van 91,25 tot 94,51 procent. Het grootste deel van het materiaalvolume bestaat daarmee uit poriën. De onderzoekers rapporteren bovendien een elasticiteitsmodulus tot circa 419 kPa. Juist die poreuze structuur bepaalt een groot deel van de eigenschappen.

Warmtegeleiding vergelijkbaar met isolatiematerialen

De gemeten warmtegeleidingscoëfficiënt ligt tussen 0,042 en 0,049 W/mK. Dat is laag genoeg om het materiaal interessant te maken als thermische isolator. De onderzoekers gebruikten daarnaast een eindige-elementenanalyse om het warmtegedrag van de poreuze structuur te modelleren; de berekende waarden kwamen goed overeen met de experimentele resultaten.

Daarmee is echter nog niet aangetoond dat de aerogel direct kan concurreren met bestaande isolatieproducten in de praktijk. Daarvoor zijn onder meer langdurige testen, vocht- en temperatuurbestendigheid, brandgedrag, mechanische duurzaamheid en productie op grotere schaal relevant.

Geluidsabsorptie en oliespons

Ook akoestisch heeft het materiaal interessante eigenschappen. De onderzoekers bepaalden een *noise reduction coefficient* (NRC) tot 0,51. Dat wijst op een behoorlijke mate van geluidsabsorptie.

Een derde toepassing is het opruimen van olieverontreiniging. Hiervoor werd het oppervlak van de aerogel waterafstotend gemaakt. Het behandelde materiaal nam in de experimenten tot 14,39 gram olie per gram aerogel op. Dat maakt toepassingen bij olielekkages of olie-water-scheiding denkbaar. Ook hier gaat het echter om laboratoriumonderzoek. De olie-opname is gemeten onder specifieke experimentele omstandigheden en zegt nog niets over de prestaties bij bijvoorbeeld zeewater, stroming, verontreinigde olie of herhaald gebruik.

Toxiciteit

De onderzoekers onderzochten ook de biologische compatibiliteit van het materiaal. In de uitgevoerde celtesten bleef de levensvatbaarheid van fibroblastcellen bij de onderzochte concentraties boven 88 procent. Dat ondersteunt de conclusie dat het materiaal onder deze testcondities geen sterke cytotoxische effecten liet zien.

Opschaling

De studie is vooral interessant omdat de onderzoekers de koolstofvezel en epoxyhars niet eerst van elkaar hoeven te scheiden. Het volledige composiet wordt verwerkt tot één nieuw materiaal. Daarmee verschuift het perspectief van recycling van afzonderlijke componenten naar het opwaarderen van de totale afvalstroom.

De onderzoekers noemen hun aanpak solventvrij en beschrijven deze als een potentiële schaalbare route. Tegelijkertijd moet de industriële haalbaarheid nog worden aangetoond. Met name de combinatie van malen, CMC-verwerking en vriesdrogen verdient aandacht bij opschaling.

Vooral het vriesdrogen is daarbij een belangrijk aandachtspunt. In een laboratorium is het relatief eenvoudig om kleine hoeveelheden materiaal te vriesdrogen; een economisch aantrekkelijk continu proces voor grote hoeveelheden composietafval is iets anders. Ook het energiegebruik, de kosten, de benodigde apparatuur en de milieuwinst over de volledige levenscyclus moeten nog worden vastgesteld.