Cの触媒的切断

Jul 31, 2023

Nature volume 617、pages 730–737 (2023)この記事を引用

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202 オルトメトリック

メトリクスの詳細

繊維強化エポキシ複合材料は、軽量で耐久性が高いため、航空宇宙産業、自動車産業、風力発電産業における耐荷重用途に関して十分に確立されています。 これらの複合材料は、ガラスまたは炭素繊維を埋め込んだ熱硬化性樹脂をベースとしています1。 実行可能なリサイクル戦略の代わりに、風力タービンブレードなどの使用済みの複合材ベースの構造物は一般に埋め立てられています1、2、3、4。 プラスチック廃棄物が環境に悪影響を与える5,6ため、プラスチックの循環経済の必要性がより緊急になっています7,8。 しかし、熱硬化性プラスチックのリサイクルは簡単な問題ではありません1、2、3、4。 今回我々は、エポキシ複合材料からポリマーの構成要素であるビスフェノール A と無傷の繊維を回収するための遷移金属触媒プロトコルを報告します。 Ru触媒による脱水素化/結合、切断/還元カスケードにより、ポリマーの最も一般的な結合のC(アルキル)-O結合が切断されます。 この方法論を、関連する未変性アミン硬化エポキシ樹脂や、風力タービンブレードのシェルを含む市販の複合材料に適用した例を紹介します。 私たちの結果は、熱硬化性エポキシ樹脂および複合材料のケミカルリサイクルアプローチが達成可能であることを示しています。

自然界に放出された大量の使用済みプラスチックおよびプラスチック含有材料は、重大な環境危機を引き起こし 5,6、世界中の生態系に影響を与えています9,10,11,12。 資源の消費を削減し、環境中への廃棄物の導入を制限するために、プラスチックおよびプラスチックを含む複合材の循環経済を導入する必要性が明らかになってきています5。 使用済みの熱可塑性プラスチックは溶解して新しい形状に再成形できるのとは対照的に、熱硬化性プラスチックの架橋ポリマー鎖により、これらの材料は機械的リサイクルに適さなくなります。 ケミカルリサイクルは、可融性の欠如による加工性の問題を回避し、ポリマーを元のモノマーまたは関連する基礎化学物質に分解し、確立された生産チェーンに再投入してバージンポリマー材料を生成します。 この方法で循環経済を実現すると、蓄積したプラスチック廃棄物を貴重な資源に変える機会が得られます7。 最近、アニリンとポリオールを回収するための熱硬化性ポリウレタン製品の接触水素化が、この原理を実現する戦略として報告されています 13,14。 対照的に、エポキシ樹脂には反応性のカルボニル部分が欠けているため、化学結合の選択的切断がより困難になります。 軽量で耐久性の高い繊維強化エポキシ複合材料は、ポリマーマトリックスに埋め込まれたガラス繊維または炭素繊維で構成されており、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1。 風力エネルギーは 2020 年の時点で世界のエネルギー供給の約 6% に貢献しており、近い将来に大幅な成長が見込まれると予測されています4。 同様に、2050 年までに 4,300 万トンの廃止された風力タービンブレードが蓄積されることになります (参考文献 15)。 同時に、そのようなポリマー材料の持続可能なリサイクル技術はほとんど存在しません。 エポキシ樹脂は生分解性ではなく、焼却すると有毒ガスを発生し16、最終的には主な廃棄経路として埋め立てにつながります。 2020 年の時点で、使用済み複合材の約 1% のみが再利用されており、これは材料を細断して建設時の充填材として使用する方法によるものです1、2、3。 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のため、ヨーロッパのいくつかの国で禁止されており、今後さらに多くの国が埋め立てを行うことが予想されています4,17。 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の緊急の必要性が高まっています1,4。

ポリマーベースの複合材のリサイクルのために研究された方法論は 2 つの一般的なアプローチに分けることができ、どちらも繊維の回収のみに焦点を当てています。 最初のアプローチは、化学結合を非選択的に切断することによってポリマーマトリックスを破壊し、それによって埋め込まれた繊維を解放することに依存しています。 報告されているプロセスは、熱分解などの過酷でエネルギーを大量に消費する処理に基づいていますが、これは非現実的であり、繊維の損傷を引き起こします1、2、3。 化学的破壊アプローチでは、より高品質の繊維が得られます 1 が、過酸化水素 18 や濃硝酸 19 などの望ましくない試薬が必要です。 2 番目のより洗練されたアプローチは、特定の条件下で選択的に切断できる「分子切断点」を含む新しいエポキシ樹脂を設計することです。 ポリマーマトリックスは可溶性鎖断片に消化されて繊維が放出されますが、回収されたポリマー画分を再成形することはできません 22、23、24、25。 さらに、新しい樹脂の設計により、将来の複合製品に繊維を再利用できる可能性がある一方で、現在および近い将来に最新の技術を使用して製造されるエポキシ材料だけでなく、現在まで製造されているエポキシ材料のレガシーな負担も依然として残っています。 -最先端の樹脂。