کامپوزیت های اپوکسی تقویت شده با الیاف سبک و بسیار بادوام متشکل از الیاف شیشه یا فیبر کربن که در یک ماتریس پلیمری تعبیه شده اند، مواد با کارایی بالا برای ساخت پره های خودرو، کشتی، هواپیما و توربین بادی ضروری هستند.
تا سال 2025، حدود 25،{2}} تن پره های توربین بادی هر سال به عمر عملیاتی خود خواهند رسید. به طور سنتی، بازیافت پره های توربین بادی به دلیل خواص شیمیایی اپوکسی که یک ماده الاستیک است و جزء اجزایی است که به مواد قابل استفاده مجدد تجزیه نمی شود، دشوار بوده است. رزین های اپوکسی زیست تخریب پذیر نیستند و در هنگام سوزاندن گازهای سمی آزاد می کنند که در نهایت به محل دفن زباله به عنوان راه اصلی دفع آنها منجر می شود.
دفن زباله پره های توربین بادی به دلیل ناکارآمدی و ناپایداری توسط چندین کشور اروپایی ممنوع شده است و انتظار می رود در آینده توسط کشورهای بیشتری اجرا شود. بنابراین، نیاز فوری به استراتژیهای بازیافت مناسب برای رزینهای اپوکسی و کامپوزیتهای آنها وجود دارد.
فرآیندی که در حال حاضر به تازگی کشف شده است، اثبات مفهوم استراتژی بازیافت است و می تواند برای اکثریت قریب به اتفاق پره ها و پره های توربین بادی موجود در حال حاضر در حال تولید، و همچنین سایر مواد مبتنی بر اپوکسی اعمال شود.
نتایج در مجله علمی برجسته Nature منتشر شد و دانشگاه آرهوس به همراه موسسه فناوری دانمارک برای ثبت اختراع برای این فرآیند درخواست کردند.
به طور خاص، محققان نشان دادند که با استفاده از کاتالیزور مبتنی بر روتنیوم و حلالهای ایزوپروپانول و تولوئن، میتوانند ماتریس اپوکسی را جدا کرده و یکی از واحدهای ساختاری اصلی پلیمر اپوکسی، بیسفنول A و الیاف شیشه دستنخورده را در یک فرآیند واحد آزاد کنند.
با این حال، این روش بلافاصله مقیاس پذیر نیست زیرا سیستم کاتالیزوری به اندازه کافی برای اجرای صنعتی کارآمد نیست - و روتنیم یک فلز کمیاب و گران قیمت است. بنابراین دانشمندان دانشگاه آرهوس به بهبود این روش ادامه می دهند.
"با این وجود، ما این را به عنوان یک پیشرفت بزرگ در توسعه فناوری های بادوام می دانیم که می تواند یک اقتصاد دایره ای برای مواد مبتنی بر اپوکسی ایجاد کند. این اولین انتشار از فرآیندهای شیمیایی است که می تواند به طور انتخابی کامپوزیت های رزین اپوکسی را تجزیه کرده و یکی از مهم ترین مواد را جدا کند." Troels Skrydstrup، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه گفت: «پلیمرهای اپوکسی، و همچنین اجزای مهم الیاف شیشه یا کربن، در این فرآیند به الیاف دوم آسیب نمیرسانند.
Troels Skrydstrup استاد گروه شیمی و مرکز بین رشتهای نانو علوم (iNANO) در دانشگاه آرهوس است. این تحقیق توسط پروژه CETEC (اقتصاد دایرهای برای کامپوزیتهای ترموست اپوکسی)، مشارکتی بین Vestas، Oilon، موسسه فناوری دانمارک و دانشگاه آرهوس پشتیبانی شد.
در این مطالعه، محققان از یک واکنش پشت سر هم هیدروژن زدایی/شکستن پیوند/کاهش کاتالیز شده برای شکستن رایج ترین پیوند C(alkyl)-O در پلیمر استفاده کردند که می تواند برای شکستن پیوند منفرد C(alkyl)-O استفاده شود. در مجاورت ماتریس BPA محققان کاربرد این روش را برای رزینهای اپوکسی اصلاحنشده با آمین و مواد کامپوزیت تجاری، از جمله پوشش پرههای توربین بادی نشان دادند. نتایج پژوهشگران نشان می دهد که بازیابی شیمیایی اپوکسی ها و کامپوزیت های ترموست امکان پذیر است.
آزمایش ساختارشکنی کاتالیستی رزین اپوکسی نشان داد که 81 درصد از BPA پس از 4 روز واکنش کاتالیزوری قابل بازیابی است.
با یک رویکرد کلی که می تواند برای تجزیه مولکولی اپوکسی های پخت شده با آمین استفاده شود، محققان به بررسی کاربرد پروتکل برای تراکم زدایی اپوکسی های تقویت شده با الیاف که علاوه بر ماتریس پلیمری حاوی الیاف با درصد وزنی بالا هستند، روی آوردند. پس از 3 روز، کامپوزیت ها به وضوح به الیاف شل و بدون هیچ گونه پیش تصفیه جدا شدند. مخلوط واکنش تخلیه. پس از شستشو، 57 درصد وزنی فیبر کربن بازیابی شد و 13 درصد وزنی BPA از محلول جدا شد.
سپس روکش یک پره توربین بادی بازنشسته را آزمایش کرد. این نمونه کامپوزیت تجاری به طور کامل به صورت کاتالیزوری تجزیه شد که منجر به 50 درصد وزنی فیبر شیشه و 19 درصد وزنی BPA شد.
در نتیجه، برای اجزای بازیابی شده از کامپوزیت های پایان عمر، می توان اقتصاد دایره ای را در نظر گرفت. بیسفنول A بسیار خالص شده به دست آمده از بازیافت از نظر تئوری می تواند در زنجیره های تولید موجود مانند رزین های اپوکسی، پلی کربنات یا پلی استر مجددا استفاده شود و جایگزین BPA اصلی تولید شده از مواد اولیه نفتی شود. فرآیند کاتالیزوری محققین را می توان به عنوان یک اثبات مفهوم در نظر گرفت و نشان می دهد که دستیابی به یک اقتصاد دایره ای برای این مواد ارزشمند و مرتبط امکان پذیر است.
