I compositi epossidici rinforzati con fibre leggeri e altamente durevoli costituiti da fibra di vetro o fibra di carbonio incorporati in una matrice polimerica sono materiali ad alte prestazioni essenziali per la produzione di pale automobilistiche, navali, aeronautiche e di turbine eoliche.
Entro il 2025, circa 25000 tonnellate di pale eoliche raggiungeranno la loro vita operativa ogni anno. Tradizionalmente, le pale delle turbine eoliche sono difficili da riciclare a causa delle proprietà chimiche della resina epossidica, che è una sostanza elastica ed è considerata un componente che non può essere scomposto in materiali riutilizzabili. Le resine epossidiche non sono biodegradabili e rilasciano gas tossici quando vengono bruciate, portando infine alla discarica come modo principale per smaltirle.
Lo smaltimento in discarica delle pale delle turbine eoliche è stato vietato da diversi paesi europei a causa della sua inefficienza e insostenibilità e si prevede che sarà implementato da più paesi in futuro. Pertanto, vi è un urgente bisogno di strategie di riciclaggio praticabili per le resine epossidiche e i loro compositi.
Il processo appena scoperto è una prova di concetto della strategia di riciclaggio e può essere applicato alla stragrande maggioranza delle pale delle turbine eoliche esistenti e delle pale attualmente in produzione, nonché ad altri materiali a base epossidica.
I risultati sono stati pubblicati sulla principale rivista scientifica Nature e l'Università di Aarhus, insieme al Danish Institute of Technology, ha presentato domanda di brevetto per il processo.
In particolare, i ricercatori hanno dimostrato che utilizzando un catalizzatore a base di rutenio e solventi isopropanolo e toluene, potevano separare la matrice epossidica e rilasciare una delle unità strutturali originali del polimero epossidico, il bisfenolo A e le fibre di vetro intatte in un unico processo.
Tuttavia, il metodo non è immediatamente scalabile perché il sistema catalitico non è sufficientemente efficiente per l'implementazione industriale e il rutenio è un metallo raro e costoso. Gli scienziati dell'Università di Aarhus stanno quindi continuando a migliorare il metodo.
"Tuttavia, consideriamo questo come un importante passo avanti nello sviluppo di tecnologie durevoli in grado di creare un'economia circolare per i materiali a base epossidica. Questa è la prima pubblicazione di processi chimici che possono decomporre selettivamente i compositi di resina epossidica e isolare uno dei materiali più importanti. "I polimeri epossidici, così come i componenti importanti delle fibre di vetro o di carbonio, non danneggiano quest'ultime nel processo", ha affermato Troels Skrydstrup, uno degli autori principali dello studio.
Troels Skrydstrup è professore presso il Dipartimento di Chimica e il Centro per le nanoscienze interdisciplinari (iNANO) dell'Università di Aarhus. La ricerca è stata supportata dal progetto CETEC (Circular Economy for Thermoset Epoxy Composites), una partnership tra Vestas, Oilon, il Danish Institute of Technology e l'Università di Aarhus.
In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato una reazione tandem di deidrogenazione/rottura del legame/riduzione catalizzata da Ru per rompere il legame C(alchil)-O più comune nel polimero, che può essere utilizzato per rompere il legame singolo C(alchil)-O adiacente alla matrice BPA. I ricercatori hanno dimostrato l'applicazione del metodo alle resine epossidiche indurite con ammine non modificate e ai materiali compositi commerciali, compreso l'involucro delle pale delle turbine eoliche. I risultati dei ricercatori mostrano che il recupero chimico di resine epossidiche e compositi termoindurenti è fattibile.
L'esperimento di decostruzione catalitica della resina epossidica ha mostrato che l'81% del BPA poteva essere recuperato dopo 4 giorni di reazione catalitica.
Con un approccio generale che può essere utilizzato per la decomposizione molecolare di epossidici induriti con ammina, i ricercatori si sono rivolti a studiare l'applicabilità del protocollo per la decondificazione di epossidici rinforzati con fibre che contengono fibre in percentuale di peso elevata oltre alla matrice polimerica. Dopo 3 giorni, i compositi si sono nettamente separati in fibre sciolte senza alcun pretrattamento. Miscela di reazione di decantazione; Dopo il lavaggio, è stato recuperato il 57% in peso di fibra di carbonio e dalla soluzione è stato isolato il 13% in peso di BPA.
Ha quindi testato l'involucro di una pala di turbina eolica ritirata all'avanguardia. Questo campione composito commerciale è stato completamente decomposto cataliticamente, ottenendo il 50% in peso di fibra di vetro e il 19% in peso di BPA.
In conclusione, per i componenti recuperati dai compositi a fine vita si può considerare un'economia circolare. Il bisfenolo A altamente purificato ottenuto dal riciclo può teoricamente essere riutilizzato in catene di produzione esistenti come resine epossidiche, policarbonato o poliestere, sostituendo il BPA originale prodotto da materie prime petrolifere. Il processo catalitico dei ricercatori può essere visto come una prova di concetto, dimostrando che è possibile raggiungere un'economia circolare per questi materiali preziosi e rilevanti.
