Thermochemical recycling of epoxy resins: a kinetic modeling study on DGEBA pyrolysis

Epoxy-based materials, particularly diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA), are thermoset polymers widely employed in wind energy and aerospace sectors. However, their crosslinked structure prevents reprocessing, leaving landfilling and incineration as dominant and unsustainable disposal routes. Thermochemical recycling through pyrolysis offers a promising pathway to recover carbon fibers and generate chemical feedstocks, contributing to circular economy strategies. This thesis aims to develop a semi-detailed kinetic model for the thermochemical recycling of DGEBA, using a functional-group approach: large polymeric fragments are described by their local moieties, while smaller molecules follow a more detailed mechanism. The scheme includes condensed-phase reactions and is compatible with computational fluid dynamics (CFD) simulations after suitable reduction. Validation against thermogravimetric analysis (TGA) with and without speciation confirms the model’s ability to capture mass-loss profiles and product distributions under static and dynamic conditions. The work provides insights into the effect of crosslink density, weak bonds, and network structure on resin stability, while delivering a predictive framework for process optimiza- tion using OpenSMOKE++ software.

I materiali a base epossidica, in particolare il diglicidil etere del bisfenolo A (DGEBA), sono polimeri termoindurenti ampiamente utilizzati nei settori eolico e aerospaziale. Tuttavia, la loro struttura reticolata impedisce il riciclo termico o meccanico, rendendo il deposito in sito controllato e l’incenerimento le principali e insostenibili vie di smaltimento. Il riciclo termochimico tramite pirolisi rappresenta un approccio promettente per recuperare fibre di carbonio e generare intermedi di reazione, contribuendo a strategie di economia circolare. Questa tesi ha l’obiettivo di sviluppare un modello cinetico semi-dettagliato per il riciclo termochimico del DGEBA, basato su un approccio a gruppi funzionali: i frammenti polimerici di grandi dimensioni sono descritti attraverso le loro unità chimiche locali, mentre le molecole più piccole sono trattate con meccanismi più dettagliati. Lo schema comprende le reazioni di pirolisi in fase liquida ed è compatibile con simulazioni CFD dopo un’adeguata riduzione. La validazione mediante analisi termogravi- metrica (TGA), con e senza misure di speciazione, conferma la capacità del modello di riprodurre i profili di perdita di massa e le distribuzioni dei prodotti in condizioni statiche e dinamiche. Il lavoro fornisce indicazioni sugli effetti della densità di reticolazione, dei legami deboli e dell’influenza della struttura reticolata sulla stabilità della resina; offre inoltre uno strumento predittivo per l’ottimizzazione dei processi attraverso l’utilizzo del software OpenSMOKE++.