微尺寸LD渣颗粒填充聚酯的热学与冲蚀磨损行为研究（面向可持续复合材料开发）

《Journal of Materials Research and Technology》：Thermal and Erosion Wear Behaviour of Polyester Filled with Micro-Sized LD Slag Particulates for the Development of a Sustainable Composite

　　

在本次研究中，研究人员将林茨-多纳维茨（LD）渣的微颗粒形式用作聚酯树脂中的填料。样品以10重量%（wt.%）至40 wt.%的不同含量制备。所考察的性能包括物理性能、力学性能、热学性能以及冲蚀磨损性能。研究结果显示，向聚酯中加入LD渣微粒可提高其密度。在力学表征过程中，研究人员观察到拉伸强度和弯曲强度随LD渣含量的增加而提高，但仅限于有限的填料含量。当LD渣含量为30 wt.%时，分别获得最大值37.8 MPa和59.2 MPa。相比之下，其他力学性能，如拉伸模量、弯曲模量、压缩强度和硬度，在40 wt.% LD渣含量时达到最大值。在热导率测量过程中，研究人员观察到，加入LD渣可将热导率从不含填料的聚合物的0.221 W/m-K提高到含40 wt.%填料的0.453 W/m-K。此外，在聚酯树脂中加入LD渣可提高其热稳定性，因为降解温度和残余炭量均增加。玻璃化转变温度和比热容随填料含量的增加而升高，分别达到最大值85.4^oC和1.084 kJ/kg-K。研究人员按照田口（Taguchi）技术提供的L₂₅正交阵列设计实验，进行了冲蚀磨损特性分析。并应用人工神经网络（ANN）模型来预测更宽参数范围内的冲蚀率。

论文解读文章

**研究背景**
随着工业部门的快速发展，金属提取行业产生的废渣（如高炉渣、铜渣、海绵铁渣、赤泥和LD渣等）日益增多，这些废渣不可生物降解，对人类健康和生态环境造成严重危害。目前，这类废渣主要用于填埋或道路建设等建筑领域，但利用率有限。将工业废渣作为填料加入聚合物基体中以制备复合材料，不仅能实现废物资源化、降低处置成本，还可节约自然资源，推动“零废弃”和循环经济目标的实现。在多种废渣中，LD渣（Linz-Donawitz slag，钢冶炼过程中的副产品）具有高硬度、高刚度和低成本等优点，此前在环氧树脂和聚丙烯基复合材料中已有部分研究，但针对聚酯树脂作为基体的系统研究尚不充分。聚酯因其价格低廉、易于加工且性能可接受，在工程应用中广泛使用。已有研究主要集中于物理、力学和磨损性能，而对热学特性的详细表征关注不足。因此，本次研究旨在开发聚酯/LD渣复合材料，系统评估其物理、力学、热学和冲蚀磨损行为，并通过田口（Taguchi）方法和人工神经网络（ANN）对冲蚀磨损进行优化与预测，为高性能、可持续复合材料的开发提供依据。该研究发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，预期成果可用于轻质结构部件和工业组件，同时助力清洁生产和循环经济实践。

**主要关键的技术方法**
研究人员采用手糊法（open moulding）制备了聚酯树脂与不同含量（10、20、30、40 wt.%）微米级LD渣（平均粒径约3 μm）的复合材料。利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察微观形貌；按阿基米德原理（ASTM D792-91）测量密度；采用万能试验机分别按ASTM D638、D790、D695标准测试拉伸、弯曲和压缩性能，使用肖氏硬度计（ASTM D2240）测量硬度。热学表征方面：用Unitherm 2022型热导率仪（ASTM E1530）测量热导率；采用差示扫描量热仪（DSC，Perkin-Elmer DSC-4000，ASTM D3418）测定玻璃化转变温度和比热容；利用热重分析仪（TGA，Perkin-Elmer TGA 8000，ASTM E1868）评估热稳定性。冲蚀磨损试验使用气体喷射装置（ASTM G76），以50 μm氧化铝颗粒为侵蚀粒子，按L₂₅正交阵列设计实验，并对冲蚀率进行人工神经网络（ANN）预测。LD渣原料来自印度奥里萨邦的Rourkela钢铁厂。

**研究结果**
**5.1 扫描电子显微镜（SEM）**
通过对LD渣、纯聚酯及不同填料含量复合材料的微观形貌观察发现：LD渣颗粒形状不规则、表面粗糙，有利于与聚酯基体形成机械结合。低填料含量（10–20 wt.%）时，颗粒在基体中分布均匀，无明显团聚，界面相容性良好；当填料含量增至30 wt.%时，开始出现轻微团聚和分布不均；40 wt.%时，出现严重团聚和非均匀分散，形成大簇团，导致微观结构异质性。

**5.2 物理和力学性能**
复合材料的密度随LD渣含量增加而持续上升，最高达1.481 g/cm3（较纯聚酯提高约29%）。拉伸强度和弯曲强度在填料含量为30 wt.%时达到最大值37.8 MPa和59.2 MPa（分别提高33.5%和28.1%），但在40 wt.%时下降，原因是颗粒团聚导致应力集中和界面弱化。相反，拉伸模量、弯曲模量、压缩强度和硬度在整个填料范围内持续提高：拉伸模量从2125 MPa升至3518 MPa，弯曲模量从2783 MPa升至4185 MPa（均提高约50%）；压缩强度从78.2 MPa升至98.7 MPa（提高26.2%）；硬度从76 Shore-D升至86 Shore-D（提高13.1%），这归因于LD渣的高刚度和硬度以及聚合物链迁移受限。

