Леките, изключително издръжливи подсилени с влакна епоксидни композити, състоящи се от стъклени влакна или въглеродни влакна, вградени в полимерна матрица, са високоефективни материали, които са от съществено значение за производството на перки на автомобили, кораби, самолети и вятърни турбини.
До 2025 г. около 25 000 тона перки на вятърни турбини ще достигнат експлоатационния си живот всяка година. Традиционно лопатките на вятърните турбини са били трудни за рециклиране поради химичните свойства на епоксида, който е еластично вещество и се счита за компонент, който не може да бъде разграден на материали за многократна употреба. Епоксидните смоли не са биоразградими и отделят токсични газове при изгаряне, което в крайна сметка води до депониране като основен начин за изхвърлянето им.
Депонирането на лопатки на вятърни турбини е забранено от няколко европейски страни поради неговата неефективност и неустойчивост и се очаква да бъде приложено от повече страни в бъдеще. Следователно има спешна нужда от жизнеспособни стратегии за рециклиране на епоксидни смоли и техните композити.
Новооткритият в момента процес е доказателство за концепцията на стратегията за рециклиране и може да се приложи към огромното мнозинство от съществуващите лопатки на вятърни турбини и лопатките, които се произвеждат в момента, както и други материали на основата на епоксидна смола.
Резултатите са публикувани във водещото научно списание Nature и университетът в Орхус, заедно с Датския технологичен институт, кандидатства за патент за процеса.
По-конкретно, изследователите показаха, че чрез използване на катализатор на основата на рутений и разтворители изопропанол и толуен, те могат да отделят епоксидната матрица и да освободят една от оригиналните структурни единици на епоксидния полимер, бисфенол А и непокътнати стъклени влакна в един процес.
Въпреки това, методът не е незабавно мащабируем, тъй като каталитичната система не е достатъчно ефективна за промишлена реализация - а рутеният е рядък и скъп метал. Следователно учените от университета в Орхус продължават да подобряват метода.
„Въпреки това, ние виждаме това като голям пробив в разработването на трайни технологии, които могат да създадат кръгова икономика за материали на основата на епоксидна смола. Това е първата публикация на химически процеси, които могат селективно да разграждат композити от епоксидна смола и да изолират един от най-важните материали. „Епоксидните полимери, както и важните компоненти на стъклени или въглеродни влакна, не увреждат последните в процеса“, каза Троелс Скридструп, един от водещите автори на изследването.
Троелс Скридструп е професор в катедрата по химия и Центъра за интердисциплинарни нанонауки (iNANO) в университета в Орхус. Изследването беше подкрепено от проекта CETEC (Кръгова икономика за термореактивни епоксидни композити), партньорство между Vestas, Oilon, Датския технологичен институт и университета в Орхус.
В това проучване изследователите са използвали тандемна реакция дехидрогениране/разкъсване/редукция, катализирана от Ru, за да разрушат най-често срещаната С(алкил)-О връзка в полимера, която може да се използва за разкъсване на С(алкил)-О единичната връзка в съседство с BPA матрицата. Изследователите демонстрираха приложението на метода към немодифицирани втвърдени с амини епоксидни смоли и търговски композитни материали, включително корпуса на перките на вятърни турбини. Резултатите на изследователите показват, че химическото възстановяване на термореактивни епоксиди и композити е възможно.
Експериментът за каталитична деконструкция на епоксидна смола показа, че 81 процента от BPA могат да бъдат възстановени след 4 дни каталитична реакция.
С общ подход, който може да се използва за молекулярно разлагане на втвърдени с амини епоксиди, изследователите се обърнаха към изследване на приложимостта на протокола за декондификация на подсилени с влакна епоксиди, които съдържат влакна с висок тегловен процент в допълнение към полимерната матрица. След 3 дни композитите ясно се разделят на свободни влакна без предварителна обработка. Реакционна смес за декантиране; След измиване се възстановяват 57 тегл. процента въглеродни влакна и 13 тегл. процента BPA се изолират от разтвора.
След това тества корпуса на най-модерната пенсионирана перка на вятърна турбина. Тази търговска композитна проба беше каталитично разложена старателно, което доведе до 50 тегловни процента стъклени влакна и 19 тегловни процента BPA.
В заключение, за компонентите, възстановени от излезли от употреба композити, може да се обмисли кръгова икономика. Високопречистеният бисфенол А, получен от рециклирането, теоретично може да бъде използван повторно в съществуващи производствени вериги като епоксидни смоли, поликарбонат или полиестер, заменяйки оригиналния BPA, произведен от петролна суровина. Каталитичният процес на изследователите може да се разглежда като доказателство за концепцията, демонстриращо, че е възможно да се постигне кръгова икономика за тези ценни и подходящи материали.
