Le Dr Qingsheng Wang, professeur agrégé et membre du corps professoral George Armistead '23 au département de génie chimique Artie McFerrin de la Texas A&M University, et son équipe de chercheurs ont passé plus de trois ans à trouver des moyens plus efficaces de fabriquer une structure métallo-organique (MOF) composites à base de carbone pour des applications industrielles telles que les retardateurs de flamme.

Les MOF sont une classe de matériaux cristallins à porosité permanente et à larges applications, notamment la purification des gaz, la séparation des gaz, l'assainissement de l'eau, la catalyse et l'administration de médicaments. Cependant, une amélioration des processus est nécessaire pour produire des MOF à une plus grande capacité dans l'industrie à mesure que l'utilisation et les applications des composites à base de MOF se développent.

"Produire des MOF nécessite une compréhension approfondie de l'ingénierie des procédés et des conditions strictes, et même avec cela, seule une petite quantité peut être produite à la fois", a déclaré Wang. "De nombreuses modifications sont nécessaires pour améliorer le processus si nous voulons produire en masse des MOF."

Le groupe de Wang a publié quatre études dans ACS Publications concernant leurs découvertes sur la stabilité des MOF, les processus de développement des MOF, la fabrication de composites à base de MOF et leurs applications en matière d'ignifugation.

Actuellement, la plupart des composites MOF-polymère sont préparés selon un principe ascendant discret qui nécessite des réactions chimiques complexes mélangées au sein de différents polymères en solutions. Ce processus en plusieurs étapes nécessite beaucoup de temps, d'énergie et d'argent pour produire des quantités minimales.

En combinant des parties du processus de développement du MOF, l'équipe de Wang a découvert une méthode en une étape utilisant l'extrusion par réaction pour produire des composites à base de MOF à plus grande échelle de manière sûre et efficace. Avec les conditions de chauffage, les forces de cisaillement et de compression appliquées, les MOF peuvent répondre aux conditions de réaction requises pour la synthèse mécanochimique.

En outre, les découvertes fournissent de nouvelles informations sur la création de systèmes polymères à base de MOF pour les polyoléfines, la réduction de leurs émissions de fumée et l'amélioration de l'ignifugation pendant la combustion. La méthode a également amélioré la sécurité et l'efficacité en améliorant la stabilité thermique et les propriétés mécaniques du MOF tout en diminuant son inflammabilité.

Ce travail a été récemment publié dans ACS Sustainable Chemistry &Engineering .

"Si nous utilisons la fabrication par extrusion réactive, nous pouvons prendre le matériau de départ combiné à un polymère pour produire des MOF et le mélanger directement avec des plastiques en négligeant plusieurs étapes de réaction dans les méthodes hydrothermiques conventionnelles", a déclaré Wang. "Grâce à ce processus, chaque jour, nous pouvons contourner l'échelle du kilogramme par rapport à la méthode traditionnelle, qui ne peut généralement produire qu'à l'échelle du gramme."

Ils espèrent voir cette méthode utilisée dans l'industrie pour faire progresser les efforts de développement durable, l'amélioration des processus et la sécurité des processus.

Dans leur étude publiée dans Industrial &Engineering Chemistry Research , Wang a montré l'utilisation du MOF comme retardateur de flamme. Un MOF disponible dans le commerce a été incorporé dans un système composite intumescent ignifuge/polypropylène (IFR/PP). Les résultats montrent que les additifs présentent un fort effet synergique entre eux pour l'amélioration de la formation et de la stabilité de la couche de charbon intumescent pour empêcher la combustion intensive du PP.

Ces découvertes pourraient améliorer les systèmes IFR pour les polyoléfines, en réduisant leurs émissions de fumée lors de la combustion. Considérant que toutes les matières premières sont disponibles dans le commerce et que la méthode de préparation est compatible avec les procédés industriels actuels, la méthodologie présentée dans cette étude peut être étendue pour des applications industrielles.

"Nous pouvons utiliser les MOF de tant de manières, du traitement de l'eau à la capture du carbone", a déclaré Wang. "Je voudrais continuer à améliorer ce processus afin que l'industrie puisse utiliser les MOF à plus grande échelle dans diverses applications utiles." + Explorer plus loin

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