Déconnexion catalytique de C

Jul 13, 2023

Nature volume 617, pages 730-737 (2023)Citer cet article

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Les composites époxy renforcés de fibres sont bien établis en ce qui concerne les applications porteuses dans les industries aérospatiale, automobile et éolienne, en raison de leur légèreté et de leur grande durabilité. Ces composites sont à base de résines thermodurcies incorporant des fibres de verre ou de carbone1. Au lieu de stratégies de recyclage viables, les structures composites en fin d'utilisation, telles que les pales d'éoliennes, sont généralement mises en décharge1,2,3,4. En raison de l’impact environnemental négatif des déchets plastiques5,6, le besoin d’économies circulaires du plastique est devenu plus pressant7,8. Pourtant, le recyclage des plastiques thermodurcis n’est pas une mince affaire1,2,3,4. Nous rapportons ici un protocole catalysé par des métaux de transition pour la récupération du bisphénol A, élément constitutif du polymère, et des fibres intactes à partir de composites époxy. Une cascade de déshydrogénation/liaison, de clivage/réduction catalysée par Ru déconnecte les liaisons C(alkyle)-O des liaisons les plus courantes du polymère. Nous présentons l'application de cette méthodologie aux résines époxy durcies aux amines non modifiées ainsi qu'aux composites commerciaux, y compris la coque d'une pale d'éolienne. Nos résultats démontrent que les approches de recyclage chimique pour les résines époxy thermodurcies et les composites sont réalisables.

Les grandes quantités de plastiques en fin d’utilisation et de matériaux contenant du plastique rejetées dans la nature ont entraîné une crise environnementale majeure5,6, affectant les écosystèmes du monde entier9,10,11,12. La nécessité de mettre en œuvre une économie circulaire des plastiques et des composites contenant du plastique est devenue évidente pour réduire la consommation de ressources, ainsi que pour limiter l'introduction de déchets dans l'environnement5. Contrairement aux thermoplastiques en fin d'utilisation, qui peuvent être fondus et refondus sous de nouvelles formes, les chaînes polymères réticulées des plastiques thermodurcis rendent ces matériaux impropres au recyclage mécanique. Contournant les problèmes de transformabilité dus au manque de fusibilité, le recyclage chimique déconstruit les polymères en leurs monomères d'origine ou en produits chimiques de base associés qui peuvent ensuite réintégrer les chaînes de production établies pour produire des matériaux polymères vierges. Permettre une économie circulaire de cette manière offre l’opportunité de transformer les déchets plastiques accumulés en ressources précieuses7. Récemment, l’hydrogénation catalytique de produits polyuréthanes thermodurcis pour la récupération des anilines et des polyols a été rapportée comme une stratégie réalisant ce principe13,14. En revanche, les résines époxy manquent de fragments carbonyle réactifs, ce qui rend les déconnexions sélectives de leurs liaisons chimiques plus difficiles. Les composites époxy légers et très durables renforcés de fibres, constitués de fibres de verre ou de carbone incorporées dans la matrice polymère, sont des matériaux hautes performances essentiels à la construction d'automobiles, de bateaux, d'avions et de pales d'éoliennes1. L’énergie éolienne représentait environ 6 % de l’approvisionnement énergétique mondial en 2020, et les projections prévoient une croissance significative dans un avenir proche4. À leur tour, 43 millions de tonnes de pales d’éoliennes déclassées se seront accumulées d’ici 2050 (réf. 15). Dans le même temps, les technologies de recyclage durables de ces matériaux polymères sont quasiment inexistantes. Les résines époxy ne sont pas biodégradables et émettent des gaz toxiques lors de leur incinération16, conduisant finalement à leur mise en décharge comme principale voie d'élimination. En 2020, seulement environ 1 % des composites en fin d'utilisation étaient réutilisés, et ce en déchiquetant le matériau et en l'utilisant comme substance de remplissage dans la construction1,2,3. En raison de son inefficacité et de son caractère non durable, la mise en décharge des pales d’éoliennes a été interdite par plusieurs pays européens, et d’autres devraient suivre4,17. Par conséquent, le besoin pressant de stratégies de recyclage viables pour les résines époxy et leurs composites augmente1,4.

Les méthodologies étudiées pour le recyclage des composites à base de polymères peuvent être divisées en deux approches générales, toutes deux axées uniquement sur la récupération des fibres. La première approche repose sur la destruction de la matrice polymère en rompant les liaisons chimiques de manière non sélective, libérant ainsi les fibres incorporées. Les procédés signalés sont basés sur des traitements rigoureux et à forte intensité énergétique, tels que la pyrolyse, qui sont peu pratiques et entraînent des fibres endommagées1,2,3. Les approches chimiquement destructrices produisent des fibres de meilleure qualité1 mais nécessitent des réactifs indésirables tels que le peroxyde d’hydrogène18 ou l’acide nitrique concentré19. La deuxième approche, plus élégante, consiste à concevoir de nouvelles résines époxy contenant des « points de rupture moléculaire », qui peuvent être clivées de manière sélective dans certaines conditions20,21. Bien que la matrice polymère puisse être digérée en fragments de chaîne solubles, libérant ainsi les fibres, les fractions polymères récupérées ne peuvent pas être refondues22,23,24,25. En outre, alors que la conception de nouvelles résines pourrait mettre en œuvre la réutilisation des fibres pour de futurs produits composites, le fardeau hérité des matériaux époxy produits jusqu'à aujourd'hui demeure, ainsi que de ceux produits aujourd'hui et dans un avenir proche en utilisant des matériaux de pointe. -des résines de pointe.