유리섬유 또는 탄소섬유를 폴리머 매트릭스에 내장한 경량의 고내구성 섬유강화 에폭시 복합재료는 자동차, 선박, 항공기 및 풍력 터빈 블레이드 제조에 필수적인 고성능 소재입니다.
2025년까지 매년 약 25000톤의 풍력 터빈 블레이드가 작동 수명에 도달할 것입니다. 전통적으로 풍력 터빈 블레이드는 탄성 물질인 에폭시의 화학적 특성으로 인해 재사용이 불가능한 부품으로 간주되어 재활용이 어려웠습니다. 에폭시 수지는 생분해되지 않으며 연소 시 유독 가스를 방출하므로 궁극적으로 매립이 주요 처리 방법입니다.
풍력 터빈 블레이드의 매립은 비효율성과 지속 가능성으로 인해 여러 유럽 국가에서 금지되었으며 앞으로 더 많은 국가에서 시행될 것으로 예상됩니다. 따라서 에폭시 수지 및 복합재에 대한 실행 가능한 재활용 전략이 절실히 필요합니다.
현재 새로 발견된 프로세스는 재활용 전략의 개념 증명이며 현재 생산 중인 기존 풍력 터빈 블레이드 및 블레이드의 대다수와 기타 에폭시 기반 재료에 적용될 수 있습니다.
이 결과는 덴마크 공과대학과 함께 선도적인 과학 저널인 Nature 및 Aarhus University에 게재되었으며, 이 프로세스에 대한 특허를 신청했습니다.
구체적으로 연구원들은 루테늄 기반 촉매와 솔벤트 이소프로판올 및 톨루엔을 사용하여 에폭시 매트릭스를 분리하고 에폭시 폴리머의 원래 구조 단위 중 하나인 비스페놀 A와 온전한 유리 섬유를 단일 공정으로 방출할 수 있음을 보여주었습니다.
그러나 이 방법은 촉매 시스템이 산업적 구현에 충분히 효율적이지 않고 루테늄이 희귀하고 값비싼 금속이기 때문에 즉시 확장 가능하지 않습니다. 따라서 Aarhus 대학의 과학자들은 이 방법을 계속해서 개선하고 있습니다.
"그럼에도 불구하고 우리는 이것을 에폭시 기반 재료의 순환 경제를 창출할 수 있는 내구성 기술 개발의 주요 돌파구로 보고 있습니다. 이것은 에폭시 수지 복합 재료를 선택적으로 분해하고 가장 중요한 재료 중 하나를 분리할 수 있는 화학 공정의 첫 번째 간행물입니다. "에폭시 폴리머와 유리 또는 탄소 섬유의 중요한 구성 요소는 프로세스에서 후자를 손상시키지 않습니다."라고 연구의 주요 저자 중 한 명인 Troels Skrydstrup은 말했습니다.
Troels Skrydstrup은 Aarhus 대학의 화학과 및 학제간 나노과학 센터(iNANO)의 교수입니다. 이 연구는 Vestas, Oilon, 덴마크 공과 대학 및 Aarhus 대학 간의 파트너십인 CETEC 프로젝트(열경화성 에폭시 복합 재료를 위한 순환 경제)의 지원을 받았습니다.
이 연구에서 연구원들은 C(alkyl)-O 단일 결합을 끊는 데 사용할 수 있는 폴리머에서 가장 일반적인 C(alkyl)-O 결합을 끊기 위해 Ru 촉매 탈수소화/결합 끊기/환원 탠덤 반응을 사용했습니다. BPA 매트릭스에 인접. 연구원들은 풍력 터빈 블레이드의 케이싱을 포함하여 수정되지 않은 아민 경화 에폭시 수지 및 상업용 복합 재료에 대한 방법의 적용을 시연했습니다. 연구원들의 결과는 열경화성 에폭시와 합성물의 화학적 회수가 가능하다는 것을 보여줍니다.
에폭시 수지의 촉매 분해 실험은 촉매 반응 4일 후에 BPA의 81%가 회수될 수 있음을 보여주었다.
아민 경화 에폭시의 분자 분해에 사용할 수 있는 일반적인 접근 방식을 통해 조사관은 폴리머 매트릭스 외에 높은 중량 백분율로 섬유를 포함하는 섬유 강화 에폭시의 해독을 위한 프로토콜의 적용 가능성을 조사했습니다. 3일 후 복합재는 전처리 없이 느슨한 섬유로 명확하게 분리되었습니다. 데칸테이션 반응 혼합물; 세척 후 57wt%의 탄소 섬유가 회수되었고 13wt%의 BPA가 용액에서 분리되었습니다.
그런 다음 퇴역한 최첨단 풍력 터빈 블레이드의 케이싱을 테스트했습니다. 이 상업용 복합재 샘플은 완전히 촉매 분해되어 50wt% 유리 섬유와 19wt% BPA가 생성되었습니다.
결론적으로 수명이 다한 복합재에서 회수한 부품에 대해서는 순환경제를 고려할 수 있다. 재활용을 통해 얻은 고순도 비스페놀 A는 이론적으로 에폭시 수지, 폴리카보네이트 또는 폴리에스테르와 같은 기존 생산 체인에서 재사용되어 석유 공급 원료에서 생산된 원래 BPA를 대체할 수 있습니다. 연구원의 촉매 공정은 개념 증명으로 볼 수 있으며, 이러한 가치 있고 관련 있는 재료에 대한 순환 경제를 달성하는 것이 실현 가능함을 보여줍니다.
