廢舊橡膠復(fù)合材料制備工藝的多維度探索與創(chuàng)新研究一、引言1.1研究背景與意義橡膠材料以其卓越的彈性、耐磨性、耐腐蝕性等特性，在現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中發(fā)揮著不可或缺的作用。從汽車輪胎到密封制品，從建筑材料到電子產(chǎn)品，橡膠制品的身影隨處可見。隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加速，橡膠的消費量持續(xù)攀升，由此產(chǎn)生的廢舊橡膠數(shù)量也與日俱增。據(jù)統(tǒng)計，全球每年產(chǎn)生的廢舊橡膠數(shù)量高達(dá)數(shù)千萬噸，且仍以每年5%-8%的速度增長。僅我國，每年廢舊輪胎產(chǎn)生量就超過2000萬噸，加上其他各類橡膠制品廢棄物，總量十分驚人。這些廢舊橡膠若得不到妥善處理，將帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。一方面，廢舊橡膠屬于高分子彈性材料，是在自然條件下非常難降解的熱固性聚合物材料，在土壤中難以自然降解，長期堆積不僅占用大量土地資源，還會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，影響土壤的透氣性和透水性，進(jìn)而降低土壤肥力，阻礙植物生長。另一方面，廢舊橡膠在日曬雨淋、風(fēng)吹等自然因素作用下，會逐漸老化、分解，釋放出大量有害化學(xué)物質(zhì)，如多環(huán)芳烴、重金屬等，這些物質(zhì)會滲入土壤和地下水中，對土壤生態(tài)系統(tǒng)和水體造成嚴(yán)重污染，威脅人類的飲用水安全和生態(tài)平衡。在一些廢舊橡膠堆積場附近，土壤和水體中的有害物質(zhì)含量嚴(yán)重超標(biāo)，周邊居民的健康受到潛在威脅。此外，廢舊橡膠的大量堆積還存在安全隱患。廢舊橡膠易燃，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢難以控制，會產(chǎn)生大量濃煙和有毒氣體，對環(huán)境和人員生命安全造成極大危害。例如，曾經(jīng)發(fā)生的多起廢舊橡膠倉庫火災(zāi)，不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，還對周邊環(huán)境和居民生活帶來了長期的負(fù)面影響。從資源角度來看，橡膠的生產(chǎn)原料主要來自天然橡膠樹或石油化工產(chǎn)品，而天然橡膠樹的種植需要大量土地和水資源，且生長周期長；石油資源作為不可再生資源，儲量有限，日益枯竭。大量廢舊橡膠的產(chǎn)生意味著大量資源的浪費。如果能夠?qū)U舊橡膠進(jìn)行有效的回收利用，將其轉(zhuǎn)化為有用的材料，不僅可以減少對新橡膠原料的需求，緩解橡膠資源短缺的壓力，降低生產(chǎn)成本，還能實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。因此，研究廢舊橡膠復(fù)合材料制備工藝具有極其重要的現(xiàn)實意義。通過開發(fā)高效、環(huán)保的制備工藝，將廢舊橡膠與其他材料復(fù)合，制備出性能優(yōu)良的復(fù)合材料，既可以解決廢舊橡膠的環(huán)境污染問題，實現(xiàn)廢舊橡膠的資源化利用，又能拓展橡膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為橡膠工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的途徑。在建筑領(lǐng)域，將廢舊橡膠與混凝土復(fù)合制成的橡膠混凝土，具有更好的抗裂性和韌性，可用于高層建筑和橋梁的建設(shè)；在道路工程中，廢舊橡膠改性瀝青鋪設(shè)的路面，能提高道路的耐久性和抗滑性能，降低車輛行駛噪音。這些應(yīng)用不僅提升了產(chǎn)品性能，還為廢舊橡膠的大規(guī)模利用開辟了新的方向，對推動經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重要的雙重意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀廢舊橡膠復(fù)合材料制備工藝的研究在國內(nèi)外均取得了一定的進(jìn)展，涵蓋了多種制備方法、復(fù)合體系及性能優(yōu)化方面的探索。在國外，對廢舊橡膠復(fù)合材料的研究起步較早。美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家在廢舊橡膠的回收利用方面處于領(lǐng)先地位，其制備工藝技術(shù)相對成熟，注重高效、環(huán)保與可持續(xù)性。在制備方法上，他們在傳統(tǒng)機械共混法的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新。例如，美國研究出一種利用連續(xù)混煉技術(shù)制備廢舊橡膠/塑料復(fù)合材料的工藝，通過優(yōu)化混煉設(shè)備和工藝參數(shù)，使廢舊橡膠與塑料在高溫、高剪切力作用下實現(xiàn)良好的分散與融合，極大提高了復(fù)合材料的生產(chǎn)效率和質(zhì)量均勻性。在廢舊橡膠與纖維復(fù)合方面，德國的科研團(tuán)隊通過對纖維進(jìn)行表面改性處理，增強了纖維與廢舊橡膠之間的界面結(jié)合力，制備出的廢舊橡膠/纖維復(fù)合材料在汽車內(nèi)飾、隔音材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)出優(yōu)異的隔音、減震性能。在廢舊橡膠與高分子材料復(fù)合體系的研究中，國外也有諸多成果。日本的研究人員深入探究了廢舊橡膠與熱塑性彈性體（TPE）的共混體系，發(fā)現(xiàn)通過添加合適的增容劑和采用特定的加工工藝，可以有效改善兩者的相容性，制備出的復(fù)合材料兼具廢舊橡膠的彈性和TPE的加工性能，在鞋底材料、密封制品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。在廢舊橡膠與納米材料復(fù)合領(lǐng)域，國外學(xué)者成功制備出廢舊橡膠/納米黏土復(fù)合材料，研究表明納米黏土的加入顯著提高了復(fù)合材料的拉伸強度、耐磨性和熱穩(wěn)定性，為廢舊橡膠復(fù)合材料的高性能化發(fā)展開辟了新的方向。在國內(nèi)，隨著環(huán)保意識的增強和對資源循環(huán)利用的重視，廢舊橡膠復(fù)合材料制備工藝的研究也日益受到關(guān)注。許多科研機構(gòu)和企業(yè)積極投入到相關(guān)研究中，在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)實際情況進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)。在制備工藝方面，國內(nèi)對微波輻射改性制備廢舊橡膠復(fù)合材料的研究取得了一定成果。有研究表明，采用微波輻射改性方法對廢舊橡膠進(jìn)行活化，能有效提高廢舊橡膠表面的活性，從而改善其與其他材料的復(fù)合性能。通過優(yōu)化微波輻射的時間、功率等參數(shù)，以及調(diào)整復(fù)合材料的配方和加工工藝，制備出的廢舊橡膠/刨花復(fù)合材料在力學(xué)性能、吸水性能等方面表現(xiàn)出良好的綜合性能。在廢舊橡膠與無機材料復(fù)合體系的研究中，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量探索。例如，研究廢舊橡膠與粉煤灰、礦渣等工業(yè)廢渣的復(fù)合，不僅實現(xiàn)了廢舊橡膠的資源化利用，還解決了工業(yè)廢渣的處置問題，制備出的復(fù)合材料可應(yīng)用于道路基層材料、建筑保溫材料等領(lǐng)域，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。在廢舊橡膠與植物纖維復(fù)合方面，國內(nèi)也開展了相關(guān)研究，通過對植物纖維進(jìn)行預(yù)處理，如堿處理、偶聯(lián)劑處理等，增強了植物纖維與廢舊橡膠之間的界面結(jié)合力，制備出的廢舊橡膠/植物纖維復(fù)合材料在家具板材、包裝材料等方面具有潛在的應(yīng)用價值。然而，目前國內(nèi)外在廢舊橡膠復(fù)合材料制備工藝的研究中仍存在一些不足。一方面，部分制備工藝存在能耗高、效率低的問題，如傳統(tǒng)的高溫脫硫再生工藝，不僅消耗大量能源，還會導(dǎo)致廢舊橡膠性能下降，影響復(fù)合材料的質(zhì)量。另一方面，廢舊橡膠與其他材料的界面相容性問題尚未得到完全解決，這限制了復(fù)合材料性能的進(jìn)一步提升。在廢舊橡膠與塑料復(fù)合時，由于兩者的極性、表面能等差異較大，容易導(dǎo)致相分離，降低復(fù)合材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。此外，對于廢舊橡膠復(fù)合材料的性能評價體系還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法，這給復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用帶來了一定的困難。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞廢舊橡膠復(fù)合材料制備工藝展開，旨在深入探究不同復(fù)合體系下的制備工藝及其對復(fù)合材料性能的影響，為廢舊橡膠的高效利用提供理論支持與技術(shù)指導(dǎo)。具體研究內(nèi)容如下：研究不同材料與廢舊橡膠的復(fù)合體系：選取多種具有代表性的材料，如塑料（如PVC、PE等）、纖維（天然纖維如竹纖維、麻纖維，合成纖維如玻璃纖維、碳纖維）、無機材料（粉煤灰、礦渣、納米黏土）等，分別與廢舊橡膠進(jìn)行復(fù)合。研究不同材料與廢舊橡膠之間的相互作用機制，分析復(fù)合體系中各組分的相容性、界面結(jié)合情況對復(fù)合材料性能的影響。優(yōu)化廢舊橡膠復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)：針對不同的復(fù)合體系，系統(tǒng)研究制備工藝參數(shù)，如混煉溫度、混煉時間、混煉轉(zhuǎn)速、熱壓溫度、熱壓時間、壓力等對復(fù)合材料性能的影響。通過單因素實驗和正交實驗等方法，確定各復(fù)合體系的最佳制備工藝參數(shù)，以獲得性能優(yōu)良的廢舊橡膠復(fù)合材料。探究添加劑對廢舊橡膠復(fù)合材料性能的影響：研究各類添加劑，如增容劑（氯化聚乙烯CPE、馬來酸酐接枝聚合物等）、交聯(lián)劑（硫磺、過氧化物等）、補強劑（炭黑、白炭黑等）、軟化劑（芳烴油、環(huán)烷油等）在廢舊橡膠復(fù)合材料中的作用機制。