평균적인 SUV에는 최대 350킬로그램(771파운드)의 플라스틱이 들어 있는데, 이 플라스틱은 수세기 동안 매립지에 버려질 수 있지만 Communications Engineering 저널에 보고된 재활용 프로세스에 사용된다.

 

이 프로젝트의 목표는 그래핀을 재사용하여 신차용 강화 폴리우레탄 폼을 만드는 것이었다. 테스트에 따르면 그래핀 주입 폼은 인장 강도가 34% 증가하고 저주파 소음 흡수가 25% 증가했다. 0.1중량% 이하의 그래핀만 있으면 된다.

 

그리고 그 새 차가 낡았을 때 거품이 다시 그래핀으로 번쩍일 수 있다.

 

"Ford는 차량 파쇄 시설에서 10파운드의 혼합 플라스틱 폐기물을 우리에게 보냈다."라고 Rice University의 화학 및 재료 과학 및 나노 공학 교수인 James Tour 교수는 말한다. “흙탕물이었고 젖었다. 우리는 그것을 번쩍이고, 그래핀을 포드로 다시 보냈고, 그들은 그것을 새로운 발포 합성물에 넣었고, 그것은 해야 할 모든 일을 했다.

 

"그런 다음 그들은 우리에게 새로운 합성물을 보냈고 우리는 그것들을 플래시하고 다시 그래핀으로 바꿨다."고 그는 말한다. "순환 재활용의 좋은 예이다."

 

자동차 플라스틱

 

연구원들은 무게를 줄이고 연비를 높이기 위한 수단으로 차량에 사용되는 플라스틱의 양이 지난 6년 동안 75% 증가했다고 추정하는 연구를 인용한다.

 

Tour 교수는 재활용을 위해 혼합된 수명이 다한 플라스틱을 유형별로 분리하는 것은 자동차 산업의 장기적인 문제였으며 수명이 다한 차량에 대한 잠재적인 환경 규제 때문에 더욱 중요해지고 있다고 말한다. “유럽에서는 자동차가 자동차 제조사로 돌아오는데, 제조사는 자동차의 5%만 매립할 수 있다.”고 그는 말한다. "즉, 95%를 재활용해야 한다는 의미이며, 이는 그들에게 압도적이다."

 

공동 저자인 Ford의 지속 가능성 기술 펠로우인 Deborah Mielewski에 따르면 혼합 플라스틱의 대부분은 결국 소각되고 있다고 한다.

 

"우리는 재료를 분리하는 것을 불가능하게 만드는 차량에 수백 가지의 플라스틱 수지, 충전재 및 보강재 조합을 가지고 있다."라고 그녀는 말한다. "모든 응용 분야에는 요구 사항을 가장 경제적으로 충족하는 특정 로딩/혼합물이 있다."

 

"이것은 플라스틱 병처럼 재활용할 수 없기 때문에 녹거나 모양을 바꿀 수 없다."라고 Tour 교수는 말한다. "그래서 Ford 연구원들이 플라스틱을 그래핀으로 가열하는 플래시 줄에 관한 우리 논문을 발견했을 때 그들은 손을 내밀었다."

 

플래시 줄 가열(FLASH JOULE HEATING)

 

2020년 투어 연구소에서 도입한 그래핀을 만들기 위한 플래시 줄 가열은 혼합된 분쇄 플라스틱과 코크스 첨가제(전도성용)를 튜브의 전극 사이에 패킹하고 고전압으로 분사한다. 화씨 5,000도에 달하는 갑작스럽고 강렬한 열은 다른 원소를 기화시키고 쉽게 용해되는 난층 그래핀을 남긴다.

 

플래시 가열은 공정에 용매가 필요하지 않고 그래핀을 생산하는 데 최소한의 에너지를 사용하기 때문에 상당한 환경적 이점을 제공한다.

 

수명이 다한 혼합 플라스틱이 변형될 수 있는지 여부를 테스트하기 위해 Rice 연구소는 수명이 다한 F-150 픽업의 플라스틱 범퍼, 개스킷, 카펫, 매트, 좌석 및 도어 케이싱으로 구성된 파쇄기 "보풀"을 연마했다. 구성 요소를 세척하거나 사전 분류하지 않고 트럭을 미세한 분말로 만든다.

 

실험실은 대학원생이자 수석 저자인 Kevin Wyss가 실험을 위해 설계한 히터에서 먼저 저전류 및 고전류에서 두 단계로 분말을 플래시했다.

 

낮은 전류에서 10초에서 16초 사이에 가열된 분말은 초기 벌크의 약 30%를 차지하는 고도로 탄화된 플라스틱을 생성했다. 나머지 70%는 Wyss가 재활용할 수 있다고 제안한 탄화수소가 풍부한 왁스 및 오일로 가스가 제거되거나 회수되었다.

 

그런 다음 탄화된 플라스틱을 고전류 플래싱 처리하여 수소, 산소, 염소, 실리콘 및 미량 금속 불순물을 방출하면서 85%를 그래핀으로 전환했다.

 

수명 주기 분석에는 플래싱된 자동차 부품의 그래핀을 다른 방법으로 생산된 그래핀과 비교하고 재활용 효율성을 평가하는 작업이 포함되었다. 그들의 결과는 플래쉬 줄 가열이 플라스틱 파쇄기 보풀을 분말로 줄이는 데 필요한 에너지를 포함하여 다른 방법과 비교할 때 에너지, 온실 가스 배출 및 물 사용량이 크게 감소한 그래핀을 생성했음을 보여주었다.

 

그래핀과 거품

 

지속 가능성과 신소재에 중점을 둔 포드 연구의 기술 전문가인 공동 저자인 알퍼 키질타스(Alper Kiziltas)에 따르면 포드는 차량에 최대 60파운드의 폴리우레탄 폼을 사용하고 있으며 이중 약 2파운드는 2018년부터 그래핀으로 강화된 제품이라고 한다. "우리가 Rice로부터 그래핀을 되찾았을 때, 우리는 그것을 우리의 거품에 아주 적은 양으로 포함시켰고 상당한 개선을 보았다."라고 그는 말한다. "우리 응용 분야에 우수한 기계적 및 물리적 특성을 제공한다는 점에서 우리의 기대치를 초과했다.

 

그래핀은 분명히 Ford에 미래가 있다. 이 회사는 먼저 이를 다양한 다른 후드 아래 부품에 도입했으며 2020년에는 그래핀 강화 엔진 커버를 추가했다. Kiziltas는 회사가 단단한 플라스틱을 강화하는 데에도 이를 사용할 것으로 기대한다고 말한다.

 

Mielewski는 “Ford가 전기 자동차로 전환함에 따라 Rice와의 공동 발견은 더욱 중요해질 것이다. “내연기관에서 발생하는 소음을 제거하면 차량 안팎의 모든 소리를 훨씬 더 선명하게 들을 수 있다.”

 

"소음을 완화하는 것이 훨씬 더 중요하다."고 그녀는 말한다. “그래서 우리는 더 나은 소음 및 진동 흡수재가 절실히 필요하다. 이것이 바로 그래핀이 극도로 낮은 수준을 사용하여 놀라운 소음 완화를 제공할 수 있는 곳이다.”

 

공군 과학 연구실, 에너지부 국가 에너지 기술 연구소 및 국립 과학 재단 대학원 연구 펠로우쉽이 연구를 지원했다.