目前,我國大約60%的電力供應(yīng)依靠燃煤電廠,根據(jù)規(guī)劃,至2030年,燃煤電廠提供的電力依然占到電力結(jié)構(gòu)的47%左右。煤炭的廣泛使用產(chǎn)生了每年數(shù)以億噸的粉煤灰(fly ash,F(xiàn)A),粉煤灰的堆放占用了大量寶貴的土地資源,并且在風(fēng)力作用下容易產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染,與我國提倡的可持續(xù)發(fā)展和“綠水青山就是金山銀山”的國家戰(zhàn)略嚴(yán)重沖突。因此,如何提高粉煤灰在聚合物中的高附加值應(yīng)用成了近二三十年來人們關(guān)注的重點。在前人的研究中,主要通過偶聯(lián)劑改性粉煤灰來補強橡膠復(fù)合材料。但是由于粉煤灰的表面硅羥基極少,偶聯(lián)劑改性效果不佳,導(dǎo)致橡膠/粉煤灰復(fù)合材料的性能非常差,粉煤灰只能作為一種非補強型填料來填充橡膠,嚴(yán)重限制了粉煤灰在高性能橡膠復(fù)合材料中的應(yīng)用。
近日,東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院楊樹顏老師課題組通過分析粉煤灰的主要成分,提出了“原位接枝-中和”反應(yīng)來制備高性能橡膠/粉煤灰復(fù)合材料。該課題組通過在羧基丁腈橡膠(XNBR)中加入粉煤灰,在硫化過程中利用羧基與粉煤灰的金屬氧化物組分發(fā)生中和反應(yīng),從而大大提高粉煤灰與橡膠分子鏈的作用,制備出來的XNBR/FA復(fù)合材料的拉伸強度比純XNBR樣品提高了44%(Yang, S., P. Liang, K. Hua, X. Peng, Y. Zhou, and Z. Cai, Preparation of carboxylated nitrile butadiene rubber/fly ash composites by in-situ carboxylate reaction. Composites Science and Technology, 2018, 167:294-300.)。
在此工作的理論基礎(chǔ)上,在非極性橡膠丁苯橡膠(SBR)中加入山梨酸(sorbic acid,SA)作為改性劑,利用過氧化二異丙苯(DCP)作為接枝引發(fā)劑,通過“原位接枝-中和”反應(yīng),山梨酸類似于橋聯(lián)作用,如圖1所示,大幅度提高SBR分子鏈與粉煤灰粒子的界面作用,從而有利于橡膠基體在受到外力作用時能夠使應(yīng)力從分子鏈有效傳遞到粉煤灰粒子中,分散了應(yīng)力集中, SBR/SA/FA復(fù)合材料的拉伸強度比沒有改性的SBR/FA復(fù)合材料提高了215%,而扯斷伸長率也有了明顯的提高。根據(jù)實驗結(jié)果,進而提出了FA補強SBR復(fù)合材料的補強機理(如圖1),為粉煤灰在高分子復(fù)合材料中的廣泛應(yīng)用提供理論支持。
該研究成果發(fā)表在近期的Chemical Engineering Journal上(Yang, S., P. Liang, X. Peng, Y. Zhou, K. Hua, W. Wu, and Z. Cai, Improvement in mechanical properties of SBR/Fly ash composites by in-situ grafting-neutralization reaction. Chemical Engineering Journal, 2018, 354:849-855.)。該工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持(51303026)。
論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894718315869
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