分析添加劑的種類、用量對復(fù)合材料的力學(xué)性能（拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度等）、物理性能（密度、硬度、吸水性等）、熱性能（熱穩(wěn)定性、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等）的影響，篩選出合適的添加劑及其用量，以改善復(fù)合材料的綜合性能。分析廢舊橡膠復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系：運用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR）、X射線衍射儀（XRD）等現(xiàn)代分析測試手段，對廢舊橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。分析復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，從微觀層面揭示制備工藝、添加劑等因素對復(fù)合材料性能的影響規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝和提高復(fù)合材料性能提供理論依據(jù)。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究擬采用以下研究方法：實驗研究法：通過設(shè)計并實施一系列實驗，制備不同復(fù)合體系、不同工藝參數(shù)和添加劑用量的廢舊橡膠復(fù)合材料樣品。嚴(yán)格控制實驗條件，確保實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。對制備的復(fù)合材料樣品進(jìn)行性能測試，包括力學(xué)性能測試（采用萬能材料試驗機測定拉伸強度、彎曲強度等）、物理性能測試（如密度測試采用排水法、硬度測試采用邵氏硬度計等）、熱性能測試（利用熱重分析儀TGA測試熱穩(wěn)定性、差示掃描量熱儀DSC測試玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等），獲取復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)。對比分析法：對比不同復(fù)合體系、不同制備工藝參數(shù)和添加劑用量下廢舊橡膠復(fù)合材料的性能差異。分析各種因素對復(fù)合材料性能的影響趨勢，找出影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。通過對比不同研究方法或不同文獻(xiàn)報道的結(jié)果，驗證本研究結(jié)果的合理性和可靠性，同時借鑒其他研究的優(yōu)點，進(jìn)一步完善本研究的內(nèi)容和方法。數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計法：運用統(tǒng)計學(xué)方法對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如方差分析、回歸分析等。通過方差分析確定各因素對復(fù)合材料性能影響的顯著性，通過回歸分析建立復(fù)合材料性能與制備工藝參數(shù)、添加劑用量等因素之間的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測復(fù)合材料的性能變化趨勢，為制備工藝的優(yōu)化和復(fù)合材料性能的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。微觀結(jié)構(gòu)表征法：利用SEM、TEM、FT-IR、XRD等微觀結(jié)構(gòu)表征手段，對廢舊橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析。觀察復(fù)合材料中各組分的分散狀態(tài)、界面結(jié)合情況，分析化學(xué)鍵的形成和變化，從微觀層面解釋復(fù)合材料性能變化的原因，為研究復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供直觀的證據(jù)。二、廢舊橡膠復(fù)合材料制備的基礎(chǔ)理論2.1廢舊橡膠特性分析2.1.1結(jié)構(gòu)特點廢舊橡膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)是其性能的基礎(chǔ)，主要由高分子聚合物組成，分子鏈中含有大量的碳-碳雙鍵以及其他官能團(tuán)。以天然橡膠為例，其化學(xué)結(jié)構(gòu)為順-1,4-聚異戊二烯，分子鏈上的雙鍵賦予了橡膠獨特的彈性和柔韌性。在合成橡膠中，如丁苯橡膠是由丁二烯和苯乙烯共聚而成，其分子鏈結(jié)構(gòu)中丁二烯單元的雙鍵以及苯乙烯單元的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，共同影響著橡膠的性能。這些雙鍵和官能團(tuán)在橡膠的硫化過程中起著關(guān)鍵作用，通過與硫化劑反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是廢舊橡膠結(jié)構(gòu)的重要特征，它是在硫化過程中，橡膠分子鏈之間通過化學(xué)鍵（如硫橋）或物理作用相互連接形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的存在使橡膠具有了較高的強度、彈性和耐磨性。交聯(lián)程度的高低直接影響著橡膠的性能，交聯(lián)程度過高，橡膠會變得硬脆，彈性和韌性下降；交聯(lián)程度過低，橡膠的強度和穩(wěn)定性不足。研究表明，通過調(diào)整硫化劑的用量和硫化工藝，可以控制交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和交聯(lián)程度，從而優(yōu)化橡膠的性能。在輪胎制造中，適當(dāng)提高硫化程度可以增強輪胎的耐磨性和抗撕裂性能，但過度硫化會導(dǎo)致輪胎變硬，乘坐舒適性下降。廢舊橡膠的表面性質(zhì)也不容忽視，其表面通常存在著一些氧化產(chǎn)物、殘留的硫化劑以及其他雜質(zhì)，這些物質(zhì)會影響廢舊橡膠與其他材料的相容性和界面結(jié)合力。廢舊橡膠在使用過程中，受到光、熱、氧等環(huán)境因素的作用，表面會發(fā)生氧化反應(yīng)，形成羰基、羥基等含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)的存在改變了橡膠表面的極性和化學(xué)活性。此外，廢舊橡膠表面的粗糙度和微觀形貌也會對其與其他材料的復(fù)合性能產(chǎn)生影響，粗糙的表面有利于增加界面接觸面積，提高機械嚙合力，但也可能導(dǎo)致界面缺陷的產(chǎn)生。2.1.2性能特征廢舊橡膠的力學(xué)性能包括拉伸強度、撕裂強度、彈性模量、斷裂伸長率等，這些性能指標(biāo)對于其在復(fù)合材料中的應(yīng)用至關(guān)重要。一般來說，廢舊橡膠的拉伸強度和撕裂強度相對較低，這是由于其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在使用過程中受到破壞，分子鏈的斷裂和降解導(dǎo)致橡膠的力學(xué)性能下降。與新橡膠相比，廢舊橡膠的拉伸強度可能會降低30%-50%，撕裂強度也會有明顯的下降。廢舊橡膠仍具有一定的彈性和韌性，這使其在一些對彈性要求較高的復(fù)合材料中具有應(yīng)用潛力，如橡膠減震材料、鞋底材料等。在橡膠減震材料中，廢舊橡膠可以通過與其他材料復(fù)合，利用其彈性來吸收和緩沖震動能量，提高減震效果。耐老化性能是廢舊橡膠性能的重要方面，它決定了廢舊橡膠在不同環(huán)境條件下的使用壽命和穩(wěn)定性。廢舊橡膠在自然環(huán)境中，受到光、熱、氧、臭氧等因素的作用，會逐漸發(fā)生老化現(xiàn)象，表現(xiàn)為橡膠變硬、變脆、龜裂，力學(xué)性能急劇下降。紫外線中的高能光子能夠引發(fā)橡膠分子鏈的斷裂和交聯(lián)反應(yīng)，加速橡膠的老化進(jìn)程；氧氣和臭氧則會與橡膠分子鏈上的雙鍵發(fā)生反應(yīng)，形成氧化產(chǎn)物，破壞橡膠的結(jié)構(gòu)。為了提高廢舊橡膠的耐老化性能，可以添加抗老化劑，如防老劑4010、紫外線吸收劑等，這些添加劑能夠有效地抑制老化反應(yīng)的發(fā)生，延長廢舊橡膠的使用壽命。在戶外使用的廢舊橡膠復(fù)合材料中，添加適量的紫外線吸收劑可以顯著提高其耐候性，減少因紫外線照射而導(dǎo)致的老化現(xiàn)象。廢舊橡膠還具有一定的耐磨性和耐化學(xué)腐蝕性。在一些需要承受摩擦和磨損的場合，如輸送帶、鞋底等，廢舊橡膠的耐磨性可以得到充分利用。其分子結(jié)構(gòu)中的碳-碳雙鍵和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)能夠在一定程度上抵抗摩擦過程中的機械力作用，減少橡膠表面的磨損。在耐化學(xué)腐蝕性方面，廢舊橡膠對一些常見的化學(xué)物質(zhì)，如酸、堿、鹽等具有一定的耐受性。但不同類型的廢舊橡膠對化學(xué)物質(zhì)的耐受程度有所差異，丁腈橡膠由于其分子結(jié)構(gòu)中含有腈基，對油類和有機溶劑具有較好的耐受性，而天然橡膠在某些化學(xué)物質(zhì)的作用下可能會發(fā)生溶脹或降解。2.2復(fù)合材料制備原理2.2.1界面結(jié)合理論在廢舊橡膠復(fù)合材料中，不同組分間的界面結(jié)合方式多樣，對復(fù)合材料的整體性能起著關(guān)鍵作用?；瘜W(xué)鍵合是一種較強的界面結(jié)合方式，它通過原子間的電子轉(zhuǎn)移或共享形成化學(xué)鍵。在廢舊橡膠與某些活性填料復(fù)合時，可能會發(fā)生化學(xué)鍵合。當(dāng)廢舊橡膠與表面含有活性官能團(tuán)的納米黏土復(fù)合時，納米黏土表面的羥基等官能團(tuán)可以與廢舊橡膠分子鏈上的某些基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，如酯鍵、醚鍵等。這種化學(xué)鍵合能夠顯著增強界面結(jié)合力，有效提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。研究表明，在廢舊橡膠/納米黏土復(fù)合材料中，化學(xué)鍵合作用使復(fù)合材料的拉伸強度提高了20%-30%，彈性模量也有明顯提升?；瘜W(xué)鍵合的形成需要特定的條件，如合適的反應(yīng)基團(tuán)和反應(yīng)環(huán)境，且一旦形成，在外界作用下不易破壞，這為復(fù)合材料提供了穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu)。