Les composites époxy renforcés de fibres légers et très durables constitués de fibres de verre ou de fibres de carbone intégrées dans une matrice polymère sont des matériaux hautes performances essentiels à la fabrication de pales d'automobiles, de navires, d'avions et d'éoliennes.
D'ici 2025, environ 25 000 tonnes de pales d'éoliennes atteindront leur durée de vie opérationnelle chaque année. Traditionnellement, les pales d'éoliennes ont été difficiles à recycler en raison des propriétés chimiques de l'époxy, qui est une substance élastique et est considérée comme un composant qui ne peut pas être décomposé en matériaux réutilisables. Les résines époxy ne sont pas biodégradables et libèrent des gaz toxiques lorsqu'elles sont brûlées, ce qui conduit finalement à l'enfouissement comme principal moyen de les éliminer.
La mise en décharge des pales d'éoliennes a été interdite par plusieurs pays européens en raison de son inefficacité et de son manque de durabilité, et devrait être mise en œuvre par d'autres pays à l'avenir. Par conséquent, il existe un besoin urgent de stratégies de recyclage viables pour les résines époxy et leurs composites.
Le procédé récemment découvert est une preuve de concept de la stratégie de recyclage et peut être appliqué à la grande majorité des pales d'éoliennes existantes et des pales actuellement en production, ainsi qu'à d'autres matériaux à base d'époxy.
Les résultats ont été publiés dans la principale revue scientifique Nature et l'Université d'Aarhus, en collaboration avec l'Institut danois de technologie, a déposé une demande de brevet pour le procédé.
Plus précisément, les chercheurs ont montré qu'en utilisant un catalyseur à base de ruthénium A et des solvants isopropanol et toluène, ils pouvaient séparer la matrice époxy et libérer l'une des unités structurelles d'origine du polymère époxy, le bisphénol A, et les fibres de verre intactes en un seul processus.
Cependant, la méthode n'est pas immédiatement évolutive car le système catalytique n'est pas assez efficace pour une mise en œuvre industrielle -et le ruthénium est un métal rare et cher. Les scientifiques de l'Université d'Aarhus continuent donc d'améliorer la méthode.
"Néanmoins, nous considérons cela comme une percée majeure dans le développement de technologies durables qui peuvent créer une économie circulaire pour les matériaux à base d'époxy. Il s'agit de la première publication de procédés chimiques capables de décomposer sélectivement les composites de résine époxy et d'isoler l'un des matériaux les plus importants. "Les polymères époxy, ainsi que les composants importants des fibres de verre ou de carbone, n'endommagent pas ces dernières au cours du processus", a déclaré Troels Skrydstrup, l'un des principaux auteurs de l'étude.
Troels Skrydstrup est professeur au Département de chimie et au Centre de nanosciences interdisciplinaires (iNANO) de l'Université d'Aarhus. La recherche a été soutenue par le projet CETEC (Circular Economy for Thermoset Epoxy Composites), un partenariat entre Vestas, Oilon, l'Institut danois de technologie et l'Université d'Aarhus.
Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé une réaction en tandem de déshydrogénation/rupture de liaison/réduction catalysée par le Ru pour rompre la liaison C(alkyl)-O la plus courante dans le polymère, qui peut être utilisée pour rompre la liaison simple C(alkyl)-O adjacente à la matrice BPA. Les chercheurs ont démontré l'application de la méthode aux résines époxy durcies aux amines non modifiées et aux matériaux composites commerciaux, y compris le boîtier des pales d'éoliennes. Les résultats des chercheurs montrent que la récupération chimique des époxydes thermodurcissables et des composites est faisable.
L'expérience de déconstruction catalytique de la résine époxy a montré que 81 % du BPA pouvait être récupéré après 4 jours de réaction catalytique.
Avec une approche générale qui peut être utilisée pour la décomposition moléculaire des époxydes durcis aux amines, les chercheurs se sont tournés vers l'étude de l'applicabilité du protocole pour la décondification des époxydes renforcés de fibres qui contiennent des fibres à pourcentage en poids élevé en plus de la matrice polymère. Après 3 jours, les composites se sont clairement séparés en fibres lâches sans aucun prétraitement. Mélange réactionnel de décantation ; Après lavage, 57 % en poids de fibre de carbone ont été récupérés et 13 % en poids de BPA ont été isolés de la solution.
Il a ensuite testé le boîtier d'une pale d'éolienne à la pointe de la technologie. Cet échantillon composite commercial a été complètement décomposé par catalyse, ce qui a donné 50 % en poids de fibre de verre et 19 % en poids de BPA.
En conclusion, pour les composants récupérés des composites en fin de vie, une économie circulaire peut être envisagée. Le bisphénol A hautement purifié issu du recyclage peut théoriquement être réutilisé dans les chaînes de production existantes telles que les résines époxy, le polycarbonate ou le polyester, en remplacement du BPA d'origine produit à partir de matières premières pétrolières. Le processus catalytique des chercheurs peut être considéré comme une preuve de concept, démontrant qu'il est possible de réaliser une économie circulaire pour ces matériaux précieux et pertinents.
