Τα ελαφριά, εξαιρετικά ανθεκτικά εποξειδικά σύνθετα ενισχυμένα με ίνες που αποτελούνται από ίνες γυαλιού ή ανθρακονήματα ενσωματωμένα σε πολυμερή μήτρα είναι υλικά υψηλής απόδοσης απαραίτητα για την κατασκευή πτερυγίων αυτοκινήτων, πλοίων, αεροσκαφών και ανεμογεννητριών.
Μέχρι το 2025, περίπου 25,000 τόνοι πτερυγίων ανεμογεννητριών θα φθάνουν σε λειτουργική ζωή κάθε χρόνο. Παραδοσιακά, τα πτερύγια των ανεμογεννητριών ήταν δύσκολο να ανακυκλωθούν λόγω των χημικών ιδιοτήτων της εποξειδικής ουσίας, η οποία είναι ελαστική ουσία και θεωρείται συστατικό που δεν μπορεί να αναλυθεί σε επαναχρησιμοποιήσιμα υλικά. Οι εποξειδικές ρητίνες δεν είναι βιοδιασπώμενες και απελευθερώνουν τοξικά αέρια όταν καίγονται, οδηγώντας τελικά στην υγειονομική ταφή ως τον κύριο τρόπο απόρριψής τους.
Η υγειονομική ταφή πτερυγίων ανεμογεννητριών έχει απαγορευτεί από πολλές ευρωπαϊκές χώρες λόγω της αναποτελεσματικότητας και της μη βιωσιμότητάς της και αναμένεται να εφαρμοστεί από περισσότερες χώρες στο μέλλον. Ως εκ τούτου, υπάρχει επείγουσα ανάγκη για βιώσιμες στρατηγικές ανακύκλωσης για τις εποξειδικές ρητίνες και τα σύνθετά τους.
Η διαδικασία που ανακαλύφθηκε πρόσφατα είναι μια απόδειξη της ιδέας της στρατηγικής ανακύκλωσης και μπορεί να εφαρμοστεί στη συντριπτική πλειοψηφία των υπαρχόντων πτερυγίων και πτερυγίων ανεμογεννητριών που παράγονται αυτήν τη στιγμή, καθώς και σε άλλα υλικά με βάση την εποξειδική ουσία.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό Nature και το Πανεπιστήμιο Aarhus, μαζί με το Δανικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας, υπέβαλαν αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τη διαδικασία.
Συγκεκριμένα, οι ερευνητές έδειξαν ότι χρησιμοποιώντας έναν καταλύτη με βάση το ρουθήνιο και διαλύτες ισοπροπανόλης και τολουολίου, μπορούσαν να διαχωρίσουν την εποξειδική μήτρα και να απελευθερώσουν μία από τις αρχικές δομικές μονάδες του εποξειδικού πολυμερούς, της δισφαινόλης Α και των ανέπαφων ινών γυαλιού σε μία μόνο διαδικασία.
Ωστόσο, η μέθοδος δεν είναι άμεσα επεκτάσιμη επειδή το καταλυτικό σύστημα δεν είναι αρκετά αποτελεσματικό για βιομηχανική εφαρμογή - και το ρουθήνιο είναι ένα σπάνιο και ακριβό μέταλλο. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Aarhus συνεχίζουν να βελτιώνουν τη μέθοδο.
"Παρ' όλα αυτά, θεωρούμε ότι αυτό είναι μια σημαντική ανακάλυψη στην ανάπτυξη ανθεκτικών τεχνολογιών που μπορούν να δημιουργήσουν μια κυκλική οικονομία για υλικά με βάση τα εποξειδικά. Αυτή είναι η πρώτη δημοσίευση χημικών διεργασιών που μπορούν επιλεκτικά να αποσυνθέσουν σύνθετα εποξειδικής ρητίνης και να απομονώσουν ένα από τα πιο σημαντικά υλικά. «Τα εποξειδικά πολυμερή, καθώς και σημαντικά συστατικά γυαλιού ή ινών άνθρακα, δεν καταστρέφουν τα τελευταία στη διαδικασία», δήλωσε ο Troels Skrydstrup, ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης.