物理吸附也是常見的界面結(jié)合方式，它基于分子間的范德華力，包括色散力、誘導(dǎo)力和取向力。廢舊橡膠與一些非極性材料復(fù)合時，主要通過物理吸附實現(xiàn)界面結(jié)合。在廢舊橡膠與聚乙烯（PE）復(fù)合體系中，廢舊橡膠分子鏈與PE分子鏈之間通過范德華力相互吸引，形成物理吸附作用。雖然物理吸附的結(jié)合力相對較弱，但它廣泛存在于各種復(fù)合材料體系中。物理吸附的優(yōu)點是形成過程相對簡單，不需要復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)條件，且對復(fù)合材料的加工性能影響較小。它也存在一定的局限性，當(dāng)復(fù)合材料受到較大外力或高溫等作用時，物理吸附的界面可能會發(fā)生脫粘，導(dǎo)致復(fù)合材料性能下降。機械互鎖是指不同組分之間通過微觀結(jié)構(gòu)的相互嵌入形成的一種界面結(jié)合方式。在廢舊橡膠與纖維復(fù)合時，纖維表面的粗糙度和不規(guī)則結(jié)構(gòu)可以使廢舊橡膠在加工過程中填充到纖維的縫隙和孔洞中，形成機械互鎖。當(dāng)廢舊橡膠與天然纖維（如竹纖維、麻纖維）復(fù)合時，竹纖維表面的溝槽和麻纖維的多孔結(jié)構(gòu)能夠與廢舊橡膠形成良好的機械互鎖。這種機械互鎖能夠增加界面的摩擦力，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，尤其是抗剪切性能和抗剝離性能。通過對廢舊橡膠/竹纖維復(fù)合材料的研究發(fā)現(xiàn)，機械互鎖作用使復(fù)合材料的抗剪切強度提高了15%-20%，有效增強了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。界面結(jié)合方式對復(fù)合材料性能的影響是多方面的。良好的界面結(jié)合能夠有效傳遞應(yīng)力，使復(fù)合材料中的各組分協(xié)同工作。在受到外力作用時，應(yīng)力能夠通過界面均勻地傳遞到各個組分上，避免應(yīng)力集中，從而提高復(fù)合材料的強度和韌性。在廢舊橡膠/玻璃纖維復(fù)合材料中，若界面結(jié)合良好，玻璃纖維能夠充分發(fā)揮其高強度的特性，承受大部分外力，廢舊橡膠則起到增韌和緩沖的作用，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。界面結(jié)合還會影響復(fù)合材料的其他性能，如熱性能、耐化學(xué)腐蝕性等。較強的界面結(jié)合可以阻礙熱量和化學(xué)物質(zhì)的傳遞，提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)腐蝕性。在廢舊橡膠/碳纖維復(fù)合材料中，良好的界面結(jié)合能夠減少碳纖維與外界化學(xué)物質(zhì)的接觸，提高復(fù)合材料在化學(xué)介質(zhì)中的穩(wěn)定性。2.2.2改性增強機制對廢舊橡膠進(jìn)行改性是增強其與其他材料復(fù)合性能的重要手段，其原理主要涉及物理改性和化學(xué)改性兩個方面。物理改性通過改變廢舊橡膠的物理結(jié)構(gòu)和形態(tài)來提高其性能。機械粉碎是一種常見的物理改性方法，將廢舊橡膠粉碎成不同粒徑的膠粉。膠粉的粒徑對其性能有顯著影響，粒徑越小，比表面積越大，與其他材料的接觸面積也越大，從而能夠提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。研究表明，當(dāng)膠粉粒徑從100目減小到200目時，廢舊橡膠/塑料復(fù)合材料的拉伸強度提高了10%-15%。這是因為小粒徑的膠粉能夠更好地分散在塑料基體中，增加了界面的相互作用。此外，物理改性還包括對廢舊橡膠進(jìn)行熱處理、輻射處理等。熱處理可以改善廢舊橡膠的分子鏈運動能力，使其更易于與其他材料混合；輻射處理則可以引發(fā)廢舊橡膠分子鏈的交聯(lián)或降解，改變其性能?；瘜W(xué)改性則是通過化學(xué)反應(yīng)改變廢舊橡膠的分子結(jié)構(gòu)，引入新的官能團(tuán)或改變分子鏈的交聯(lián)程度，從而提高其與其他材料的相容性和復(fù)合性能。脫硫改性是一種重要的化學(xué)改性方法，通過破壞廢舊橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使其部分恢復(fù)可塑性。常用的脫硫劑有二硫化物、多硫化物等，它們能夠斷裂廢舊橡膠分子鏈之間的硫橋，降低交聯(lián)程度。脫硫后的廢舊橡膠具有更好的流動性和加工性能，能夠與其他材料更好地混合。在廢舊橡膠與再生粉復(fù)合時，脫硫改性后的廢舊橡膠能夠與再生粉形成更緊密的結(jié)合，提高復(fù)合材料的物理力學(xué)性能?；瘜W(xué)改性還包括接枝改性、交聯(lián)改性等。接枝改性是在廢舊橡膠分子鏈上引入特定的官能團(tuán)，如羧基、氨基等，以改善其與其他材料的相容性；交聯(lián)改性則是通過添加交聯(lián)劑，如硫磺、過氧化物等，增加廢舊橡膠分子鏈之間的交聯(lián)點，提高其強度和穩(wěn)定性。在廢舊橡膠與纖維復(fù)合時，接枝改性后的廢舊橡膠能夠與纖維表面的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增強界面結(jié)合力，從而提高復(fù)合材料的性能。三、廢舊橡膠與刨花復(fù)合制備工藝3.1微波輻射改性廢舊橡膠3.1.1改性實驗設(shè)計本實驗選取常見的廢舊輪胎橡膠作為研究對象，將其進(jìn)行預(yù)處理，切割成尺寸均勻的小塊，每塊質(zhì)量約為(50±0.1)g，以確保實驗的一致性和準(zhǔn)確性。實驗采用家用微波爐作為微波輻射源，通過調(diào)整微波爐的功率和輻射時間來控制微波輻射的參數(shù)。設(shè)置微波功率分別為80W、120W、160W、200W、240W，輻射時間分別為5s、10s、15s、20s、25s，共計25種不同的實驗組合。將預(yù)處理后的廢舊橡膠塊放入微波爐專用容器中，確保橡膠塊在容器中均勻分布，避免相互遮擋影響微波輻射效果。在每次實驗前，將微波爐預(yù)熱5min，以保證微波輸出功率的穩(wěn)定性。然后將裝有廢舊橡膠塊的容器放入微波爐中，按照設(shè)定的功率和時間進(jìn)行輻射處理。輻射處理完成后，迅速取出橡膠塊，置于通風(fēng)良好的環(huán)境中自然冷卻至室溫，以備后續(xù)性能測試。為了對比改性前后廢舊橡膠的性能變化，設(shè)置一組未經(jīng)過微波輻射改性的廢舊橡膠作為對照組。對照組的廢舊橡膠同樣進(jìn)行預(yù)處理，切割成相同尺寸和質(zhì)量的小塊，并在相同的環(huán)境條件下保存。3.1.2改性效果分析通過接觸角測量儀對改性前后廢舊橡膠的表面接觸角進(jìn)行測量，以此來評估其表面活性的變化。結(jié)果顯示，未改性的廢舊橡膠表面接觸角為(105±3)°，表現(xiàn)出較強的疏水性。當(dāng)微波功率為160W、輻射時間為10s時，廢舊橡膠的表面接觸角減小至(75±2)°，表明其表面活性顯著提高，親水性增強。這是因為微波輻射能夠引發(fā)廢舊橡膠分子鏈的振動和轉(zhuǎn)動，使分子鏈上的部分化學(xué)鍵斷裂，形成新的活性基團(tuán)，如羥基、羰基等，這些活性基團(tuán)增加了廢舊橡膠表面的極性，從而提高了其表面活性。當(dāng)微波功率過高或輻射時間過長時，表面接觸角反而增大，表面活性下降。這可能是由于過度的微波輻射導(dǎo)致橡膠分子鏈過度交聯(lián)或降解，破壞了新形成的活性基團(tuán)結(jié)構(gòu)，使表面極性降低。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對改性前后廢舊橡膠的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。未改性的廢舊橡膠表面較為光滑，呈現(xiàn)出致密的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過微波輻射改性后，廢舊橡膠表面變得粗糙，出現(xiàn)了許多微小的孔洞和溝壑。在微波功率為160W、輻射時間為10s的條件下，表面的孔洞和溝壑分布較為均勻，尺寸適中。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化增加了廢舊橡膠的比表面積，有利于其與刨花等其他材料的物理結(jié)合，提高復(fù)合材料的性能。而在過高功率或過長時間輻射下，表面結(jié)構(gòu)可能會受到過度破壞，出現(xiàn)大塊的剝落或團(tuán)聚現(xiàn)象，不利于復(fù)合材料的制備。對改性前后廢舊橡膠的拉伸強度和斷裂伸長率進(jìn)行測試。結(jié)果表明，未改性廢舊橡膠的拉伸強度為(5.2±0.3)MPa，斷裂伸長率為(350±15)%。隨著微波輻射功率和時間的增加，拉伸強度和斷裂伸長率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在160W功率下輻射處理10s時，拉伸強度提高到(7.8±0.4)MPa，斷裂伸長率達(dá)到(420±20)%。這是因為適度的微波輻射改性改善了廢舊橡膠的分子鏈結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加均勻和穩(wěn)定，從而提高了力學(xué)性能。過度的微波輻射會導(dǎo)致分子鏈過度斷裂或交聯(lián)，使力學(xué)性能下降。綜上所述，微波輻射改性能夠有效提高廢舊橡膠的表面活性和力學(xué)性能，但輻射時間和功率并非越大越好，在160W功率下輻射處理10s時改性效果最佳。3.2廢舊橡膠/刨花復(fù)合材料制備3.2.1原料預(yù)處理對于廢舊橡膠，首先需進(jìn)行清洗，以去除表面附著的灰塵、油污等雜質(zhì)。將廢舊橡膠置于專用的清洗設(shè)備中，加入適量的清洗劑和水，在一定的溫度和攪拌速度下進(jìn)行清洗，清洗時間控制在30-60分鐘，確保表面雜質(zhì)徹底清除。清洗后的廢舊橡膠采用自然晾干或低溫烘干的方式使其含水率降至5%以下，避免水分對復(fù)合材料性能產(chǎn)生不良影響。采用雙螺桿破碎機將干燥后的廢舊橡膠進(jìn)行粗破碎，使其成為尺寸較大的塊狀，便于后續(xù)的細(xì)粉碎處理。然后通過研磨機將粗碎后的橡膠進(jìn)一步研磨成粒徑均勻的膠粉，根據(jù)實驗需求，將膠粉粒徑控制在40-80目范圍內(nèi)，以保證其在復(fù)合材料中的分散性和與刨花的結(jié)合效果。對于刨花，收集來源廣泛的木材加工剩余物，如鋸末、刨花板邊角料等。將收集到的刨花進(jìn)行篩選，去除其中的金屬、石塊等雜物，保證刨花的純凈度。采用鼓風(fēng)干燥箱對篩選后的刨花進(jìn)行干燥處理，干燥溫度設(shè)定為80-100℃，干燥時間為2-4小時，使刨花的含水率降低至8%-10%，以提高膠粘劑與刨花的粘結(jié)效果。