Progress in sustainability within the realm of designing new thermosetting materials

Abstract

Els materials termoestables, essencials en aplicacions que requereixen propietats mecàniques robustes com en automòbils i construcció, enfronten reptes en el seu reciclatge degut a la seva estructura irreversible, infusible i insoluble. Això origina un residu considerable al final de la seva vida útil, que acaba en abocadors o incinerat, plantejant problemes de sostenibilitat. Aquesta preocupació apressant ressalta la necessitat tant d'acadèmia com d'indústria de idear estratègies per reduir l'acumulació de residus i preservar l'entorn. Estratègies com la química click, curat dual, monòmers de biomassa i xarxes covalents adaptables (CANs) ofereixen enfocaments eco-conscients per crear termoestables sostenibles. Aquest estudi abasta aquestes estratègies per dissenyar diversos materials termoestables, posant l'accent en la sostenibilitat.

El Capítol 3 introdueix un sistema de curat dual via epoxi-amina tèrmica i metacrilat tèrmic/fotoiniciat, produint termoestables altament entrecruats. El Capítol 4 explora la homopolimerització de (met)acrilats comercials i la reacció tiol-epoxi com a curat dual, ajustant les formulacions per propietats específiques. El Capítol 5 presenta un procés de curat dual renovable derivat de l'eugenol, glicerol i pentaeritritol, fent servir reaccions click tio-Michael i tiol-epoxi per termoestables controlats.

El Capítol 6 presenta CANs basats en poli(acylhydrazones), preparats a partir de dihidrazides derivades de biomassa i un derivat epoxi de vainillina, amb comportament dinàmic. El Capítol 7 descriu la síntesi de polímers amb imina a partir de la vainillina amb bones propietats de reciclatge. Els Capítols 8 i 9 presenten materials dinàmics de recursos renovables i monòmers comercialment disponibles, centrats en la metàtesi de disulfur i la resistència al flux. El Capítol 10 desenvolupa adhesius vitrimèrics reversibles que, gràcies a la transesterificació, permeten la seva separació i re-adhesió a altes temperatures. El darrer capítol estableix un sistema de curat dual bio-basat, resultant en materials entrecruats amb múltiples enllaços dinàmics, demostrant grans propietats mecàniques i reciclabilitat.

Los materiales termoestables, esenciales en aplicaciones que requieren robustas propiedades mecánicas como automóviles y construcción, enfrentan retos en su reciclaje debido a su estructura irreversible, infusible e insoluble. Esto origina un desperdicio considerable al final de su vida útil, que termina en vertederos o incinerado, planteando problemas de sostenibilidad. Esta preocupación apremiante resalta la necesidad de tanto academia como de industria de idear estrategias para reducir la acumulación de desechos y preservar el entorno. Estrategias como química click, doble curado, monómeros de biomasa y redes adaptables covalentes (CANs) ofrecen enfoques eco-conscientes para crear termoestables sostenibles. Este estudio abarca estas estrategias para diseñar variaos materiales termoestables, haciendo hincapié en la sostenibilidad.

El Capítulo 3 introduce un sistema de doble curado vía epoxi-amina térmica y metacrilato térmico/fotoiniciado, produciendo termoestables altamente entrecruzados. El Capítulo 4 explora la homopolimerización de (met)acrilatos comerciales y la reacción tiol-epoxi como curado dual, ajustando las formulaciones para propiedades específicas. El Capítulo 5 presenta un proceso de doble curado renovable derivado de eugenol, glicerol y pentaeritritol, usando reacciones click tio-Michael y tiol-epoxi para termoestables controlados.

El Capítulo 6 presenta CANs basados en poli(acylhydrazonas), preparadas a partir de dihidrazidas derivadas de biomasa y un derivado epoxi de vainillina, con comportamiento dinámico. El Capítulo 7 describe síntesis de polímeros con imina a partir de la vainillina con buenas propiedades de reciclaje. Capítulos 8 y 9 presentan materiales dinámicos de recursos renovables y monómeros comercialmente disponibles, centrados en la metátesis de disulfuro y resistencia al flujo. El Capítulo 10 desarrolla adhesivos vitrímericoos reversibles que, gracias a la transesterificación, permitien su separación y readhesión a altas temperaturas. El último capítulo establece un sistema de doble curado bio-basado, resultando en materiales entrecruzados con múltiples enlaces dinámicos, demostrando grandes propiedades mecánicas y reciclabilidad.

Thermosetting materials, vital for applications demanding robust mechanical properties like automobiles and construction, encounter recycling challenges due to their irreversible, infusible and insoluble structure. This leads to substantial waste after their useful life, mainly ending up in landfills or incinerated, posing sustainability issues. This pressing concern highlights academia and industry's need to devise strategies for reducing waste accumulation and preserving the environment. Strategies like click chemistry, dual-curing, biomass-based monomers, and covalent adaptable networks (CANs) offer eco-conscious approaches for crafting sustainable thermosets. This study encompasses these strategies to design varied thermosetting materials, emphasizing in the sustainability approach.

Chapter 3 introduces a dual-curing system via thermal epoxy-amine and thermal/photoinitiated methacrylate homopolymerization, yielding diverse highly crosslinked thermosets. Chapter 4 explores homopolymerization of commercial (meth)acrylates and thiol-epoxy dual-curing, adjusting initial formulation for tailored properties. Chapter 5 presents a renewable dual-curing process based on eugenol, glycerol, and pentaerythritol derivatives, using click thio-Michael and thiol-epoxy reactions for the preparation of thermosets with controlled properties.

Chapter 6 showcases sustainable perspectives through biobased poly(acylhydrazone) CANs prepared from different biobased dihydrazides and a vanillin epoxy derivative and its dynamic behavior. Chapter 7 describes the synthesis of imine-containing polymers with fast relaxation rates and good recycling properties. Chapters 8 and 9 present dynamic materials from renewable resources and commercially available monomers, focusing on disulfide metathesis and creep resistance. Chapter 10 develops reversible vitrimeric adhesives that thanks to dynamic transesterification, allowing easy debonding and rebonding at high temperatures. The final chapter establishes a bio-based dual-curing system with sequential reactions, resulting in highly crosslinked materials with multiple dynamic bonds, demonstrating mechanical properties and recyclability.