Исследование из консорциума BOTTLE опубликовано в журнале Nature, в котором говорится, что разложение эпоксидных смол горячей уксусной кислотой может обеспечить масштабируемое и доступное решение для переработки материалов, используемых в различных дорогостоящих потребительских товарах.
Композитные материалы из углеродного волокна (КМУФ) — это высокопрочные и лёгкие материалы, изготовленные из эпоксиаминных смол, которые окружают длинные углеродные волокна. КМУФ используются для создания более лёгких и эффективных велосипедов, самолётов и автомобилей, а также являются важным компонентом сосудов высокого давления, используемых для перевозки и хранения сжатого природного газа. Однако из-за стоимости и энергоёмкости производства КМУФ их применение ограничено, а методы их переработки практически отсутствуют.
Эпоксиаминные смолы, из которых изготавливаются КМУФ, по химическому составу схожи с эпоксидными смолами, которые можно найти в хозяйственных магазинах. Эти композиты образуют жёсткий и устойчивый пластик, но его нельзя растворить или расплавить. Хотя смолы относительно дешевы, волокна, которые они окружают, стоят дорого, поэтому полученные композиты довольно дороги — многие КМУФ могут стоить более 50 долларов за фунт.
«Для наглядной аналогии представьте себе торт, — сказал Стивен Демпси, научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) и один из первых авторов исследования. — Когда яйцо, мука и сахар оказываются в тесте, а торт испечён, практически невозможно вернуть их обратно».
«Здесь происходит нечто похожее: смола химически сцеплена, и связи довольно сильны. Нам нужно сделать что-то интенсивное, чтобы извлечь волокна, но при этом мы должны быть осторожны, чтобы не разрушить химические вещества в смоле сверх необходимого, поскольку это привело бы к напрасной трате времени, энергии и сырья, затраченных на их изготовление», — пояснил он.
Команда BOTTLE пришла к удивительно простому решению. Горячая уксусная кислота, то же самое соединение, которое содержится в уксусе, может разрушить все ключевые связи в этих смолах. Бывший научный сотрудник NREL Сиран Лахив (ныне в Манчестерском университете) и соавтор исследования продемонстрировали эту реакцию во время интенсивных испытаний по подбору реакций для другого проекта.
Команда выяснила, что полимерные сети в смоле не только быстро растворяются, но и уксусная кислота стабилизирует их химические компоненты, обеспечивая высокий выход химических строительных блоков, пригодных для повторного использования.
Исследователи также определили, что прочность переработанных углеродных волокон (ПУВ) не пострадала, что критически важно для сохранения их ценности после извлечения из композита. Чтобы продемонстрировать это, они взяли 80 граммов рамы горного велосипеда, изготовленной из композитного материала, и разобрали её. Используя только что извлечённые углеродные волокна, они создали новые композиты, которые продемонстрировали более чем вдвое большее соотношение прочности к весу стали.
Ожидается, что стоимость ПУВ будет довольно низкой по сравнению с первичным волокном — всего 1,50 доллара за килограмм, а потребление энергии будет практически нулевым, если учитывать восстановленные эпоксидные строительные блоки. Процесс не ограничивается только КМУФ — стеклопластиковые композиты, подобные тем, что используются в лопастях турбин, корпусах лодок или автомобильных бамперах и капотах, также могут быть обработаны.
«В долгосрочной перспективе эта технология может быть использована для создания ценности из сложных потоков композитных отходов, которые в настоящее время накапливаются на свалках», — сказал генеральный директор BOTTLE Грегг Бекхэм, старший автор исследования и старший научный сотрудник NREL. «Современные технологии пока не могут справиться с этим потоком отходов, но мы считаем, что этот процесс может быть полезен и для этого применения».
Открытие может активизировать американскую промышленность по производству композитных материалов.
«Если мы сможем масштабировать этот процесс и внедрить его в реальном мире, мы не видим причин, по которым целые панели автомобилей или поездов не могли бы быть изготовлены из композитов ПУВ вместо стали или алюминия», — сказал Демпси.