Desconexão catalítica de C

Jul 13, 2023

Nature volume 617, páginas 730–737 (2023)Cite este artigo

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Os compósitos epóxi reforçados com fibras estão bem estabelecidos em aplicações de suporte de carga nas indústrias aeroespacial, automotiva e de energia eólica, devido ao seu peso leve e alta durabilidade. Esses compósitos são baseados em resinas termofixas que incorporam fibras de vidro ou carbono1. Em vez de estratégias de reciclagem viáveis, as estruturas compósitas de fim de utilização, como as pás das turbinas eólicas, são normalmente depositadas em aterro1,2,3,4. Devido ao impacto ambiental negativo dos resíduos plásticos5,6, a necessidade de economias circulares dos plásticos tornou-se mais premente7,8. No entanto, a reciclagem de plásticos termofixos não é uma questão trivial1,2,3,4. Aqui relatamos um protocolo catalisado por metal de transição para recuperação do bloco de construção polimérico bisfenol A e fibras intactas de compósitos epóxi. Uma cascata de desidrogenação/ligação, clivagem/redução catalisada por Ru desconecta as ligações C (alquil) –O das ligações mais comuns do polímero. Apresentamos a aplicação desta metodologia a resinas epóxi curadas com amina não modificadas, bem como a compósitos comerciais, incluindo o casco de uma pá de turbina eólica. Nossos resultados demonstram que abordagens de reciclagem química para resinas epóxi termofixas e compósitos são viáveis.

As grandes quantidades de plásticos em fim de utilização e de materiais que contêm plástico libertados na natureza resultaram numa grande crise ambiental5,6, afectando ecossistemas em todo o mundo9,10,11,12. A necessidade da implementação de uma economia circular de plásticos e compósitos contendo plástico tornou-se evidente para reduzir o consumo de recursos, bem como para limitar a introdução de resíduos no ambiente5. Em contraste com os termoplásticos em fim de utilização, que podem ser derretidos e remodelados em novas formas, as cadeias poliméricas reticuladas dos plásticos termofixos tornam estes materiais inadequados para reciclagem mecânica. Contornando problemas de processabilidade devido à falta de fusibilidade, a reciclagem química desconstrói os polímeros em seus monômeros originais ou produtos químicos de base relacionados que podem então reingressar nas cadeias de produção estabelecidas, produzindo materiais poliméricos virgens. Permitir uma economia circular desta forma oferece a oportunidade de transformar a acumulação de resíduos plásticos em recursos valiosos7. Recentemente, a hidrogenação catalítica de produtos de poliuretano termofixos para a recuperação de anilinas e polióis tem sido relatada como uma estratégia que concretiza este princípio . Por outro lado, as resinas epóxi não possuem porções carbonila reativas, tornando as desconexões seletivas de suas ligações químicas mais desafiadoras. Compósitos epóxi reforçados com fibra, leves e altamente duráveis, que consistem em fibras de vidro ou carbono incorporadas na matriz polimérica, são materiais de alto desempenho cruciais para a construção de automóveis, barcos, aeronaves e pás de turbinas eólicas1. A energia eólica contribuiu para aproximadamente 6% do fornecimento global de energia em 2020, com projeções prevendo um crescimento significativo no futuro próximo4. Por sua vez, 43 milhões de toneladas métricas de pás de turbinas eólicas desativadas terão acumulado até 2050 (ref. 15). Ao mesmo tempo, as tecnologias de reciclagem sustentável para esses materiais poliméricos são quase inexistentes. As resinas epóxi não são biodegradáveis ​​e emitem gases tóxicos quando incineradas16, o que acaba por levar à deposição em aterro como principal via para a sua eliminação. Em 2020, apenas cerca de 1% dos compósitos em fim de uso foram reutilizados, e isso por meio da trituração do material e sua utilização como substância de enchimento na construção1,2,3. Devido à sua ineficiência e insustentabilidade, o aterro de pás de turbinas eólicas foi proibido por vários países europeus, esperando-se que mais se sigam4,17. Conseqüentemente, a necessidade premente de estratégias viáveis ​​de reciclagem para resinas epóxi e seus compósitos está aumentando1,4.

As metodologias investigadas para reciclagem de compósitos à base de polímeros podem ser divididas em duas abordagens gerais, ambas focadas apenas na recuperação de fibras. A primeira abordagem baseia-se na destruição da matriz polimérica, quebrando as ligações químicas de forma não seletiva, liberando assim as fibras incorporadas. Os processos relatados baseiam-se em tratamentos agressivos e com uso intenso de energia, como a pirólise, que é impraticável e resulta em fibras danificadas1,2,3. Abordagens quimicamente destrutivas produzem fibras de qualidade superior1, mas requerem reagentes indesejáveis, como peróxido de hidrogênio18 ou ácido nítrico concentrado19. A segunda abordagem, mais elegante, é projetar novas resinas epóxi contendo 'pontos de ruptura molecular', que podem ser clivados seletivamente sob certas condições20,21. Embora a matriz polimérica possa ser digerida em fragmentos de cadeia solúveis, liberando as fibras, as frações poliméricas recuperadas não podem ser remodeladas22,23,24,25. Além disso, embora a concepção de novas resinas possa implementar a reutilização de fibras para futuros produtos compósitos, a carga herdada dos materiais epóxi produzidos até aos dias de hoje ainda permanece, bem como daqueles que são produzidos agora e num futuro próximo utilizando tecnologias de última geração. resinas de última geração.