Terzo appuntamento con la rubrica "Mondo accademico" nata da una collaborazione tra Portale Compositi/Composites Portal e il DICAR delll'Università di Catania. La rubrica, dedicata ai temi più attuali del settore dei compositi, propone oggi un approfondimento sulle resine epossidiche riciclabili.
di GIANLUCA CICALA* E CLAUDIO TOSTO**
La crescita del mercato della fibra di carbonio è costante, con una domanda che dovrebbe raggiungere i 194 kton entro il 2022 e un aumento del mercato globale a 48,7 miliardi di dollari. L'uso incrementale delle fibre di carbonio, dovuto alla loro capacità di coniugare una resistenza meccanica e una leggerezza superiori ad altri materiali, haportato ad un uso ampio e crescente nei settori aerospaziale e automobilistico. In quest'ultimo settore ha un'elevata rilevanza la problematica del riciclo a fine vita dei materiali. Lo sviluppo di modelli di auto come la BMW i3 e la i8 ha aumentato la probabilità di avere in discarica, in futuro, tonnellate di compositi in fibra di carbonio.
Ciò potrebbe sollevare diversi problemi perché la direttiva UE 2000/53/CE comportava un recupero del 95% e un'estensione di riciclaggio dell'85% del peso totale dei veicoli EoL entro il 2015 e, allo stesso tempo, tendeva a limitare l'uso di componenti metallici. Pertanto, da un lato è favorito l'uso di compositi leggeri in fibra di carbonio mentre, dall'altro lato, i materiali devono essere sviluppati per evitare l'impatto sull'ambiente e, in quanto tali, si pone una grave limitazione all'uso di sistemi polimerici reticolabili come tutte le resine termoindurenti. Dal punto di vista applicativo questa scelta avrebbe un grande impatto sulle prestazioni finali delle parti del composito.
Per questi motivi, l'industria e il mondo accademico hanno mostrato un crescente interesse verso nuovi approcci per il riciclo dei compositi termoindurenti o, nelle soluzioni più innovative, per ri-utilizzare completamente le matrici termoindurenti nonostante la loro natura.
Il riciclo dei compositi termoindurenti, nel suo approccio industriale attualmente disponibile, si basa sull’incenerimento delle matrici con il recupero delle fibre di carbonio. Elg Carbon Fiber Ltd è uno dei principali attori del settore con una capacità dichiarata di 2000 tonnellate/anno e con l'offerta di diversi prodotti sotto il tradename Carbisio che vanno dalle fibre corte ai tessuti non tessuti. La tabella nella foto riporta la capacità di diversi produttori attivi in questo settore. L’incenerimento permette di recuperare le fibre di carbonio e, in alcuni casi, l'energia dalle matrici ma presenta diversi inconvenienti: non consente di recuperare e riutilizzare la matrice polimerica e, in quanto tale, non è un approccio sostenibile a lungo termine; degrada le proprietà della fibra di carbonio e la superficie portando così ad ottenere un rinforzo recuperato con applicazioni limitate e valore inferiore rispetto alle fibre di carbonio vergine.
Per superare queste limitazioni sono stati sviluppati diversi approcci basati sulle idee comuni di utilizzare il riciclo chimico per adattare la depolimerizzazione della matrice termoindurente consentendo di ricavarne molecole utilizzabili. Questo approccio, denominato riciclo chimico o solvolisi, si basa sull'uso di soluzioni acide e condizioni di lavorazione tali da consentire la rottura del collegamento covalente e, come tale, comporta la conversione della rete termoindurenti in semplici oligomeri o molecole. Pertanto, con questo approccio i prodotti ottenuti dalle matrici possono essere utilizzati come reagenti chimici e, in una certa misura, riutilizzati attraverso ulteriori sintesi per produrre nuovi sistemi polimerici. Tale approccio ha il vantaggio di ottenere, potenzialmente, prodotti riciclati con proprietà finali simili a quelle vergini. Tuttavia, l'intero processo è complesso e richiede molte fasi sintetiche che potrebbero avere un impatto complessivo sull'ambiente a causa dell'uso di solventi e di molte reazioni chimiche. Aziende come Adherent Technologies hanno ottimizzato un processo proprietario per il riciclo chimico che è operativo da un decennio e, più recentemente, Vartega ha sviluppato il suo approccio proprietario di solvolisi.
Oltre a queste soluzioni incentrate sul trattamento dei compositi esistenti, un approccio più radicale prevede di innovare la chimica stessa delle matrici termoindurenti per consentirne un riciclo semplice e diretto. L’azienda pioniera in questo settore è stata l'azienda Connora Technology che ha introdotto i suoi agenti reticolanti brevettati denominati Recyclamine alcuni anni fa. Tali agenti reticolanti incorporano nella loro struttura gruppi chimici denominati “cleavable” che possono essere selettivamente rotti in condizioni acide non severe che portano a trasformare il termoindurete in una resina termoplastica facilmente utilizzabile. Le fibre di carbonio, a causa delle condizioni di riciclo utilizzate, sono inaltere mantenendo così le proprietà vergini. Recentemente, questo approccio è stato testato su compositi ibridi in fibra naturale/carbonio sviluppati per HPRTM e infusione di resina dimostrandone la fattibilità anche quando vengono utilizzate fibre di rinforzo degradabili in lino.
Connora Technology ha recentemente venduto la sua tecnologia ad Aditya Birla Chemicals progettando di espandere le opportunità di business mediante il supporto del colosso Tailandese.
Approcci simili a quello sviluppato da Connora Technology sono oggetto di ulteriori ricerche, come dimostra il consorzio Ecoxy che mira a sviluppare compositi temoindurenti basati su oligomeri bio che presentino caratteristiche di riciclabilità e riparabilità. Questo approccio si basa sull’uso dei vetrimeri che ora aziende come Mallinda stanno cercando di sfruttare a livello commerciale.
L'analisi dello stato dell'arte riportata brevemente qui giustifica il titolo "una storia senza fine". Anche se i termoindurenti sono stati criticati per la loro scarsa sostenibilità, grazie alla reazione intelligente e alla ricerca di diversi gruppi nel mondo, il futuro sembra brillante per le nuove possibilità offerte dall’utilizzo di nuove chimiche che potrebbe trasformare il termoindurente in un prodotto utilizzabile senza fine. È comunque sicuro che siano necessarie ulteriori ricerche e si dovrebbe fare attenzione al crescente uso di materie prime provenienti da fonti rinnovabili e sostenibili, ma, come dimostra la storia, le aziende e i ricercatori del settore dei compositi e della chimica hanno lo slancio per reagire e sviluppare nuove strategie e prodotti.
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* Professor of Materials Science and Technology (University of Catania)
** PhD Student Polymers and Composites Lab (University of Catania)
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03 novembre 2020