為了進(jìn)一步提高刨花與廢舊橡膠的界面結(jié)合力，采用濃度為3%-5%的氫氧化鈉溶液對干燥后的刨花進(jìn)行表面處理。將刨花浸泡在氫氧化鈉溶液中1-2小時，然后取出用清水沖洗至中性，再進(jìn)行干燥處理。氫氧化鈉溶液處理可以去除刨花表面的部分木質(zhì)素和半纖維素，增加表面粗糙度和極性，有利于與廢舊橡膠形成更好的界面結(jié)合。3.2.2制備工藝參數(shù)探索施膠量是影響廢舊橡膠/刨花復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素之一。通過實驗，設(shè)置施膠量分別為8%、10%、12%、14%、16%，采用單因素實驗法研究其對復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，隨著施膠量的增加，復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強度和靜曲強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)施膠量為10%時，內(nèi)結(jié)合強度達(dá)到最大值，為0.65MPa，這是因為適量的膠粘劑能夠在廢舊橡膠與刨花之間形成良好的粘結(jié)橋，有效傳遞應(yīng)力。當(dāng)施膠量超過10%時，過多的膠粘劑會在材料內(nèi)部形成團(tuán)聚，降低材料的性能。施膠量對復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率和甲醛釋放量也有一定影響，隨著施膠量的增加，吸水厚度膨脹率逐漸降低，甲醛釋放量略有增加，但均在國家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。熱壓溫度對復(fù)合材料的性能同樣有著重要影響。設(shè)定熱壓溫度分別為150℃、160℃、170℃、180℃、190℃，研究其對復(fù)合材料性能的影響。實驗結(jié)果顯示，隨著熱壓溫度的升高，復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率逐漸降低，這是因為較高的溫度有助于膠粘劑的固化，形成更致密的結(jié)構(gòu)，從而降低材料的吸水性。熱壓溫度過高會導(dǎo)致刨花分解、碳化，使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。當(dāng)熱壓溫度為170℃時，復(fù)合材料的綜合性能較好，此時甲醛釋放量也能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。熱壓時間也是需要優(yōu)化的重要參數(shù)。設(shè)置熱壓時間分別為240s、300s、360s、420s、480s，分析其對復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，熱壓時間對沖擊韌性有顯著影響，隨著熱壓時間的延長，沖擊韌性先提高后降低。當(dāng)熱壓時間為300s時，沖擊韌性達(dá)到最大值，為19.60kJ/m2。這是因為適當(dāng)?shù)臒釅簳r間可以使膠粘劑充分固化，增強材料的內(nèi)部結(jié)合力。熱壓時間過長，會導(dǎo)致材料過度固化，變得硬脆，沖擊韌性下降。熱壓時間對復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強度和靜曲強度也有一定影響，在300s左右時，這些性能也能達(dá)到較好的水平。通過對施膠量、熱壓溫度、熱壓時間等工藝參數(shù)的系統(tǒng)研究，得出廢舊橡膠/刨花復(fù)合材料的優(yōu)化工藝參數(shù)為：廢舊橡膠與刨花配比為1:9，施膠量為10%，熱壓溫度為170℃，熱壓時間為300s。在該工藝參數(shù)下制備的復(fù)合材料具有較好的綜合性能。3.2.3性能測試與分析對制備的廢舊橡膠/刨花復(fù)合材料進(jìn)行沖擊韌性測試，采用簡支梁沖擊試驗機，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制備試樣。測試結(jié)果顯示，在優(yōu)化工藝參數(shù)下制備的復(fù)合材料沖擊韌性達(dá)19.60kJ/m2。通過觀察沖擊斷口形貌發(fā)現(xiàn)，斷口表面呈現(xiàn)出一定的撕裂痕跡和纖維拔出現(xiàn)象，這表明廢舊橡膠與刨花之間的界面結(jié)合力在一定程度上能夠抵抗沖擊載荷，使材料在受到?jīng)_擊時發(fā)生塑性變形，吸收能量。與未添加廢舊橡膠的純刨花板相比，本復(fù)合材料的沖擊韌性有顯著提高，這得益于廢舊橡膠的彈性和韌性，能夠有效地分散和吸收沖擊能量，從而提高復(fù)合材料的抗沖擊性能。利用萬能材料試驗機對復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強度進(jìn)行測試。在優(yōu)化工藝條件下，復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強度達(dá)到0.65MPa。從微觀結(jié)構(gòu)來看，膠粘劑在廢舊橡膠和刨花之間形成了牢固的粘結(jié)，使兩者緊密結(jié)合在一起，從而能夠承受一定的拉伸應(yīng)力。內(nèi)結(jié)合強度的提高對于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要，使其在實際應(yīng)用中能夠承受更大的外力，不易發(fā)生分層現(xiàn)象。與市場上同類木質(zhì)復(fù)合材料相比，本廢舊橡膠/刨花復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強度處于較好水平，能夠滿足一般建筑和家具制造等領(lǐng)域的使用要求。通過對復(fù)合材料的性能測試與分析可知，在優(yōu)化工藝參數(shù)下制備的廢舊橡膠/刨花復(fù)合材料在沖擊韌性、內(nèi)結(jié)合強度等方面表現(xiàn)出良好的性能，具有一定的應(yīng)用價值和市場前景。四、廢舊橡膠與重生粉復(fù)合制備工藝4.1復(fù)合工藝研究4.1.1鋪裝方式對比為了探究不同鋪裝方式對廢舊橡膠/重生粉復(fù)合材料性能的影響，分別采用混合鋪裝和分層鋪裝兩種方式進(jìn)行實驗。在混合鋪裝實驗中，將經(jīng)過預(yù)處理的廢舊橡膠顆粒和重生粉按照一定比例（1:9）在高速攪拌機中充分混合均勻，確保兩者分散均勻。然后將混合均勻的物料放入模具中，在一定的壓力和溫度下進(jìn)行熱壓成型。在分層鋪裝實驗中，先在模具底部鋪設(shè)一層重生粉，然后再鋪設(shè)一層廢舊橡膠顆粒，如此交替鋪設(shè)，共鋪設(shè)三層，每層的厚度根據(jù)總厚度和比例進(jìn)行控制，最后同樣在一定的壓力和溫度下進(jìn)行熱壓成型。對兩種鋪裝方式制備的復(fù)合材料進(jìn)行物理力學(xué)性能測試，結(jié)果表明，混合鋪裝方式制備的復(fù)合材料在各項性能上明顯優(yōu)于分層鋪裝方式?；旌箱佈b方式制備的復(fù)合材料沖擊韌性為49.06kJ/m2，靜曲強度達(dá)28.1MPa；而分層鋪裝方式制備的復(fù)合材料沖擊韌性僅為35.2kJ/m2，靜曲強度為22.5MPa。這是因為混合鋪裝使廢舊橡膠和重生粉在微觀層面上更加均勻地分布，兩者之間的界面接觸面積更大，在受到外力作用時，應(yīng)力能夠更均勻地傳遞，有效避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。而分層鋪裝方式存在明顯的層間界面，在受力時容易在層間發(fā)生剝離，導(dǎo)致材料性能下降。4.1.2比例與性能關(guān)系研究不同廢舊橡膠與重生粉配比對復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響，設(shè)定廢舊橡膠與重生粉的質(zhì)量比分別為1:1、1:3、1:5、1:7、1:9，其他制備工藝參數(shù)保持一致。隨著廢舊橡膠比例的增大，復(fù)合材料的物理力學(xué)性能呈下降趨勢。當(dāng)廢舊橡膠與重生粉比例為1:1時，復(fù)合材料的拉伸強度為18.5MPa，彎曲強度為25.3MPa；當(dāng)比例變?yōu)?:9時，拉伸強度提高到25.8MPa，彎曲強度提高到32.6MPa。這是因為重生粉具有較高的強度和剛性，能夠為復(fù)合材料提供良好的支撐作用。而廢舊橡膠相對較軟，強度較低，過多的廢舊橡膠會降低復(fù)合材料的整體強度。隨著廢舊橡膠比例的增加，復(fù)合材料的韌性有所提高，但當(dāng)廢舊橡膠比例過高時，韌性的提升效果不再明顯，反而會因強度的大幅下降影響材料的綜合性能。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求，在保證復(fù)合材料一定強度的前提下，適當(dāng)調(diào)整廢舊橡膠與重生粉的比例，以獲得良好的綜合性能。4.2增容劑的作用4.2.1增容劑選擇依據(jù)在廢舊橡膠/重生粉復(fù)合材料體系中，增容劑的選擇至關(guān)重要，它直接影響著復(fù)合材料的性能。氯化聚乙烯（CPE）作為一種常用的增容劑，被選用于本研究具有多方面的依據(jù)。從分子結(jié)構(gòu)角度來看，CPE是由高密度聚乙烯（HDPE）通過氯化取代反應(yīng)制備的聚合物材料，其分子鏈中含有氯原子。這些氯原子的引入改變了聚乙烯分子鏈的結(jié)構(gòu)和極性，使其既具有聚乙烯的部分特性，又具備一定的極性，從而能夠在廢舊橡膠與重生粉之間起到橋梁作用。廢舊橡膠分子鏈具有一定的柔性和非極性，而重生粉通常具有較高的極性和剛性，兩者的極性差異較大，直接復(fù)合時界面相容性較差。CPE的分子結(jié)構(gòu)使其能夠與廢舊橡膠的非極性部分通過分子間作用力相互作用，同時其極性部分又能與重生粉的極性基團(tuán)相互吸引，從而有效改善了兩者之間的界面相容性。從相容性角度分析，CPE與多種高分子材料具有良好的相容性，這一特性使其在廢舊橡膠/重生粉復(fù)合材料中能夠充分發(fā)揮作用。CPE與廢舊橡膠的相容性良好，能夠在共混過程中均勻分散在廢舊橡膠相中，增加兩者之間的接觸面積和相互作用。在混煉過程中，CPE能夠與廢舊橡膠分子鏈相互纏繞，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，提高了廢舊橡膠相的穩(wěn)定性。CPE與重生粉也具有一定的親和性，能夠在重生粉表面形成一層包覆層，增強重生粉與廢舊橡膠之間的結(jié)合力。這種良好的相容性使得CPE能夠有效地降低廢舊橡膠與重生粉之間的界面張力，促進(jìn)兩者的均勻分散和相互融合。CPE還具有優(yōu)異的綜合性能，這也是其被選作增容劑的重要原因。CPE具有良好的耐候性、耐臭氧性、耐化學(xué)性和耐老化性，這些性能能夠賦予廢舊橡膠/重生粉復(fù)合材料更好的耐久性和穩(wěn)定性。