Каталитическое отсоединение C

Nature, том 617, страницы 730–737 (2023 г.) Процитировать эту статью

18 тысяч доступов

197 Альтметрика

Подробности о метриках

Армированные волокном эпоксидные композиты хорошо зарекомендовали себя в качестве несущих конструкций в аэрокосмической, автомобильной и ветроэнергетической промышленности благодаря их легкому весу и высокой прочности. Эти композиты основаны на термореактивных смолах с добавлением стеклянных или углеродных волокон1. Вместо жизнеспособных стратегий переработки, использованные композитные конструкции, такие как лопасти ветряных турбин, обычно выбрасываются на свалку1,2,3,4. Из-за негативного воздействия пластиковых отходов на окружающую среду5,6 потребность в безотходной экономике пластмасс стала более острой7,8. Однако переработка термореактивных пластмасс – нетривиальное дело1,2,3,4. Здесь мы сообщаем о протоколе, катализируемом переходными металлами, для восстановления полимерного строительного блока бисфенола А и неповрежденных волокон из эпоксидных композитов. Каскад дегидрирования/связывания, расщепления/восстановления, катализируемый Ru, разрывает связи C(алкил)–O наиболее распространенных связей полимера. Мы демонстрируем применение этой методологии к соответствующим немодифицированным эпоксидным смолам, отверждаемым амином, а также к коммерческим композитам, включая оболочку лопасти ветряной турбины. Наши результаты показывают, что подходы к химической переработке термореактивных эпоксидных смол и композитов достижимы.

Огромное количество использованного пластика и пластикосодержащих материалов, выброшенных в природу, привело к серьезному экологическому кризису5,6, затронувшему экосистемы по всему миру9,10,11,12. Необходимость реализации безотходной экономики пластмасс и пластиксодержащих композитов стала очевидной для снижения потребления ресурсов, а также ограничения попадания отходов в окружающую среду5. В отличие от термопластов, которые могут быть расплавлены и преобразованы в новые формы, сшитые полимерные цепи термореактивных пластиков делают эти материалы непригодными для механической переработки. Обходя проблемы технологичности из-за недостаточной плавкости, химическая переработка разлагает полимеры на их исходные мономеры или родственные базовые химические вещества, которые затем могут повторно войти в установленные производственные цепочки с получением первичных полимерных материалов. Создание такой экономики замкнутого цикла дает возможность превратить накапливающиеся пластиковые отходы в ценные ресурсы7. Недавно сообщалось о каталитической гидрогенизации термореактивных полиуретановых продуктов для извлечения анилинов и полиолов как о стратегии, реализующей этот принцип13,14. Напротив, в эпоксидных смолах отсутствуют реакционноспособные карбонильные фрагменты, что затрудняет избирательное разъединение их химических связей. Легкие, высокопрочные эпоксидные композиты, армированные волокном, которые состоят из стеклянных или углеродных волокон, внедренных в полимерную матрицу, представляют собой высокоэффективные материалы, необходимые для изготовления автомобилей, лодок, самолетов и лопастей ветряных турбин1. По состоянию на 2020 год ветровая энергия обеспечивала примерно 6% мирового энергоснабжения, при этом прогнозы прогнозируют значительный рост в ближайшем будущем4. В свою очередь, к 2050 году накопится 43 миллиона метрических тонн выведенных из эксплуатации лопастей ветряных турбин (ссылка 15). В то же время устойчивых технологий переработки таких полимерных материалов практически не существует. Эпоксидные смолы не поддаются биологическому разложению и выделяют токсичные газы при сжигании16, что в конечном итоге приводит к захоронению на свалках как основному пути их утилизации. По состоянию на 2020 год только около 1% вышедших из эксплуатации композитов было использовано повторно, и это путем измельчения материала и использования его в качестве наполнителя в строительстве1,2,3. Из-за своей неэффективности и неустойчивости захоронение лопастей ветряных турбин было запрещено в нескольких европейских странах, и ожидается, что последуют и другие4,17. Следовательно, растет острая потребность в эффективных стратегиях переработки эпоксидных смол и их композитов1,4.

Методологии, исследованные для переработки композитов на основе полимеров, можно разделить на два общих подхода, оба из которых ориентированы только на восстановление волокон. Первый подход основан на разрушении полимерной матрицы путем неселективного разрыва химических связей, тем самым высвобождая внедренные волокна. Сообщаемые процессы основаны на суровых, энергоемких обработках, таких как пиролиз, который непрактичен и приводит к повреждению волокон1,2,3. Химически деструктивные методы позволяют получить волокна более высокого качества1, но требуют использования нежелательных реагентов, таких как перекись водорода18 или концентрированная азотная кислота19. Второй, более элегантный подход заключается в разработке новых эпоксидных смол, содержащих «точки молекулярного разрыва», которые могут избирательно расщепляться при определенных условиях20,21. Хотя полимерная матрица может расщепляться на растворимые фрагменты цепей, высвобождая волокна, восстановленные фракции полимера не могут быть переработаны22,23,24,25. Более того, хотя разработка новых смол могла бы обеспечить повторное использование волокон для будущих композитных изделий, бремя наследия эпоксидных материалов, производимых до настоящего времени, все еще остается, а также тех, которые производятся сейчас и в ближайшем будущем с использованием современных технологий. -современные смолы.