文章精选 | 安徽工业大学龙红明教授和张浩教授梯队：基于改性钢渣为原料制备的新型木塑复合材料及其力学与燃烧性能研究
在双碳背景下，针对冶金大宗固废钢渣年排放量超1亿吨，但综合利用率低，以及2023年6月发布的GB/T175-2023，其规定钢渣不能用于制备硅酸盐水泥，必然导致大量的钢渣难以被消纳，造成环境污染。本文利用钢渣的强度高、热稳定好特性以及钢渣中Ca、Si、Al等有价元素制备优异无机填料。但由于钢渣无机特性较强，与高分子体系存在界面不相容的问题，因此采用硅烷偶联剂对钢渣进行改性制备改性钢渣，并替代滑石粉与木粉、聚乙烯等通过熔融共混的方式制备改性钢渣/木塑复合材料。发现改性钢渣替代滑石粉比例为50 wt%，与纯滑石/木塑复合材料相比，其拉伸强度、弯曲强度与冲击强分别提高18.5%，12.8%与18.0%。此时，其氧指数最高为22.5%，垂直燃烧等级别也最高为V-1等级，水平燃烧速度最低为44.2 mm/min。此外，以改性钢渣为骨架的炭层更稳定与致密，阻止了火焰向木塑复合材料内部蔓延，大幅度的降低热量与烟气释放，提高木塑复合材料火灾安全性。
近日，安徽工业大学龙红明教授和张浩教授领导的冶金大宗固废钢渣非建材领域的应用团队在Int. J. Miner. Metall. Mater.发表了题目为“Novel wood–plastic composite fabricated via modified steel slag: preparation, mechanical and flammability properties”的研究性文章，实现钢渣新途径应用与高附加值应用。
01
文章信息
基于改性钢渣为原料制备的新型木塑复合材料及其力学与燃烧性能研究（点击题目直达原文）
赵令，赵凯，申振伟，王毅璠，夏小洁，张浩
Ling Zhao, Kai Zhao, Zhenwei Shen, Yifan Wang, Xiaojie Xia, Hao Zhang, and Hongming Long, Novel wood–plastic composite fabricated via modified steel slag: Preparation, mechanical and flammability properties, Int. J. Miner. Metall. Mater., 31(2024), No. 9, pp. 2110-2120.
https://doi.org/10.1007/s12613-024-2829-4
02
文章亮点
01
采用磷酸协同硅烷偶联复合改性钢渣并成功制备改性钢渣。02
加入改性钢渣的木塑复合材料阻燃性能与力学性能得到提高。
03结并提出了改性钢渣在木塑复材料中的阻燃与补强作用机理。
03
内容
本文首先介绍了通过硅烷偶联剂对钢渣进行改性制备改性钢渣并通过FTIR对钢渣与改性钢渣进行表征分析，发现硅烷偶联剂已经成功改性钢渣。然后将改性钢渣替代滑石粉通过熔融共混的方法制备改性钢渣/木塑复合材料。当改性钢渣替代滑石粉比例低于50%时（WPC#50），产生交联作用较弱不如滑石粉的填充作用，导致其力学性能不如纯滑石粉/木塑复合材料（WPC#0）。而当改性钢渣替代滑石粉比例为50%时，其拉伸强度、弯曲强度与冲击强度均最高，与WPC#0相比，分别提高18.5%、12.8%与18.0%。这是因为改性钢渣除了起到填充作用外，在马来酸酐接枝聚乙烯作用下能与聚乙烯、木粉发生化学与物理交联作用，抑制大分子链的移动的同时减少木塑复合材料内部裂纹的产生，提其高力学性能。而随着改性钢渣替代比例的继续增加，超过50%时，改性钢渣会发生团聚，导致木塑复材料力学性能降低。最后对改性钢渣/木塑复材料的燃烧性能分析，发现改性钢渣替代滑石粉比例为50%时，其氧指数最高为22.5%，垂直燃烧等级别也最高为V-1等级，水平燃烧速度最低为44.2 mm/min。此外，以改性钢渣为骨架的炭层更稳定与致密，阻止了火焰向木塑复合材料内部蔓延，大幅度的降低热量与烟气释放，提高木塑复合材料火灾安全性。
图文解析
图1 改性钢渣/木塑复合材料热量释放：（a）：热释放速率（HRR）曲线；（b）：总热释放量（THR）曲线
图2 改性钢渣/木塑复合材料烟气释放：（a）：生烟速率（SPR）；（b）：生烟总量（TSP）曲线
图3 改性钢渣/木塑复合材料燃烧过程中主要气体随温度变化：（a）：CH2；（b）：CO2；（c）：乙酸；（d）：CO
04
团队介绍
安徽工业大学低碳炼铁与固废资源利用研究团队围绕冶金低碳环保和智能化方向开展理论和应用研究，主要研究方向：（1）低碳炼铁新技术；（2）冶金固废资源综合利用；（3）工业烟气污染物减排；（4）冶金过程智能化。团队成员15人，包括教授5人、副教授4人、讲师3人、博士后3人，其中国家高层次领军人才1人，安徽省学术和技术带头人、安徽省“特支计划”科技创新人才、安徽省战略新兴产业技术领军人才、安徽省教学名师4人次。团队承担国家自然科学基金重点/面上、国家重点研发计划课题，省级重大、杰青科研项目60余项。与宝武集团、中钢集团、中冶集团、中天钢铁、永钢集团、法国圣戈班、德国巴斯夫等国内外知名企业保持良好的合作关系。近年来，团队获安徽省教学成果奖8项、省部级科技奖6项，获中国金属学会冶金青年科技奖、全国高校冶金院长奖、宝钢优秀教师奖4人次，获全国博士后创新大赛铜奖(安徽省金奖) 1人。团队培养出多名获得国家级荣誉的创新拔尖人才，如全国大学生年度人物、全国向上向善好青年、中国青少年科技创新奖、全国高校百名研究生党员标兵。
供稿 | 赵 令
排版 | 许欢欢
编辑 | 陈佩仙
审核 | 黄冬华
《矿物冶金与材料学报（英文）》(InternationalJournal of Minerals, Metallurgy and Materials，IJMMM)是由教育部主管、北京科技大学主办、Springer Nature合作出版的英文学术期刊，1994年创刊，月刊。主要刊载矿物、冶金和材料领域的原创研究论文和特约综述等。被SCIE，EI，CAS，Scopus，ProQuest，OCLC，INSPEC等国际著名文摘或检索系统作为文献源期刊收录。入选中科院期刊分区二区。2023 JCR影响因子为5.6，在冶金与冶金工程学科和矿业工程与矿物加工学科位于Q1区, 在材料科学综合学科位于Q2区前列。2023 CiteScore为9.3，在金属与合金类、材料力学类、材料化学类等类别中均位于Q1区。入选《有色金属领域高质量科技期刊分级目录》T1级别；《冶金工程技术领域高质量科技期刊分级目录》T1级别。
联系我们CONTACT US
http://www.springer.com/journal/12613
邮箱：journal@ustb.edu.cn
电话：+86 10 62332875
IJMMM公众号
作者交流QQ群