**5.3 热导率**
随LD渣含量增加，复合材料的热导率从纯聚酯的0.221 W/m-K逐步提高至40 wt.%时的0.453 W/m-K（提高104.9%）。低填料含量时提升缓慢，主要因两相热导率差异小且颗粒孤立；高填料含量时因颗粒间接触形成导热网络，热阻降低，导热效率显著提升。与理论模型（混合法则、Maxwell、Neilson-Lewis、Agrawal and Satapathy）比较发现，仅Agrawal and Satapathy模型在低填料含量时能较准确预测，高含量时所有模型均失效，因其未考虑导热链形成效应。

**5.4 热重分析（TGA）**
所有样品在约250°C前无明显降解，降解曲线趋势相似，说明降解机制未因LD渣加入而改变。随填料含量增加，曲线右移，热稳定性增强。纯聚酯的5%降解温度（T_d5）为307.5°C，10%降解温度（T_d10）为368.3°C，50%降解温度（T_d50）为438.9°C；40 wt.% LD渣复合材料的对应值分别为372.5°C、400.8°C和459.2°C。最大质量损失速率温度（T_dm）变化不大（417.4–426.5°C）。残炭量随填料含量增加而显著上升（从纯聚酯的2.19%增至40 wt.%时的35.42%），表明LD渣在聚合物链中形成屏障，抑制热解过程中挥发物的逸出和链运动。

**5.5 差示扫描量热分析（DSC）**
玻璃化转变温度（T_g）随LD渣含量从纯聚酯的75.3°C逐步升至40 wt.%时的85.4°C（提高13.4%）。这是由于填料填充减少了聚合物自由体积，限制了链段运动。比热容从纯聚酯的0.836 kJ/kg-K升至40 wt.%时的1.084 kJ/kg-K（提高29.6%），表明复合材料在达到T_g前能吸收更多热能，拓宽了工作温度范围。

**5.6 冲蚀磨损分析**
基于Taguchi L₂₅正交阵列的试验结果分析表明：影响冲蚀磨损率的主次顺序为：填料含量 > 冲击速度 > 冲击角度 > 侵蚀温度。最佳组合为A₁-B₅-C₅-D₂（冲击速度32 m/s、冲击角度90°、填料含量40 wt.%、侵蚀温度40°C），此时冲蚀率最低。S/N比响应表显示填料含量最具影响力（Delta=3.05），其次是冲击速度（Delta=2.06），侵蚀温度影响最小（Delta=0.12）。

**5.7 利用ANN预测冲蚀率**
构建三层ANN模型（输入层4个节点：冲击速度、冲击角度、填料含量、侵蚀温度；隐藏层10个节点；输出层1个节点），采用75%数据进行训练、25%测试。实验值与ANN预测值对比显示误差均在9%以内。预测曲线表明：冲蚀率随冲击速度呈指数增加；随冲击角度先增后减，在60°时达到峰值。

**总结讨论与结论**
综合讨论：填料含量是决定力学和热学性能的关键因素，低含量时增强作用明显，高含量时因团聚导致局部应力集中和界面缺陷，使拉伸和弯曲强度下降；但压缩强度和硬度因加载方向有利于“愈合”内部缺陷而持续提升。热学性能的提升归因于填料的高热导率和限制链运动能力，同时导热网络在高含量时更有效。冲蚀磨损受填料含量影响最大，填料增加提高了表面硬度和抗冲蚀能力，而冲击速度增加则加剧破坏。

**结论（翻译自原文）**
在本次研究中，开发了一种由聚酯和微米级LD渣组成的新型复合材料，并在不同填料含量下对复合材料性能进行了研究。聚酯的密度随LD渣含量增加而升高，最大值达到1.481 g/cm3。拉伸强度和弯曲强度在30 wt.%时达到最大值，分别为37.8 MPa和59.2 MPa，更高LD渣含量时强度下降。相反，压缩强度和硬度随填料含量增加直至40 wt.%时仍持续提高，报告的最大值分别为98.7 MPa和86 Shore-D。热学性能也得到了改善：最高热导率为0.453 W/m-K，玻璃化转变温度达到85.4°C。此外，聚酯基复合材料的比热容呈逐步增加趋势，在最高填料含量时达到峰值1.084 kJ/kg·°C。田口实验设计被有效地用于检验这些复合材料的固体颗粒冲蚀特性。结果显示，按影响冲蚀磨损率的重要性降序排列为：填料含量和冲击速度，其次是冲击角度和侵蚀温度。ANN导出的预测值与实验值显示出良好的一致性，误差百分比在允许范围内。所开发复合材料的均衡性能使其适用于轻型结构部件、汽车内饰和发动机舱部件、工业面板、防护罩、外壳组件以及其他需要适度力学性能并兼顾热管理的应用场景。