Ο Troels Skrydstrup είναι καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και στο Κέντρο Διεπιστημονικών Νανοεπιστημών (iNANO) στο Πανεπιστήμιο του Aarhus. Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το έργο CETEC (Circular Economy for Thermoset Epoxy Composites), μια συνεργασία μεταξύ της Vestas, της Oilon, του Δανικού Ινστιτούτου Τεχνολογίας και του Πανεπιστημίου Aarhus.
Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια διαδοχική αντίδραση αφυδρογόνωσης/διάσπασης δεσμού/αναγωγής καταλυόμενης από Ru για να σπάσουν τον πιο κοινό δεσμό C(αλκυλ)-Ο στο πολυμερές, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάσπαση του απλού δεσμού C(αλκυλ)-Ο δίπλα στον πίνακα BPA. Οι ερευνητές απέδειξαν την εφαρμογή της μεθόδου σε μη τροποποιημένες εποξειδικές ρητίνες που έχουν σκληρυνθεί με αμίνη και εμπορικά σύνθετα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του περιβλήματος των πτερυγίων ανεμογεννητριών. Τα αποτελέσματα των ερευνητών δείχνουν ότι η χημική ανάκτηση των θερμοσκληρυνόμενων εποξειδών και σύνθετων υλικών είναι εφικτή.
Το πείραμα καταλυτικής αποδόμησης εποξειδικής ρητίνης έδειξε ότι το 81 τοις εκατό της BPA μπορούσε να ανακτηθεί μετά από 4 ημέρες καταλυτικής αντίδρασης.
Με μια γενική προσέγγιση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μοριακή αποσύνθεση εποξειδών που έχουν σκληρυνθεί με αμίνη, οι ερευνητές στράφηκαν στη διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής του πρωτοκόλλου για την αποσυμπύκνωση εποξειδών ενισχυμένων με ίνες που περιέχουν ίνες κατά υψηλό ποσοστό βάρους επιπλέον της πολυμερούς μήτρας. Μετά από 3 ημέρες, τα σύνθετα υλικά διαχωρίστηκαν σαφώς σε χαλαρές ίνες χωρίς καμία προεπεξεργασία. Μίγμα αντίδρασης μετάγγισης; Μετά το πλύσιμο, ανακτήθηκε το 57% κατά βάρος ίνα άνθρακα και 13% κατά βάρος BPA απομονώθηκε από το διάλυμα.
Στη συνέχεια δοκίμασε το περίβλημα ενός υπερσύγχρονου πτερυγίου ανεμογεννήτριας που αποσύρθηκε. Αυτό το εμπορικό σύνθετο δείγμα αποσυντέθηκε καταλυτικά επιμελώς, με αποτέλεσμα 50% κατά βάρος ίνες γυαλιού και 19% κατά βάρος BPA.
Συμπερασματικά, για τα συστατικά που ανακτώνται από σύνθετα υλικά στο τέλος του κύκλου ζωής τους, μπορεί να εξεταστεί μια κυκλική οικονομία. Η εξαιρετικά καθαρισμένη δισφαινόλη Α που λαμβάνεται από την ανακύκλωση μπορεί θεωρητικά να επαναχρησιμοποιηθεί σε υπάρχουσες αλυσίδες παραγωγής όπως εποξειδικές ρητίνες, πολυανθρακικό ή πολυεστέρας, αντικαθιστώντας την αρχική BPA που παράγεται από πρώτη ύλη πετρελαίου. Η καταλυτική διαδικασία των ερευνητών μπορεί να θεωρηθεί ως απόδειξη της ιδέας, αποδεικνύοντας ότι είναι εφικτό να επιτευχθεί μια κυκλική οικονομία για αυτά τα πολύτιμα και σχετικά υλικά.
