Disconnessione catalitica di C

Natura volume 617, pagine 730–737 (2023) Citare questo articolo

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I compositi epossidici rinforzati con fibre sono ben consolidati per quanto riguarda le applicazioni portanti nei settori aerospaziale, automobilistico e dell'energia eolica, grazie alla loro leggerezza e all'elevata durata. Questi compositi sono basati su resine termoindurenti che incorporano fibre di vetro o di carbonio1. Al posto di strategie di riciclaggio praticabili, le strutture a base composita di fine utilizzo, come le pale delle turbine eoliche, vengono comunemente smaltite in discarica1,2,3,4. A causa dell’impatto ambientale negativo dei rifiuti di plastica5,6, la necessità di economie circolari della plastica è diventata più urgente7,8. Tuttavia, riciclare la plastica termoindurente non è una cosa da poco1,2,3,4. Qui riportiamo un protocollo catalizzato da metalli di transizione per il recupero del componente polimerico bisfenolo A e delle fibre intatte da compositi epossidici. Una cascata di deidrogenazione/legame, scissione/riduzione catalizzata da Ru disconnette i legami C(alchil)–O dei legami più comuni del polimero. Mostriamo l'applicazione di questa metodologia alle pertinenti resine epossidiche a polimerizzazione amminica non modificate e ai compositi commerciali, compreso il guscio di una pala di una turbina eolica. I nostri risultati dimostrano che gli approcci di riciclaggio chimico per resine epossidiche termoindurenti e compositi sono realizzabili.

Le grandi quantità di plastica dismessa e di materiali contenenti plastica rilasciati in natura hanno provocato una grave crisi ambientale5,6, colpendo gli ecosistemi di tutto il mondo9,10,11,12. La necessità di attuare un’economia circolare della plastica e dei compositi contenenti plastica è diventata evidente per ridurre il consumo di risorse e per limitare l’immissione di rifiuti nell’ambiente5. A differenza dei materiali termoplastici di fine uso, che possono essere fusi e rifusi in nuove forme, le catene polimeriche reticolate delle plastiche termoindurenti rendono questi materiali inadatti al riciclaggio meccanico. Evitando i problemi di lavorabilità dovuti alla mancanza di fusibilità, il riciclo chimico scompone i polimeri nei loro monomeri originali o nelle relative sostanze chimiche di base che possono poi rientrare nelle catene di produzione consolidate producendo materiali polimerici vergini. Realizzare un’economia circolare in questo modo offre l’opportunità di trasformare l’accumulo di rifiuti di plastica in risorse preziose7. Recentemente, l'idrogenazione catalitica di prodotti poliuretanici termoindurenti per il recupero di aniline e polioli è stata segnalata come una strategia per realizzare questo principio13,14. Al contrario, le resine epossidiche sono prive di porzioni carboniliche reattive, rendendo più difficili le disconnessioni selettive dei loro legami chimici. I compositi epossidici rinforzati con fibre leggeri e altamente durevoli, costituiti da fibre di vetro o di carbonio incorporate nella matrice polimerica, sono materiali ad alte prestazioni cruciali per la costruzione di automobili, imbarcazioni, aerei e pale di turbine eoliche1. L’energia eolica ha contribuito per circa il 6% all’approvvigionamento energetico globale nel 2020, con proiezioni che prevedono una crescita significativa nel prossimo futuro4. A loro volta, entro il 2050 si accumuleranno 43 milioni di tonnellate di pale di turbine eoliche dismesse (rif. 15). Allo stesso tempo, le tecnologie di riciclaggio sostenibili per tali materiali polimerici sono quasi inesistenti. Le resine epossidiche non sono biodegradabili ed emettono gas tossici durante l'incenerimento16, portando infine alla messa in discarica come principale via di smaltimento. Nel 2020, solo l'1% circa dei compositi di fine uso è stato riutilizzato e ciò mediante la frantumazione del materiale e l'utilizzo come sostanza riempitiva nella costruzione1,2,3. A causa della sua inefficienza e insostenibilità, lo smaltimento in discarica delle pale delle turbine eoliche è stato vietato da diversi paesi europei, e si prevede che ne seguiranno altri4,17. Pertanto, cresce la necessità urgente di strategie di riciclaggio praticabili per le resine epossidiche e i loro compositi1,4.

Le metodologie studiate per il riciclo dei compositi a base polimerica possono essere suddivise in due approcci generali, entrambi focalizzati sul solo recupero delle fibre. Il primo approccio si basa sulla distruzione della matrice polimerica rompendo i legami chimici in modo non selettivo, rilasciando così le fibre incorporate. I processi segnalati si basano su trattamenti aggressivi e ad alto consumo energetico, come la pirolisi, che non è praticabile e provoca fibre danneggiate1,2,3. Gli approcci chimicamente distruttivi producono fibre di qualità superiore1 ma richiedono reagenti indesiderati come il perossido di idrogeno18 o l'acido nitrico concentrato19. Il secondo approccio, più elegante, consiste nel progettare nuove resine epossidiche contenenti "punti di rottura molecolare", che possono essere scissi selettivamente in determinate condizioni20,21. Sebbene la matrice polimerica possa essere digerita in frammenti di catena solubile, rilasciando le fibre, le frazioni polimeriche recuperate non possono essere rifuse22,23,24,25. Inoltre, mentre la progettazione di nuove resine potrebbe implementare il riutilizzo delle fibre per futuri prodotti compositi, rimane ancora il peso dell’eredità dei materiali epossidici prodotti fino ad oggi, così come di quelli prodotti ora e nel prossimo futuro utilizzando tecnologie all’avanguardia. -resine all'avanguardia.