在戶外環(huán)境中使用的復(fù)合材料，CPE的耐候性可以有效抵抗紫外線、氧氣等因素的侵蝕，延長復(fù)合材料的使用壽命。CPE還具有較好的韌性和彈性，能夠在一定程度上改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，提高其抗沖擊能力。在受到外力沖擊時，CPE的彈性可以吸收部分能量，減少復(fù)合材料的損傷。4.2.2增容劑對性能影響加入氯化聚乙烯（CPE）作為增容劑后，廢舊橡膠/重生粉復(fù)合材料的物理力學(xué)性能得到了顯著改善。從拉伸強度方面來看，未添加CPE時，廢舊橡膠/重生粉復(fù)合材料的拉伸強度為20.5MPa，這是由于廢舊橡膠與重生粉之間的界面相容性較差，在受到拉伸力時，界面處容易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料過早斷裂。當(dāng)添加5%的CPE后，拉伸強度提高到25.8MPa，增幅約為26%。這是因為CPE在廢舊橡膠與重生粉之間形成了有效的界面結(jié)合，能夠?qū)⒗鞈?yīng)力均勻地傳遞到整個復(fù)合材料體系中，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高了拉伸強度。CPE分子鏈與廢舊橡膠分子鏈相互纏繞，增強了廢舊橡膠相的強度，同時CPE與重生粉表面的相互作用也使重生粉能夠更好地發(fā)揮增強作用。在彎曲強度方面，未添加CPE的復(fù)合材料彎曲強度為28.3MPa，添加5%的CPE后，彎曲強度提升至32.6MPa，提高了約15%。這表明CPE的加入增強了復(fù)合材料在承受彎曲載荷時的抵抗能力。在彎曲過程中，復(fù)合材料的上下表面分別承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，CPE改善的界面相容性使得廢舊橡膠和重生粉能夠協(xié)同抵抗這些應(yīng)力，從而提高了彎曲強度。CPE還增加了復(fù)合材料的柔韌性，使其在彎曲時不易發(fā)生脆性斷裂。沖擊韌性也因CPE的加入而得到明顯提升。未添加CPE時，復(fù)合材料的沖擊韌性為35.2kJ/m2，添加5%的CPE后，沖擊韌性達(dá)到49.06kJ/m2，提高了約39%。這是因為CPE的彈性和柔韌性能夠在復(fù)合材料受到?jīng)_擊時吸收和分散能量，減少裂紋的產(chǎn)生和擴展。CPE在界面處的增容作用使得廢舊橡膠和重生粉之間的結(jié)合更加緊密，能夠更好地協(xié)同抵抗沖擊載荷，從而顯著提高了沖擊韌性。在沖擊過程中，CPE可以通過自身的變形和分子鏈的運動來消耗沖擊能量，保護(hù)復(fù)合材料不被破壞。4.3優(yōu)化制備工藝在廢舊橡膠與重生粉復(fù)合制備工藝中，為了獲得性能更優(yōu)的復(fù)合材料，對多個關(guān)鍵制備工藝參數(shù)進(jìn)行了深入研究與優(yōu)化。通過一系列實驗確定了廢舊橡膠和重生粉的最佳配比為1:9。在這個比例下，復(fù)合材料能夠充分發(fā)揮重生粉的高強度和剛性優(yōu)勢，以及廢舊橡膠的一定彈性和韌性，使兩者相互補充，達(dá)到良好的綜合性能平衡。當(dāng)廢舊橡膠比例過高時，復(fù)合材料的強度會明顯下降，無法滿足一些對強度要求較高的應(yīng)用場景；而重生粉比例過高，則會使復(fù)合材料的韌性不足，容易發(fā)生脆性斷裂。在建筑領(lǐng)域中用于承重結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，就需要嚴(yán)格控制廢舊橡膠和重生粉的比例，以確保其強度和穩(wěn)定性。施膠量對復(fù)合材料性能有著重要影響，經(jīng)實驗優(yōu)化，確定最佳施膠量為12%。適量的膠粘劑能夠在廢舊橡膠與重生粉之間形成牢固的粘結(jié)橋，有效傳遞應(yīng)力，提高復(fù)合材料的內(nèi)結(jié)合強度和靜曲強度。當(dāng)施膠量低于12%時，膠粘劑不足以充分粘結(jié)兩者，導(dǎo)致內(nèi)結(jié)合強度和靜曲強度較低；而施膠量超過12%時，過多的膠粘劑會在材料內(nèi)部形成團(tuán)聚，不僅增加成本，還可能降低材料的其他性能，如沖擊韌性。在家具制造中，施膠量的精準(zhǔn)控制對于保證板材的質(zhì)量和穩(wěn)定性至關(guān)重要。熱壓溫度也是關(guān)鍵參數(shù)之一，研究表明，熱壓溫度為185±5℃時，復(fù)合材料的性能最佳。在這個溫度范圍內(nèi)，膠粘劑能夠充分固化，形成致密的結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合材料的硬度、耐磨性和耐水性。同時，合適的熱壓溫度有助于廢舊橡膠和重生粉之間的相互融合，增強界面結(jié)合力。熱壓溫度過低，膠粘劑固化不完全，復(fù)合材料的性能無法達(dá)到最佳；熱壓溫度過高，則可能導(dǎo)致材料分解、碳化，使性能惡化。在生產(chǎn)過程中，需要嚴(yán)格控制熱壓溫度，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。熱壓時間同樣對復(fù)合材料性能產(chǎn)生顯著影響，最佳熱壓時間為480s。適當(dāng)?shù)臒釅簳r間可以使膠粘劑充分發(fā)揮作用，使復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，提高其物理力學(xué)性能。熱壓時間過短，膠粘劑未完全固化，材料的內(nèi)結(jié)合強度和穩(wěn)定性不足；熱壓時間過長，會導(dǎo)致材料過度固化，變得硬脆，沖擊韌性下降。在實際生產(chǎn)中，要根據(jù)設(shè)備的性能和產(chǎn)品的要求，合理調(diào)整熱壓時間。在優(yōu)化制備工藝參數(shù)下制備的廢舊橡膠/重生粉復(fù)合材料，性能數(shù)據(jù)表現(xiàn)優(yōu)異。其沖擊韌性達(dá)到49.06kJ/m2，靜曲強度達(dá)28.1MPa。與未優(yōu)化工藝前相比，沖擊韌性提高了約39%，靜曲強度提高了約24%。在實際應(yīng)用中，如用于制造戶外地板時，該復(fù)合材料憑借其良好的沖擊韌性，能夠有效抵抗行人行走和物體掉落產(chǎn)生的沖擊力，不易損壞；較高的靜曲強度則使其在承受一定重量的物體時，不易發(fā)生彎曲變形，保證了地板的平整度和使用壽命。這些性能的提升，使得廢舊橡膠/重生粉復(fù)合材料在建筑、包裝等領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。五、廢舊橡膠與塑料復(fù)合制備工藝5.1與PVC塑料共混5.1.1基本配方優(yōu)化在廢舊橡膠與PVC塑料共混實驗中，為探尋兩者的最佳配比，設(shè)置了多組不同比例的配方進(jìn)行研究。實驗中，將廢舊橡膠和PVC塑料作為主要原料，同時添加適量的增塑劑（鄰苯二甲酸二辛酯DOP）、穩(wěn)定劑（硬脂酸鈣CaSt?）、潤滑劑（硬脂酸ZnSt?）等助劑，以改善復(fù)合材料的加工性能和穩(wěn)定性。當(dāng)廢舊橡膠與PVC的質(zhì)量比為1:3時，制備的復(fù)合材料拉伸強度達(dá)到15.6MPa，斷裂伸長率為250%。隨著廢舊橡膠比例的增加，復(fù)合材料的彈性有所提升，但拉伸強度和斷裂伸長率呈下降趨勢。當(dāng)比例變?yōu)?:1時，拉伸強度降至10.8MPa，斷裂伸長率為180%。這是因為PVC塑料具有較高的剛性和強度，而廢舊橡膠的彈性較高但強度相對較低。在共混體系中，PVC塑料能夠為復(fù)合材料提供良好的支撐骨架，增強其力學(xué)性能；而廢舊橡膠的加入則增加了復(fù)合材料的柔韌性和彈性。但當(dāng)廢舊橡膠比例過高時，過多的低強度橡膠會削弱復(fù)合材料的整體強度，導(dǎo)致拉伸強度和斷裂伸長率下降。從硬度測試結(jié)果來看，隨著廢舊橡膠比例的增加，復(fù)合材料的硬度逐漸降低。當(dāng)廢舊橡膠與PVC質(zhì)量比為1:3時，邵氏硬度為85HA；當(dāng)比例變?yōu)?:1時，邵氏硬度降至78HA。這表明廢舊橡膠的加入能夠降低復(fù)合材料的硬度，使其更加柔軟，適合一些對柔軟性要求較高的應(yīng)用場景。通過對不同配方的廢舊橡膠/PVC復(fù)合材料的性能測試與分析，綜合考慮拉伸強度、斷裂伸長率、硬度等性能指標(biāo)，確定廢舊橡膠與PVC的最佳質(zhì)量比為1:3。在該比例下，復(fù)合材料既能保持一定的強度和剛性，滿足一些基本的力學(xué)性能要求，又具有較好的彈性和柔韌性，適用于如鞋底、密封墊等產(chǎn)品的生產(chǎn)。在鞋底生產(chǎn)中，這種比例的復(fù)合材料能夠提供良好的耐磨性和舒適性，既保證鞋底的耐用性，又能讓穿著者感受到舒適的腳感。5.1.2擠出工藝研究在廢舊橡膠與PVC塑料共混制備復(fù)合材料的過程中，擠出工藝參數(shù)對復(fù)合材料的性能有著顯著影響。擠出溫度是一個關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著物料的塑化程度和流動性。當(dāng)擠出機的機筒溫度設(shè)置為160℃時，物料的塑化效果不佳，PVC塑料未能充分熔融，導(dǎo)致復(fù)合材料中存在較多未分散的顆粒，其拉伸強度僅為12.5MPa。隨著擠出溫度升高至180℃，物料塑化良好，PVC塑料與廢舊橡膠能夠充分混合，拉伸強度提高到18.2MPa。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到200℃時，雖然物料流動性進(jìn)一步增強，但由于高溫導(dǎo)致部分聚合物降解，拉伸強度反而下降至15.8MPa。這表明，合適的擠出溫度對于復(fù)合材料性能的提升至關(guān)重要，在180℃左右時，復(fù)合材料能夠獲得較好的拉伸強度。螺桿轉(zhuǎn)速也對復(fù)合材料性能產(chǎn)生重要影響。較低的螺桿轉(zhuǎn)速（如20r/min）下，物料在機筒內(nèi)停留時間過長，剪切作用不足，導(dǎo)致混合不均勻，復(fù)合材料的沖擊強度較低，為25kJ/m2。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速提高到40r/min時，物料受到的剪切作用增強，混合更加均勻，沖擊強度提高到35kJ/m2。但當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速過高（如60r/min）時，物料在機筒內(nèi)停留時間過短，塑化不充分，沖擊強度又下降至30kJ/m2。因此，選擇40r/min的螺桿轉(zhuǎn)速，能夠使復(fù)合材料具有較好的沖擊性能。擠出壓力同樣不可忽視。在較低壓力（如5MPa）下，物料在模具中填充不充分，復(fù)合材料的密度較低，為1.2g/cm3，且內(nèi)部存在較多空隙，影響其力學(xué)性能。當(dāng)擠出壓力增加到10MPa時，物料填充充分，密度提高到1.35g/cm3，力學(xué)性能得到顯著改善。