ポリマーマトリックスにガラス繊維または炭素繊維を埋め込んだ軽量で耐久性の高い繊維強化エポキシ複合材料は、自動車、船舶、航空機、風力タービンブレードの製造に不可欠な高性能材料です。
2025 年までに、毎年約 25,000 トンの風力タービンのブレードが耐用年数を迎えることになります。 従来、風力タービンのブレードはエポキシの化学的特性によりリサイクルが困難でした。エポキシは弾性物質であり、再利用可能な材料に分解できない部品と考えられています。 エポキシ樹脂は生分解性ではなく、燃焼すると有毒ガスを放出するため、最終的には埋め立てが主な処分方法となります。
風力タービンブレードの埋め立ては、その非効率性と非持続可能性を理由にヨーロッパのいくつかの国で禁止されており、将来的にはさらに多くの国で実施されることが予想されます。 したがって、エポキシ樹脂とその複合材料の実行可能なリサイクル戦略が緊急に必要とされています。
現在新たに発見されたプロセスは、リサイクル戦略の概念実証であり、現在生産されている既存の風力タービンブレードやブレードの大部分、および他のエポキシベースの材料に適用可能です。
この結果は大手科学誌ネイチャーに掲載され、オーフス大学はデンマーク工科大学と共同でこのプロセスの特許を申請した。
具体的には、研究者らは、ルテニウムベースの触媒と溶媒であるイソプロパノールとトルエンを使用することで、エポキシマトリックスを分離し、エポキシポリマーの元の構造単位の1つであるビスフェノールAと無傷のガラス繊維を単一のプロセスで放出できることを示しました。
しかし、触媒システムの効率が工業的実装に十分ではなく、ルテニウムが希少で高価な金属であるため、この方法はすぐに拡張可能ではありません。 したがって、オーフス大学の科学者たちはこの方法の改良を続けています。
「それにもかかわらず、私たちはこれを、エポキシベースの材料の循環経済を生み出すことができる耐久性のある技術の開発における大きな進歩であると考えています。これは、エポキシ樹脂複合材料を選択的に分解し、最も重要な材料の1つを分離できる化学プロセスの最初の出版物です。」 「エポキシポリマーは、ガラス繊維や炭素繊維の重要な成分と同様に、プロセス中に後者に損傷を与えることはありません」と研究の筆頭著者の一人であるトロエルズ・スクライドストラップ氏は述べた。
Troels Skrydstrup は、オーフス大学の化学科および学際ナノ科学センター (iNANO) の教授です。 この研究は、Vestas、Oilon、デンマーク工科大学、オーフス大学のパートナーシップである CETEC プロジェクト (熱硬化性エポキシ複合材の循環経済) によって支援されました。
この研究では、研究者らは、Ru触媒による脱水素化/結合切断/還元タンデム反応を使用して、ポリマー内の最も一般的なC(アルキル)-O結合を切断しました。これは、C(アルキル)-O単結合を切断するために使用できます。 BPAマトリックスに隣接しています。 研究者らは、未変性のアミン硬化エポキシ樹脂や風力タービンブレードのケーシングなどの市販の複合材料へのこの方法の適用を実証しました。 研究者の結果は、熱硬化性エポキシおよび複合材料の化学的回収が実現可能であることを示しています。
エポキシ樹脂の触媒分解実験では、4 日間の触媒反応後に BPA の 81 パーセントを回収できることが示されました。
アミン硬化エポキシの分子分解に使用できる一般的なアプローチを使用して、研究者らは、ポリマーマトリックスに加えて高い重量パーセントで繊維を含む繊維強化エポキシの脱糖化のためのプロトコルの適用可能性を調査することに着手しました。 3 日後、前処理をしなくても複合材料は明らかに緩い繊維に分離しました。 デカンテーション反応混合物； 洗浄後、57重量パーセントの炭素繊維が回収され、13重量パーセントのBPAが溶液から単離された。
次に、退役した最新鋭の風力タービンブレードのケーシングをテストしました。 この市販の複合サンプルは触媒によって完全に分解され、50 重量パーセントのガラス繊維と 19 重量パーセントの BPA が得られました。
結論として、耐用年数が終了した複合材料から回収されたコンポーネントについては、循環経済を考慮することができます。 リサイクルによって得られる高度に精製されたビスフェノール A は、理論的には、石油原料から製造された元の BPA の代わりに、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリエステルなどの既存の生産チェーンで再利用できます。 研究者の触媒プロセスは、これらの貴重で関連性の高い材料の循環経済を達成することが可能であることを実証する概念実証とみなすことができます。
