水射流粉碎再生轮胎橡胶增强聚氨酯泡沫的力学、热学及声学性能调控研究

这篇研究创新性地采用水射流粉碎技术(WJP)处理废轮胎橡胶(GTR)，通过NaOH/KMnO4/H2O2化学改性提升与聚氨酯(PU)基体的界面粘附性。采用自由发泡法制备的PU/WJP-GTR复合材料在15wt.%填料含量时表现出显著增强的压缩强度(提升170%)和低频率声吸收峰值(0.46)，同时保持0.02-0.03W/mK的低导热系数。研究为废轮胎橡胶在汽车、建筑等领域的多功能应用提供了可持续解决方案。

　　

水射流粉碎再生橡胶的结构特性

研究采用水射流粉碎(WJP)技术处理的废轮胎橡胶粉末(WJP-GTR)具有独特的物理特性。通过激光粒度分析显示其平均粒径为302μm，粒径分布呈现显著多分散性(分散指数1.9)。CO₂吸附测试测得比表面积达27.8m²/g，远高于传统机械研磨(MG)制备的GTR(15.8m²/g)。FTIR和XRD分析证实粉末中含有天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)和三元乙丙橡胶(EPDM)组分，以及炭黑(CB)、氧化锌(ZnO)和碳酸钙(CaCO₃)等添加剂。TGA显示WJP-GTR在365°C(NR)和435°C(SBR)出现特征分解峰，残炭率为15.2wt.%。

化学改性对界面性能的影响

为提高WJP-GTR与PU基体的相容性，研究采用三种化学处理方法：NaOH处理可清除表面锌盐杂质，形成粗糙表面；H₂O₂氧化产生羧基官能团；KMnO₄氧化则引入羟基基团。其中H₂O₂处理使15wt.%填充量的复合材料杨氏模量提升至38.5kPa(较纯PU提高170%)，这归因于羧基与异氰酸酯的适度反应控制了发泡过程。而KMnO₄处理因过度消耗异氰酸酯导致基体缺陷，NaOH处理则主要通过物理吸附增强界面作用。

复合材料的热稳定性能

TGA分析表明所有PU/WJP-GTR复合材料的热稳定性均优于纯PU。以热阻指数(T_HRI)评价，20wt.% WJP-GTR_NaOH填充样品达到166°C，比纯PU(135°C)显著提高。氧化处理的WJP-GTR在高温下会促进基体降解，特别是KMnO₄处理样品在20wt.%填充量时热稳定性反而降低。复合材料导热系数维持在0.02-0.03W/mK范围，符合建筑隔热材料要求(0.02-0.07W/mK)。

力学性能的调控机制

压缩测试揭示了填料含量与化学处理的协同效应：H₂O₂处理使15wt.%复合材料的压缩应力(2.30kPa)比纯PU(0.81kPa)提高184%，但断裂应变降低33%。SEM观察发现该样品具有更致密的泡孔结构。而KMnO₄处理样品因催化作用导致过度发泡，形成大量孔洞缺陷。NaOH处理样品则保持较均匀的泡孔结构，在20wt.%填充量时获得最佳的力学-声学平衡。

声学吸收特性

阻抗管测试显示不同处理方式的WJP-GTR对声学性能影响显著：NaOH处理样品在5wt.%时低频(1200-2000Hz)吸声系数达0.98，归因于适中的流阻和曲折度。20wt.% WJP-GTR_NaOH复合材料表现出最佳综合性能，声学活性(AA)达0.46，同时压缩强度提高101%。H₂O₂处理样品因高刚度使吸声峰向低频移动，而KMnO₄处理样品则因结构不均匀导致吸声曲线波动。

应用前景与可持续发展

研究证实20wt.% WJP-GTR_NaOH填充的PU泡沫兼具优异的力学增强(刚度提升101%)、突出的低频吸声(AA=0.46)和良好的热稳定性(T_HRI=166°C)。WJP技术相比传统机械研磨节能41%(126 vs 215kWh/ton)，为废轮胎橡胶的高值化利用提供了环保解决方案。这种多功能复合材料在汽车内饰、建筑隔音和航空航天领域具有广阔应用前景。未来研究可探索与生物基聚醇或深共熔溶剂(DES)的结合，进一步提升可持续性。