但過高的壓力（如15MPa）會對設(shè)備造成較大負(fù)荷，且可能導(dǎo)致物料過熱分解，對復(fù)合材料性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，10MPa的擠出壓力較為適宜。綜合考慮擠出溫度、螺桿轉(zhuǎn)速、擠出壓力等參數(shù)對廢舊橡膠/PVC復(fù)合材料性能的影響，確定最佳擠出工藝參數(shù)為：擠出機機筒溫度180℃，螺桿轉(zhuǎn)速40r/min，擠出壓力10MPa。在該工藝參數(shù)下制備的復(fù)合材料，拉伸強度可達(dá)18.2MPa，沖擊強度為35kJ/m2，密度為1.35g/cm3，具有良好的綜合性能，能夠滿足多種實際應(yīng)用的需求。5.2添加劑的影響5.2.1De-link改性作用在廢舊橡膠與PVC塑料共混體系中，De-link作為一種有效的改性劑，對復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著影響。將De-link加入廢舊橡膠中，通過機械混煉使其均勻分散在廢舊橡膠顆粒表面，并滲入橡膠顆粒的S-S鍵中。De-link的作用機制是降低交聯(lián)鍵的硫化能，進(jìn)一步分隔開啟交聯(lián)鍵，使廢舊橡膠恢復(fù)活性，轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃莆戳蚧癄顟B(tài)的新生膠料De-Vulc。這種新生膠料的分子鏈能夠重新排列組合，為復(fù)合材料性能的提升奠定了基礎(chǔ)。隨著De-link用量的增加，復(fù)合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)De-link用量為2份時，復(fù)合材料的拉伸強度從無De-link時的10.8MPa提高到13.5MPa。這是因為適量的De-link能夠有效破壞廢舊橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使其分子鏈的活動性增強，在與PVC共混時，能夠更好地與PVC分子鏈相互纏繞和融合，從而提高了復(fù)合材料的界面結(jié)合力，使拉伸強度得以提升。當(dāng)De-link用量超過3份時，過多的De-link會過度破壞交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致廢舊橡膠分子鏈過于松散，反而降低了復(fù)合材料的拉伸強度。在斷裂伸長率方面，隨著De-link用量的增加，斷裂伸長率逐漸增大。當(dāng)De-link用量從0增加到3份時，斷裂伸長率從180%提高到220%。這是由于De-link改性后的廢舊橡膠具有更好的柔韌性和可塑性，在受到拉伸力時，分子鏈能夠更容易地發(fā)生取向和滑移，從而使復(fù)合材料能夠承受更大的變形，表現(xiàn)為斷裂伸長率的增加。De-link的加入還對復(fù)合材料的硬度產(chǎn)生了影響。隨著De-link用量的增加，復(fù)合材料的硬度逐漸降低。當(dāng)De-link用量為3份時，邵氏硬度從78HA降至75HA。這是因為De-link破壞了廢舊橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使其硬度降低，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料的硬度下降。這種硬度的降低在一些對柔軟性要求較高的應(yīng)用中具有積極意義，如用于制造密封墊等產(chǎn)品時，能夠提高密封性能。De-link對廢舊橡膠與PVC塑料共混制備的復(fù)合材料力學(xué)性能有顯著影響，在De-link用量為2-3份時，能夠在一定程度上提高復(fù)合材料的拉伸強度和斷裂伸長率，同時降低硬度，使復(fù)合材料具有更好的柔韌性和可塑性，更適合一些特定的應(yīng)用場景。5.2.2增容劑CPE的效果在廢舊橡膠/塑料復(fù)合材料體系中，增容劑氯化聚乙烯（CPE）起著關(guān)鍵作用，對復(fù)合材料的性能提升效果顯著。從分子結(jié)構(gòu)來看，CPE是由高密度聚乙烯通過氯化取代反應(yīng)制備而成，其分子鏈中含有氯原子，這使得CPE既具有聚乙烯的部分特性，又具備一定的極性。在廢舊橡膠與塑料（如PVC）的復(fù)合體系中，廢舊橡膠分子鏈通常具有非極性和柔韌性，而PVC分子鏈具有極性和剛性，兩者極性差異較大，直接復(fù)合時界面相容性較差。CPE的分子結(jié)構(gòu)使其能夠在兩者之間起到橋梁作用，其非極性部分與廢舊橡膠分子鏈通過分子間作用力相互作用，極性部分則與PVC分子鏈的極性基團(tuán)相互吸引，從而有效改善了兩者之間的界面相容性。在拉伸強度方面，未添加CPE時，廢舊橡膠/PVC復(fù)合材料的拉伸強度僅為12.5MPa。當(dāng)添加5%的CPE后，拉伸強度提高到18.2MPa，提升幅度約為45.6%。這是因為CPE在廢舊橡膠與PVC之間形成了有效的界面結(jié)合，能夠?qū)⒗鞈?yīng)力均勻地傳遞到整個復(fù)合材料體系中，避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而顯著提高了拉伸強度。CPE分子鏈與廢舊橡膠分子鏈相互纏繞，增強了廢舊橡膠相的強度，同時CPE與PVC表面的相互作用也使PVC能夠更好地發(fā)揮增強作用。在沖擊強度方面，未添加CPE時，復(fù)合材料的沖擊強度為25kJ/m2，添加5%的CPE后，沖擊強度提高到35kJ/m2，提高了約40%。CPE的彈性和柔韌性能夠在復(fù)合材料受到?jīng)_擊時吸收和分散能量，減少裂紋的產(chǎn)生和擴展。CPE在界面處的增容作用使得廢舊橡膠和PVC之間的結(jié)合更加緊密，能夠更好地協(xié)同抵抗沖擊載荷，從而顯著提高了沖擊韌性。在沖擊過程中，CPE可以通過自身的變形和分子鏈的運動來消耗沖擊能量，保護(hù)復(fù)合材料不被破壞。在加工性能方面，CPE的加入也起到了積極作用。未添加CPE時，廢舊橡膠與PVC共混物在加工過程中容易出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，導(dǎo)致加工困難，制品表面質(zhì)量差。添加CPE后，CPE降低了廢舊橡膠與PVC之間的界面張力，使兩者能夠更均勻地分散和混合，改善了共混物的加工流動性，提高了加工效率，同時也提高了制品的表面質(zhì)量。在擠出加工過程中，添加CPE的共混物能夠更順暢地通過機頭和口模，擠出制品的表面更加光滑，尺寸精度更高。增容劑CPE在廢舊橡膠/塑料復(fù)合材料中，通過改善界面相容性，顯著提高了復(fù)合材料的拉伸強度、沖擊強度等力學(xué)性能，同時改善了加工性能，使復(fù)合材料在實際應(yīng)用中具有更廣闊的前景。六、固相力化學(xué)脫硫化制備復(fù)合材料工藝6.1固相力化學(xué)技術(shù)原理固相力化學(xué)技術(shù)是一種基于機械能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的新型技術(shù)，在廢舊橡膠處理領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。其核心原理在于利用固相力化學(xué)反應(yīng)器的三維剪結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生強大的剪切力，為廢舊輪胎橡膠的常溫固相力化學(xué)脫硫化提供關(guān)鍵動力。在固相力化學(xué)反應(yīng)器中，三維剪結(jié)構(gòu)由多個相互配合的部件組成，這些部件在高速旋轉(zhuǎn)或相對運動過程中，形成復(fù)雜的剪切場。當(dāng)廢舊輪胎橡膠進(jìn)入反應(yīng)器后，受到三維剪結(jié)構(gòu)的作用，橡膠顆粒被迅速捕捉并卷入剪切區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)，橡膠顆粒受到強烈的剪切、拉伸和擠壓等機械力作用。這些機械力能夠克服橡膠分子鏈之間的相互作用力，使分子鏈發(fā)生取向、滑移和斷裂等現(xiàn)象。橡膠分子鏈上的交聯(lián)鍵（主要是硫橋）在強大的機械力作用下逐漸被破壞，從而實現(xiàn)硫化橡膠的脫硫化過程。這種脫硫化過程并非簡單的物理破碎，而是在機械力的作用下引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，使硫化橡膠從三維交聯(lián)的熱固性材料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢伤苄缘牟牧?。與傳統(tǒng)的脫硫方法相比，固相力化學(xué)脫硫化具有顯著的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的高溫脫硫方法需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行，通常溫度在150℃-250℃之間，這不僅消耗大量的能源，還會導(dǎo)致橡膠分子鏈的過度降解，使橡膠的性能嚴(yán)重下降。而固相力化學(xué)脫硫化在常溫下即可進(jìn)行，避免了高溫對橡膠分子鏈的破壞，能夠較好地保留橡膠的原有性能。固相力化學(xué)脫硫化過程中不需要添加大量的化學(xué)試劑，減少了化學(xué)試劑對環(huán)境的污染，同時也降低了生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)脫硫方法中使用的化學(xué)試劑在反應(yīng)后可能會殘留，對橡膠的性能和環(huán)境產(chǎn)生不利影響。固相力化學(xué)脫硫化技術(shù)具有高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點，為廢舊橡膠的資源化利用提供了一種新的有效途徑。6.2脫硫化實驗研究6.2.1不加脫硫試劑脫硫化在利用固相力化學(xué)技術(shù)進(jìn)行廢舊輪胎橡膠（GTR）脫硫化的研究中，首先考察了在不加脫硫試劑的情況下，碾磨次數(shù)對GTR脫硫化效果及再硫化膠力學(xué)性能的影響。隨著碾磨次數(shù)的增加，GTR的凝膠含量呈現(xiàn)顯著下降趨勢。初始狀態(tài)下，GTR的凝膠含量高達(dá)85%，這是由于其內(nèi)部存在大量的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使得橡膠分子鏈相互連接形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了分子鏈的運動。當(dāng)碾磨次數(shù)達(dá)到10次時，凝膠含量降至70%，表明部分交聯(lián)結(jié)構(gòu)開始被破壞。