东莞理工学院杨树颜老师课题组在粉煤灰补强橡胶复合材料方面取得进展
目前，我国大约60%的电力供应依靠燃煤电厂，根据规划，至2030年，燃煤电厂提供的电力依然占到电力结构的47%左右。煤炭的广泛使用产生了每年数以亿吨的粉煤灰（fly ash，FA），粉煤灰的堆放占用了大量宝贵的土地资源，并且在风力作用下容易产生严重的环境污染，与我国提倡的可持续发展和“绿水青山就是金山银山”的国家战略严重冲突。因此，如何提高粉煤灰在聚合物中的高附加值应用成了近二三十年来人们关注的重点。在前人的研究中，主要通过偶联剂改性粉煤灰来补强橡胶复合材料。但是由于粉煤灰的表面硅羟基极少，偶联剂改性效果不佳，导致橡胶/粉煤灰复合材料的性能非常差，粉煤灰只能作为一种非补强型填料来填充橡胶，严重限制了粉煤灰在高性能橡胶复合材料中的应用。
近日，东莞理工学院生态环境与建筑工程学院杨树颜老师课题组通过分析粉煤灰的主要成分，提出了“原位接枝-中和”反应来制备高性能橡胶/粉煤灰复合材料。该课题组通过在羧基丁腈橡胶（XNBR）中加入粉煤灰，在硫化过程中利用羧基与粉煤灰的金属氧化物组分发生中和反应，从而大大提高粉煤灰与橡胶分子链的作用，制备出来的XNBR/FA复合材料的拉伸强度比纯XNBR样品提高了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.）。
在此工作的理论基础上，在非极性橡胶丁苯橡胶（SBR）中加入山梨酸（sorbic acid，SA）作为改性剂，利用过氧化二异丙苯（DCP）作为接枝引发剂，通过“原位接枝-中和”反应，山梨酸类似于桥联作用，如图1所示，大幅度提高SBR分子链与粉煤灰粒子的界面作用，从而有利于橡胶基体在受到外力作用时能够使应力从分子链有效传递到粉煤灰粒子中，分散了应力集中， SBR/SA/FA复合材料的拉伸强度比没有改性的SBR/FA复合材料提高了215%，而扯断伸长率也有了明显的提高。根据实验结果，进而提出了FA补强SBR复合材料的补强机理（如图1），为粉煤灰在高分子复合材料中的广泛应用提供理论支持。
该研究成果发表在近期的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.）。该工作得到了国家自然科学基金的支持（51303026）。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894718315869
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