解析混合塑料废物复合材料中的界面竞争：一种用于预测耐久性的传输-屏障耦合模型

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Deciphering interfacial competition in mixed plastic waste composites: a transport-barrier coupling model for predicting durability

　　摘要：混合塑料废物因其各组分之间严重的界面不相容性，难以直接进行升级回收利用。本研究采用了一种协同的界面工程策略，结合高密度聚乙烯接枝马来酸酐用于增容处理以及碳酸钙的添加，以此制备高性能木塑复合材料。所开发的混合材料（WPC-MC：63%重量比的混合塑料废物、30%重量比的木粉、2%重量比的高密度聚乙烯接枝马来酸酐以及5%重量比的碳酸钙）在机械性能和耐久性方面均有显著提升：弯曲强度提高了约86%（从15.2 MPa增至28.3 MPa），冲击强度提升了约56%（从3.2 kJ·m?2增至5.0 kJ·m?2），吸水率则下降了约30%（从13.8%降至9.6%），同时水分扩散系数也降低了约60%（从4.85×10??降至1.95×10?? mm2·s?1）。其结晶度从纯混合塑料废物的28.5%上升至WPC-MC的38.2%，表明链结构更加紧密，热稳定性也有提高，起始分解温度从240℃升至265℃。通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、热重分析以及差示扫描量热等分析方法，证实了该材料形成了致密且连续的界面层，化学键合更强（在1735 cm?1处出现酯键），缺陷密度降低（孔隙大小从10 μm缩小至小于2 μm）。为定量描述这一现象，本研究提出了半定量的界面传输屏障耦合模型，将界面结构与热传递和质量传递过程联系起来。此外，还引入了界面稳定性因子，将该材料的机械性能、润湿性以及传输阻力整合为一个统一的指标，该因子与扩散系数的相关性极强（R2=0.959），这一数值高于以往研究中的相关系数（R2=0.85–0.91）。这些结果表明，性能的提升得益于化学增容作用（羰基指数从0.05升至0.32）以及填料带来的结构复杂性（密度从1.02 g·cm?3升至1.23 g·cm?3）共同作用所形成的界面传输阻力控制。本研究为利用异质塑料废物设计出耐用且高价值的复合材料提供了理论依据，也为将城市塑料废物转化为可用于建筑、包装及户外领域的可持续结构材料提供了可行路径，从而助力循环经济与可持续废物利用的发展。