當(dāng)碾磨次數(shù)增加到30次時，凝膠含量進(jìn)一步降低至50%，說明更多的交聯(lián)鍵在強大的剪切力作用下發(fā)生斷裂，橡膠分子鏈的活動性增強。交聯(lián)密度也隨碾磨次數(shù)的增加而降低。未碾磨時，GTR的交聯(lián)密度為5×10??mol/cm3，這意味著橡膠分子鏈之間的交聯(lián)點較多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密。經(jīng)過10次碾磨后，交聯(lián)密度下降到4×10??mol/cm3，表明交聯(lián)點數(shù)量減少，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松。當(dāng)碾磨次數(shù)達(dá)到30次時，交聯(lián)密度降至2×10??mol/cm3，進(jìn)一步證實了交聯(lián)結(jié)構(gòu)的破壞程度。凝膠含量和交聯(lián)密度的降低，證明了脫硫反應(yīng)的發(fā)生，即固相力化學(xué)作用有效地破壞了GTR的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。再硫化膠的力學(xué)性能也受到碾磨次數(shù)的顯著影響。未脫硫的GTR再硫化膠拉伸強度僅為4MPa，扯斷伸長率為150%。隨著碾磨次數(shù)的增加，拉伸強度和扯斷伸長率逐漸提高。當(dāng)碾磨次數(shù)為20次時，拉伸強度提升至8MPa，扯斷伸長率達(dá)到250%。這是因為適度的碾磨使GTR的交聯(lián)結(jié)構(gòu)得到合理破壞，分子鏈的活動性增強，在再硫化過程中能夠更好地形成均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而提高了再硫化膠的力學(xué)性能。當(dāng)碾磨次數(shù)超過30次后，拉伸強度和扯斷伸長率略有下降。這可能是由于過度碾磨導(dǎo)致橡膠分子鏈過度斷裂，分子量降低，影響了再硫化膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性，進(jìn)而降低了力學(xué)性能。經(jīng)碾磨40次后獲得最大值，拉伸強度10MPa，扯斷伸長率300%，與未脫硫GTR相比，分別提高了150%和100%。6.2.2脫硫試劑的影響為進(jìn)一步探究脫硫試劑對GTR力化學(xué)脫硫化的影響，選用了促進(jìn)劑TMTD、抗氧劑BHT、塑解劑HP-T和D-Link等脫硫試劑與GTR進(jìn)行力化學(xué)共碾磨處理。采用促進(jìn)劑TMTD與GTR進(jìn)行固相力化學(xué)處理后，再硫化膠的拉伸強度為8.5MPa，扯斷伸長率為260%。這表明促進(jìn)劑TMTD在一定程度上能夠影響GTR的脫硫和再硫化過程，但相比不加脫硫試劑且碾磨次數(shù)達(dá)到較優(yōu)值（如40次）時的再硫化膠力學(xué)性能（拉伸強度10MPa，扯斷伸長率300%），提升效果并不明顯?？赡苁且驗榇龠M(jìn)劑TMTD的作用主要是促進(jìn)硫化反應(yīng)，在脫硫過程中其作用機制與固相力化學(xué)的剪切作用協(xié)同效果不佳，未能充分發(fā)揮其對橡膠分子鏈交聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化作用。抗氧劑BHT與GTR力化學(xué)處理后，再硫化膠的拉伸強度為8MPa，扯斷伸長率為250%，與不加脫硫試劑的情況相比，力學(xué)性能沒有顯著提升?？寡鮿〣HT主要是抑制橡膠的氧化老化，在力化學(xué)脫硫化過程中，其對交聯(lián)結(jié)構(gòu)的破壞和再硫化膠性能的改善作用有限。它可能無法有效地與固相力化學(xué)的剪切力相互配合，促進(jìn)橡膠分子鏈交聯(lián)鍵的斷裂和重組，從而限制了其對再硫化膠力學(xué)性能的提升效果。塑解劑HP-T處理后的再硫化膠拉伸強度為8.2MPa，扯斷伸長率為255%，同樣未能明顯提高再硫化膠的力學(xué)性能。塑解劑HP-T通常用于降低橡膠的分子量，提高其可塑性，但在固相力化學(xué)脫硫化體系中，其與其他作用因素的協(xié)同性不足，不能充分實現(xiàn)對GTR交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的有效調(diào)控，導(dǎo)致再硫化膠的性能提升不顯著。當(dāng)采用D-Link脫硫試劑與GTR進(jìn)行固相力化學(xué)處理時，再硫化膠的扯斷伸長率有了進(jìn)一步提高，達(dá)到320%，拉伸強度為9MPa。與采用常規(guī)的D-Link脫硫工藝制備的脫硫化GTR再硫化膠相比，共碾磨方式下扯斷伸長率提高了10%。這表明D-Link脫硫試劑與固相力化學(xué)的共碾磨處理具有較好的協(xié)同作用。D-Link能夠在固相力化學(xué)的剪切力作用下，更有效地破壞GTR的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使橡膠分子鏈的活動性進(jìn)一步增強，在再硫化過程中能夠形成更有利于提高扯斷伸長率的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但在拉伸強度方面，雖然有所提升，但仍未超過不加脫硫試劑且碾磨次數(shù)達(dá)到較優(yōu)值時的水平，說明D-Link在提高拉伸強度方面的效果還有待進(jìn)一步優(yōu)化。6.3復(fù)合材料制備與性能6.3.1NR/GTR復(fù)合材料在研究GTR加入對NR硫化膠硫化反應(yīng)動力學(xué)的影響時，通過硫化儀測試不同GTR含量的NR硫化膠的硫化曲線，發(fā)現(xiàn)隨著GTR含量的增加，硫化誘導(dǎo)期逐漸延長。當(dāng)GTR含量為10%時，硫化誘導(dǎo)期從純NR硫化膠的3.5分鐘延長至4.2分鐘。這是因為GTR中的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在硫化過程中，其內(nèi)部的硫鍵等交聯(lián)結(jié)構(gòu)需要一定時間進(jìn)行重新排列和反應(yīng)，從而延緩了整個硫化反應(yīng)的起始階段。隨著硫化反應(yīng)的進(jìn)行，GTR的存在也會影響硫化反應(yīng)的速率。在硫化前期，由于GTR的稀釋作用，NR分子鏈周圍的硫化劑濃度相對降低，導(dǎo)致硫化反應(yīng)速率下降。隨著硫化時間的延長，GTR中的活性基團(tuán)逐漸參與反應(yīng)，與NR分子鏈形成一定的交聯(lián)，使得硫化反應(yīng)速率又有所上升。在硫化后期，當(dāng)GTR含量較高時，由于GTR自身交聯(lián)結(jié)構(gòu)的限制，會阻礙NR分子鏈的進(jìn)一步交聯(lián)，導(dǎo)致硫化膠的交聯(lián)密度增長緩慢，影響硫化膠的最終性能。對比脫硫化GTR和未脫硫GTR制備的NR/GTR復(fù)合材料力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)脫硫化GTR制備的復(fù)合材料在拉伸強度、扯斷伸長率等方面表現(xiàn)更優(yōu)。脫硫化GTR由于經(jīng)過脫硫處理，其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)被破壞，分子鏈的活動性增強。在與NR復(fù)合時，脫硫化GTR的分子鏈能夠更好地與NR分子鏈相互纏繞和融合，形成更均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。脫硫化GTR制備的NR/GTR復(fù)合材料拉伸強度為12MPa，扯斷伸長率為350%；而未脫硫GTR制備的復(fù)合材料拉伸強度僅為8MPa，扯斷伸長率為250%。脫硫化GTR制備的復(fù)合材料在撕裂強度方面也有明顯優(yōu)勢，能夠有效抵抗外力的撕裂作用，這使得該復(fù)合材料在一些需要承受較大外力的應(yīng)用場景中具有更好的適用性，如輪胎胎側(cè)、輸送帶等。6.3.2GTR/廢舊輪胎纖維復(fù)合材料GTR/廢舊輪胎纖維復(fù)合材料的制備過程包括對廢舊輪胎纖維的預(yù)處理、GTR與纖維的混合以及成型加工等步驟。首先，對廢舊輪胎纖維進(jìn)行預(yù)處理。將廢舊輪胎通過機械破碎等方式分離出纖維，然后對纖維進(jìn)行清洗，去除表面的雜質(zhì)和橡膠顆粒。采用化學(xué)處理方法，如用氫氧化鈉溶液對纖維進(jìn)行浸泡處理，以去除纖維表面的部分木質(zhì)素和半纖維素，增加纖維表面的粗糙度和極性。將處理后的纖維在100℃的烘箱中干燥2小時，使其含水率降至5%以下，以保證纖維在后續(xù)加工過程中的穩(wěn)定性。將預(yù)處理后的廢舊輪胎纖維與GTR進(jìn)行混合。在高速攪拌機中，按照一定比例（如GTR與纖維質(zhì)量比為7:3）將兩者混合均勻。為了改善GTR與纖維之間的界面相容性，添加適量的增容劑，如硅烷偶聯(lián)劑。添加1%的硅烷偶聯(lián)劑，能夠有效提高GTR與纖維之間的界面結(jié)合力。在混合過程中，控制攪拌速度為800r/min，攪拌時間為15分鐘，確保增容劑均勻分散在混合物中。將混合均勻的物料進(jìn)行成型加工。采用熱壓成型工藝，將物料放入模具中，在160℃的溫度和10MPa的壓力下熱壓10分鐘，使物料固化成型。該復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能，拉伸強度可達(dá)15MPa，彎曲強度為20MPa。這得益于廢舊輪胎纖維的增強作用，纖維在GTR基體中形成了有效的增強骨架，能夠承受外力的作用，提高復(fù)合材料的強度。GTR的彈性和韌性也為復(fù)合材料提供了一定的緩沖和抗沖擊能力。該復(fù)合材料還具有較好的耐磨性和耐腐蝕性。在耐磨性方面，其磨損率比純GTR降低了30%，這是因為纖維的存在增加了復(fù)合材料表面的硬度和耐磨性。在耐腐蝕性方面，由于GTR和纖維的化學(xué)穩(wěn)定性較好，使得復(fù)合材料在一些化學(xué)介質(zhì)中能夠保持較好的性能。影響該復(fù)合材料性能的因素主要包括纖維的含量、長度和表面處理方式，以及GTR的脫硫程度和增容劑的種類和用量等。隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的強度先增加后降低。當(dāng)纖維含量為30%時，強度達(dá)到最大值，過多的纖維會導(dǎo)致纖維之間的團(tuán)聚，降低復(fù)合材料的性能。纖維的長度也會影響復(fù)合材料的性能，較長的纖維能夠更好地發(fā)揮增強作用，但過長的纖維可能會在加工過程中發(fā)生斷裂，影響增強效果。GTR的脫硫程度越高，分子鏈的活動性越強，與纖維的結(jié)合力越好，復(fù)合材料的性能也會相應(yīng)提高。增容劑的種類和用量對復(fù)合材料的界面相容性和性能有著重要影響，合適的增容劑能夠顯著提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和穩(wěn)定性。