C의 촉매 단절

Nature 617권, 730~737페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

섬유 강화 에폭시 복합재는 가벼운 무게와 높은 내구성으로 인해 항공우주, 자동차 및 풍력 산업의 하중 지지 응용 분야에서 잘 확립되어 있습니다. 이러한 복합재는 유리 또는 탄소 섬유가 내장된 열경화성 수지를 기반으로 합니다1. 실행 가능한 재활용 전략 대신 풍력 터빈 블레이드와 같은 사용이 끝난 복합 기반 구조물은 일반적으로 매립됩니다1,2,3,4. 플라스틱 폐기물5,6이 환경에 부정적인 영향을 미치기 때문에 플라스틱의 순환 경제에 대한 필요성이 더욱 시급해졌습니다7,8. 그러나 열경화성 플라스틱을 재활용하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다1,2,3,4. 여기에서 우리는 에폭시 복합재로부터 고분자 빌딩 블록 비스페놀 A와 손상되지 않은 섬유를 회수하기 위한 전이 금속 촉매 프로토콜을 보고합니다. Ru 촉매에 의한 탈수소화/결합, 절단/환원 캐스케이드는 폴리머의 가장 일반적인 결합의 C(알킬)-O 결합을 분리합니다. 우리는 관련 수정되지 않은 아민 경화 에폭시 수지뿐만 아니라 풍력 터빈 블레이드의 쉘을 포함한 상업용 복합재에 이 방법론을 적용하는 방법을 소개합니다. 우리의 결과는 열경화성 에폭시 수지 및 복합재에 대한 화학적 재활용 접근 방식이 달성 가능함을 보여줍니다.

사용이 끝난 플라스틱과 플라스틱 함유 물질이 자연으로 방출되면서 막대한 양의 환경 위기가 발생하고5,6 전 세계 생태계에 영향을 미치게 되었습니다9,10,11,12. 자원 소비를 줄이고 폐기물이 환경으로 유입되는 것을 제한하기 위해 플라스틱 및 플라스틱 함유 복합재의 순환 경제 구현의 필요성이 명백해졌습니다5. 녹여서 새로운 형태로 재주조할 수 있는 사용이 끝난 열가소성 수지와 달리 열경화성 플라스틱의 가교 중합체 사슬은 이러한 재료를 기계적 재활용에 적합하지 않게 만듭니다. 가용성 부족으로 인한 가공성 문제를 피하는 화학적 재활용은 폴리머를 원래의 모노머 또는 관련 기본 화학 물질로 분해한 다음 기존 생산 체인에 다시 들어가 새로운 폴리머 재료를 생성할 수 있습니다. 이러한 방식으로 순환 경제를 활성화하면 축적된 플라스틱 폐기물을 귀중한 자원으로 전환할 수 있는 기회가 생깁니다7. 최근에는 아닐린과 폴리올의 회수를 위한 열경화성 폴리우레탄 제품의 촉매 수소화 반응이 이 원리를 실현하는 전략으로 보고되었습니다13,14. 대조적으로, 에폭시 수지는 반응성 카르보닐 부분이 부족하여 화학적 결합을 선택적으로 분리하는 것이 더 어렵습니다. 폴리머 매트릭스에 내장된 유리 또는 탄소 섬유로 구성된 가볍고 내구성이 뛰어난 섬유 강화 에폭시 복합재는 자동차, 보트, 항공기 및 풍력 터빈 블레이드 제작에 중요한 고성능 소재입니다1. 풍력 에너지는 2020년 현재 전 세계 에너지 공급의 약 6%에 기여했으며, 가까운 미래에 상당한 성장이 예상됩니다4. 결과적으로, 폐기된 풍력 터빈 블레이드의 4,300만 미터톤이 2050년까지 축적될 것입니다(참조 15). 동시에, 이러한 고분자 재료에 대한 지속 가능한 재활용 기술은 거의 존재하지 않습니다. 에폭시 수지는 생분해되지 않으며 소각 시 독성 가스를 방출하므로16 궁극적으로 주요 폐기 경로는 매립이 됩니다. 2020년 기준으로 사용이 끝난 복합재의 약 1%만이 재사용되었으며, 이는 재료를 파쇄하여 건축 시 충전재로 사용하는 방식을 통해 이루어졌습니다1,2,3. 비효율성과 지속가능성으로 인해 풍력 터빈 블레이드의 매립은 여러 유럽 국가에서 금지되었으며 앞으로 더 많은 국가가 금지될 것으로 예상됩니다4,17. 따라서 에폭시 수지 및 그 복합재에 대한 실행 가능한 재활용 전략에 대한 긴급한 필요성이 커지고 있습니다1,4.

폴리머 기반 복합재의 재활용을 위해 조사된 방법론은 두 가지 일반적인 접근 방식으로 나눌 수 있으며 둘 다 섬유 회수에만 중점을 둡니다. 첫 번째 접근 방식은 화학 결합을 비선택적으로 끊어 폴리머 매트릭스를 파괴함으로써 내장된 섬유를 방출하는 것입니다. 보고된 공정은 열분해와 같은 가혹하고 에너지 집약적인 처리를 기반으로 하며 이는 비실용적이며 섬유가 손상될 수 있습니다1,2,3. 화학적으로 파괴적인 접근법은 더 높은 품질의 섬유를 생산하지만 과산화수소18 또는 농축 질산19과 같은 바람직하지 않은 시약이 필요합니다. 두 번째, 보다 우아한 접근 방식은 특정 조건에서 선택적으로 절단될 수 있는 '분자 중단점'을 포함하는 새로운 에폭시 수지를 설계하는 것입니다. 폴리머 매트릭스는 용해성 사슬 조각으로 소화되어 섬유를 방출할 수 있지만 회수된 폴리머 조각은 다시 주조될 수 없습니다22,23,24,25. 또한, 새로운 수지의 설계를 통해 미래의 복합 제품에 섬유를 재사용할 수 있는 반면, 현재까지 생산된 에폭시 재료의 기존 부담은 여전히 ​​남아 있으며 현재와 가까운 미래에 최신 기술을 사용하여 생산되는 재료도 여전히 남아 있습니다. -최첨단 수지.