Desconexão catalítica de C

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

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Detalhes das métricas

Os compósitos epóxi reforçados com fibras estão bem estabelecidos em relação a 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, estruturas baseadas em compósitos de fim de uso, como pás de turbinas eólicas, são comumente aterradas1,2,3,4. Devido ao impacto ambiental negativo dos resíduos plásticos5,6, a necessidade de economias circulares de 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 a recuperação do bloco de construção do polímero bisfenol A e fibras intactas de compósitos epóxi. Uma cascata de desidrogenação/ligação e clivagem/redução catalisada por Ru desconecta as ligações C(alquil)–O das ligações mais comuns do polímero. Mostramos a aplicação dessa metodologia a resinas epóxi curadas com amina não modificadas, bem como a compósitos comerciais, incluindo o invólucro de uma pá de turbina eólica. Nossos resultados demonstram que as abordagens de reciclagem química para resinas epóxi termofixas e compósitos são alcançáveis.

As grandes quantidades de plásticos em fim de uso e materiais contendo plásticos liberados na natureza resultaram em uma grande crise ambiental5,6, afetando 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 limitar a introdução de resíduos no meio ambiente5. Em contraste com os termoplásticos em fim de uso, que podem ser derretidos e reformulados em novas formas, as cadeias poliméricas reticuladas dos plásticos termofixos tornam esses materiais inadequados para reciclagem mecânica. Contornando os 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 reentrar nas cadeias de produção estabelecidas, produzindo materiais poliméricos virgens. Permitir uma economia circular dessa maneira oferece a oportunidade de transformar o acúmulo de resíduos plásticos em recursos valiosos7. Recentemente, a hidrogenação catalítica de produtos de poliuretano termoendurecíveis para a recuperação de anilinas e polióis foi relatada como uma estratégia para realizar esse princípio13,14. Por outro lado, as resinas epóxi carecem de porções carbonil reativas, tornando as desconexões seletivas de suas ligações químicas mais desafiadoras. Compósitos epóxi reforçados com fibras leves e altamente duráveis, que consistem em fibras de vidro ou carbono embutidas 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 com aproximadamente 6% da oferta global de energia em 2020, com projeções de 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, tecnologias sustentáveis ​​de reciclagem para tais materiais poliméricos são quase inexistentes. As resinas epóxi não são biodegradáveis ​​e emitem gases tóxicos na incineração16, levando, em última análise, ao aterro como a principal via para seu descarte. A partir de 2020, apenas cerca de 1% dos compósitos em fim de uso foram reutilizados e isso por meio da trituração do material e seu uso como carga na construção1,2,3. Devido à sua ineficiência e insustentabilidade, o aterro de pás de turbinas eólicas foi proibido por vários países europeus, e espera-se que mais aconteçam4,17. Portanto, a necessidade premente de estratégias viáveis ​​de reciclagem para resinas epóxi e seus compostos está aumentando1,4.

As metodologias investigadas para a 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 são baseados em tratamentos agressivos e com alto consumo 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 solúvel, liberando as fibras, as frações poliméricas recuperadas não podem ser refundidas22,23,24,25. Além disso, enquanto o design de novas resinas poderia implementar a reutilização de fibras para futuros produtos compostos, o legado de materiais epóxi produzidos até os dias atuais ainda permanece, bem como aqueles que estão sendo produzidos agora e no futuro próximo usando materiais de última geração. -resinas de última geração.