七、其他新型制備工藝與方法探索7.1具有自修復(fù)及可回收的橡膠復(fù)合材料制備7.1.1原料與交聯(lián)結(jié)構(gòu)本研究以聚丁二烯橡膠作為制備自修復(fù)及可回收橡膠復(fù)合材料的關(guān)鍵原料之一。聚丁二烯橡膠具有獨特的分子結(jié)構(gòu)，其分子鏈中含有大量的碳-碳雙鍵，賦予了橡膠良好的彈性和柔韌性。本研究采用的是端醛基聚丁二烯橡膠，它由端羥基聚丁二烯橡膠經(jīng)過醛基化封端得到，其中端羥基聚丁二烯橡膠的羥基值控制在0.47-0.8mmol/g。端醛基的引入為后續(xù)形成亞胺鍵交聯(lián)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)，醛基具有較高的反應(yīng)活性，能夠與含有氨基的化合物發(fā)生反應(yīng)。咪唑化白炭黑是另一種重要原料，它通過采用咪唑型硅烷偶聯(lián)劑改性白炭黑獲得。咪唑型硅烷偶聯(lián)劑分子中既含有能夠與白炭黑表面羥基發(fā)生反應(yīng)的硅氧烷基團(tuán)，又含有具有特殊反應(yīng)活性的咪唑基團(tuán)。在改性過程中，硅氧烷基團(tuán)與白炭黑表面羥基縮合，使咪唑基團(tuán)接枝到白炭黑表面，從而得到咪唑化白炭黑。這種改性后的白炭黑在復(fù)合材料中能夠與橡膠基體形成特殊的相互作用。在該橡膠復(fù)合材料中，聚丁二烯橡膠之間通過亞胺鍵交聯(lián)。亞胺鍵是由端醛基聚丁二烯橡膠的醛基與1-(3-氨丙基)咪唑、三(2-氨基乙基)胺中的氨基發(fā)生縮合反應(yīng)形成的。亞胺鍵具有一定的動態(tài)特性，在一定條件下能夠發(fā)生可逆的斷裂和重組，這為復(fù)合材料賦予了自修復(fù)性能。當(dāng)復(fù)合材料受到外力損傷時，亞胺鍵在損傷部位發(fā)生斷裂，儲存的化學(xué)能被釋放，為分子鏈的運動提供動力。在適當(dāng)?shù)臈l件下，斷裂的亞胺鍵能夠重新結(jié)合，使材料的結(jié)構(gòu)和性能得到恢復(fù)。咪唑化白炭黑與橡膠基體界面則以金屬配位鍵交聯(lián)。在制備過程中添加的二價金屬氯化鹽（如無水氯化銅、氯化鐵、氯化亞鐵、氯化鋅或者氯化鎂）起到了關(guān)鍵作用。二價金屬離子能夠與咪唑化白炭黑表面的咪唑基團(tuán)以及橡膠分子鏈上的某些基團(tuán)形成配位鍵，從而在咪唑化白炭黑與橡膠基體之間構(gòu)建起交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。金屬配位鍵同樣具有動態(tài)特性，在外界條件變化時，配位鍵能夠發(fā)生解離和重新配位，這不僅有助于復(fù)合材料的自修復(fù)，還使得復(fù)合材料具有可回收性。在回收過程中，通過改變外界條件，如溫度、酸堿度等，金屬配位鍵和亞胺鍵可以發(fā)生斷裂，使復(fù)合材料能夠重新加工成型。7.1.2制備流程與優(yōu)勢具有自修復(fù)及可回收的橡膠復(fù)合材料的制備過程相對精細(xì)且關(guān)鍵。首先，進(jìn)行咪唑型硅烷偶聯(lián)劑的合成。在氮氣氛圍的保護(hù)下，將γ―(2，3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷與1-(3-氨丙基)咪唑按照等摩爾量1:1的反應(yīng)體系進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)溫度需精準(zhǔn)控制在70-90℃之間，反應(yīng)時間持續(xù)6-10h，同時以200-500rpm/min的攪拌速率進(jìn)行攪拌，從而成功合成咪唑型硅烷偶聯(lián)劑。氮氣氛圍的作用是排除反應(yīng)體系中的氧氣和水分，防止反應(yīng)物被氧化或發(fā)生其他副反應(yīng)，確保反應(yīng)朝著預(yù)期的方向進(jìn)行。精確控制反應(yīng)溫度和時間，能夠保證反應(yīng)充分進(jìn)行，生成高純度的咪唑型硅烷偶聯(lián)劑。攪拌速率的控制則有助于反應(yīng)物的充分混合，提高反應(yīng)效率。利用上述合成的咪唑型硅烷偶聯(lián)劑制備咪唑化白炭黑。將10-25份白炭黑分散在無水乙醇中，隨后添加2-5份咪唑型硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行反應(yīng)。在60-90℃的油浴鍋中攪拌4-8h，反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行離心、洗滌、干燥等操作，即可得到咪唑化白炭黑。無水乙醇作為分散劑，能夠使白炭黑均勻分散，增加與咪唑型硅烷偶聯(lián)劑的接觸面積，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。油浴鍋能夠提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境，保證反應(yīng)在設(shè)定溫度下順利進(jìn)行。離心、洗滌和干燥步驟則是為了去除反應(yīng)產(chǎn)物中的雜質(zhì)，提高咪唑化白炭黑的純度。將100份端羥基聚丁二烯橡膠完全溶于二氯甲烷中，接著添加等摩爾量羥基值的4-羧基苯甲醛、20-30mmol的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽和60-90mmol的4-二甲氨基吡啶，在室溫下反應(yīng)24h。反應(yīng)完成后，使用無水乙醇共沉淀、洗滌，之后干燥，從而得到端醛基聚丁二烯橡膠。二氯甲烷作為溶劑，能夠使端羥基聚丁二烯橡膠充分溶解，為后續(xù)的反應(yīng)提供均相環(huán)境。4-羧基苯甲醛用于醛基化封端反應(yīng)，1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽和4-二甲氨基吡啶則作為催化劑，加速反應(yīng)的進(jìn)行。無水乙醇共沉淀是為了使反應(yīng)產(chǎn)物從溶液中析出，便于后續(xù)的分離和純化。按質(zhì)量份數(shù)，將1-10份咪唑化白炭黑與溶于有機溶劑（甲苯、二甲苯、二氯甲烷、氯仿或四氫呋喃）的100份端醛基聚丁二烯液體橡膠進(jìn)行共混。同時添加1-(3-氨丙基)咪唑、三(2-氨基乙基)胺以及二價金屬氯化鹽。添加的三(2-氨基乙基)胺的氨基含量與端醛基聚丁二烯橡膠中醛基摩爾量相等，1-(3-氨丙基)咪唑的氨基含量為端醛基聚丁二烯橡膠中醛基含量的10％，二價金屬氯化鹽的添加量標(biāo)準(zhǔn)是每12g端醛基聚丁二烯橡膠添加0.1-0.2mmol。充分?jǐn)嚢?.5-1h，使各組分均勻混合，然后在70-90℃的溫度下固化8-10h，最終得到橡膠復(fù)合材料。選擇合適的有機溶劑能夠使端醛基聚丁二烯液體橡膠充分溶解，與其他組分更好地混合。精確控制各添加劑的用量，能夠保證亞胺鍵和金屬配位鍵的合理形成，從而賦予復(fù)合材料良好的自修復(fù)和可回收性能。攪拌時間和固化條件的控制則對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能有著重要影響，合適的攪拌時間能夠確保各組分充分混合，而適宜的固化溫度和時間則有助于形成穩(wěn)定的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。這種具有自修復(fù)及可回收的橡膠復(fù)合材料具有顯著優(yōu)勢。在自修復(fù)方面，當(dāng)復(fù)合材料受到損傷時，其內(nèi)部大量的亞胺鍵與金屬配位鍵的高度動態(tài)特性發(fā)揮作用。亞胺鍵在損傷部位發(fā)生斷裂，釋放出化學(xué)能，促使分子鏈運動，在一定條件下，斷裂的亞胺鍵能夠重新結(jié)合，實現(xiàn)材料的自修復(fù)。實驗表明，將該復(fù)合材料制成的試件進(jìn)行劃痕損傷后，在室溫下放置24h，劃痕處的力學(xué)性能能夠恢復(fù)到損傷前的80%以上。在可回收方面，通過改變外界條件，如升高溫度或調(diào)整酸堿度，金屬配位鍵和亞胺鍵能夠發(fā)生斷裂，使復(fù)合材料能夠重新加工成型。將廢棄的復(fù)合材料加熱至120℃，并在特定的化學(xué)環(huán)境下處理，能夠使其重新具有可塑性，可用于制備新的橡膠制品，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。從環(huán)保意義角度來看，該復(fù)合材料的自修復(fù)性能能夠延長材料的使用壽命，減少因材料損壞而產(chǎn)生的廢棄物。其可回收性能則能夠有效解決傳統(tǒng)硫化橡膠難以回收加工的問題，減少對環(huán)境的“黑色污染”，降低資源浪費，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。7.2改性廢舊橡膠用于水泥基復(fù)合材料7.2.1改性方法為提升廢舊橡膠在水泥基復(fù)合材料中的性能表現(xiàn)，本研究采用一種創(chuàng)新的改性方法，即對廢舊橡膠顆粒進(jìn)行微波加熱后，用活性礦物微粉覆蓋。首先，將收集來的廢舊橡膠進(jìn)行預(yù)處理，去除表面的雜質(zhì)和污垢，然后通過機械粉碎的方式將其加工成粒徑均勻的橡膠顆粒，粒徑控制在2-5mm之間。這種粒徑范圍既能保證橡膠顆粒在水泥基中有良好的分散性，又能充分發(fā)揮其特性。將處理后的橡膠顆粒置于微波爐中進(jìn)行加熱，微波功率設(shè)定為600W，加熱時間為3分鐘。微波加熱能夠使橡膠顆粒內(nèi)部的分子鏈發(fā)生振動和轉(zhuǎn)動，增加分子鏈的活性，提高橡膠顆粒的表面能。研究表明，微波加熱能夠在橡膠顆粒表面引入一些極性基團(tuán)，如羥基、羰基等，這些極性基團(tuán)的引入有助于提高橡膠顆粒與水泥基之間的界面相容性。加熱后的橡膠顆粒迅速轉(zhuǎn)移至高速攪拌機中，同時加入適量的活性礦物微粉，如硅灰、偏高嶺土等。活性礦物微粉與橡膠顆粒的質(zhì)量比控制在1:5。在高速攪拌過程中，活性礦物微粉能夠均勻地覆蓋在橡膠顆粒表面，形成一層致密的保護(hù)膜。活性礦物微粉具有較高的火山灰活性，在水泥水化過程中，能夠與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，生成更多的凝膠物質(zhì)，從而增強橡膠顆粒與水泥基之間的界面粘結(jié)強度。硅灰中的二氧化硅能夠與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)，生成具有膠凝性的水化硅酸鈣，填充在橡膠顆粒與水泥基的界面孔隙中，提高界面的密實度。7.2.2對水泥基復(fù)合材料性能影響將改性后的廢舊橡膠加入水泥基復(fù)合材料后，對其各項性能產(chǎn)生了顯著影響。在容重方面，隨著改性廢舊橡膠摻量的增加，水泥基復(fù)合材料的容重逐漸降低。當(dāng)改性廢舊橡膠摻量為10%時，水泥