Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) của Bộ Năng lượng Mỹ, sử dụng hóa học polymer chuyển hóa một loại nhựa gia dụng thông thường thành chất kết dính tái sử dụng, có sự kết hợp giữa độ bền chắc và độ dẻo cao, trở thành một trong những vật liệu kết dính cứng nhất từng được biết đến.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances, về nguyên tắc đã mở ra lộ trình mới, thiết kế chất kết dính bền chắc mới với những tính năng mong muốn, kết hợp thành một vật liệu duy nhất . Công nghệ phù hợp với kết nối chịu tải nặng, chịu được áp lực căng thẳng và nhiệt độ cao đồng thời có được liên kết thuận nghịch với những bề mặt khác nhau như kính, nhôm và thép.
Tomonori Saito, nhà khoa học thuộc ORNL, tác giả công trình nghiên cứu cho biết, những chất kết dính cứng và bền vững rất khó thiết kế vì vật liệu cần sự kết hợp những tính năng cứng và mềm không tương thích với nhau. Các chất kết dính kết cấu như epoxy phần lớn được thiết kế có độ bền chịu lực nhưng thiếu độ dẻo dai, tính chất giúp vật liệu tiêu tán ứng suất khi bị ấn xuống hoặc kéo căng để tránh gãy vớ đột ngột. Thách thức lớn nhất là tăng cường độ dẻo dai trong các vật liệu dẻo mà không phải hy sinh độ bền vững.
Các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu tái sử dụng và nâng cao giá trị một loại nhựa nhiệt dẻo hàng hóa, polystyrene-b-poly (ethylene-co-butylene) -b-polystyrene, hoặc SEBS, vật liệu polymer cao su dễ gia công nhưng không được thiết kế để bám dính chắc chắn.
Mục tiêu của nâng cấp là tăng giá trị cho những loại nhựa dân dụng, đang sản xuất với khối lượng lớn cho các ứng dụng thông thường, dùng một lần như hộp đựng thực phẩm, đồ chơi và đồ gia dụng.
Nhóm nghiên cứu thực hiện sửa đổi cấu trúc hóa học của SEBS bằng những liên kết chéo động, khiến vật liệu bền vững hơn, đồng thời tạo ra hướng tái sử dụng cho nhựa ngoài tái chế truyền thống, nâng cao hiệu suất vật liệu cho những ứng dụng mới và chuyên dụng.
Sơ đồ liên kết cộng hóa trị động este boronic với ma trận polymer và hạt nano SiNPs
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học sử dụng các este boronic để kết hợp SEBS với các hạt nano silica (SiNP), một vật liệu độn được sử dụng để tăng cường độ bền vững của các polymer. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu tổng hợp boronic ester-SiNP liên kết chéo mới.
Thông thường, các liên kết chéo tạo ra các liên kết vĩnh viễn, không cho chất kết dính bị loại bỏ hoặc tái sử dụng. Nhưng trong nghiên cứu này, các este boronic cho phép liên kết chéo "động" hoặc có thể nghịch đảo, đồng thời là chìa khóa cho độ bám dính rất cao và khả năng tái xử lý của vật liệu mới.
Những hợp chất hóa học độc đáo này có thể tạo ra những liên kết bền vững, có thể hình thành và phá vỡ nhiều lần, tính chất bất thường khiến vật chất trở nên rất quan trọng đối với thiết kế vật liệu bền vững.
Nhóm nghiên cứu đã có một khám phá cơ bản là các este boronic trên SEBS có thể sắp xếp lại các liên kết với các nhóm hydroxyl —oxy và hydro trên SiNP để thích ứng với các đặc tính cho những công việc yêu cầu cao về sự bền vững, sự hình thành các liên kết boronic este có thể đảo ngược tương thích với nhiều loại bề mặt có các nhóm hydroxyl.
Kết quả thử nghiệm cho thấy những liên kết liên kết chéo dịch chuyển bên trong vật liệu tạo ra những đặc tính cụ thể và bám dính vào các bề mặt mạnh đến mức một cm vuông mỏng có thể chịu đựng khoảng 136 kg.
Những thử nghiệm cắt để đo độ dẻo dai hoặc dùng lực để tách vật liệu ra vượt xa tất cả các chất kết dính thương mại, được thử nghiệm trong nghiên cứu.
Vật liệu này rất cứng trong kết dính với thủy tinh, khiến thủy tinh bị vỡ trước khi tách ra khỏi chất kết dính. Phương pháp này cũng tăng cường độ ổn định nhiệt đến hơn 200oC, do đó chất kết dính rất phù hợp với các ứng dụng trong môi trường nhiệt độ cao.
Một đặc tính đáng ngạc nhiên của vật liệu cứng là có thể được tái chế. Chất kết dính hiệu suất cao được thiết kế để tái sử dụng và tái chế. Chất kết dính được sử dụng, sau đó tách ra bằng nhiệt và áp suất và tái sử dụng nhiều lần.
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch thương mại hóa công nghệ và đang khám phá liên kết chéo động với những chất độn khác nhau nhằm phát triển chất kết dính cứng, tối ưu hóa cho các bề mặt và với những chức năng liên kết cụ thể.
