回收轮胎橡胶增强热塑性聚氨酯复合材料的力学性能与生态效率

《Environmental Science: Advances》：Mechanical performance and eco-efficiency of thermoplastic polyurethane composites reinforced with recycled tire rubberOpen Access

　　

废弃轮胎的积累构成了一个重大的环境挑战，因为高价值回收途径仍然有限。本研究采用3 × 3因子设计，考察了含有胶粉（CR）的热塑性聚氨酯（TPU）复合材料，粒径范围为177–840 μm，CR含量为10–25 wt%。与纯TPU相比，CR增加了刚度和邵氏A硬度，而较高的填充量通常会降低屈服应力、屈服伸长率、撕裂性能和耐磨性。在20 wt% CR配方中，TPU80-CR20-500表现出平衡的力学响应：杨氏模量从1.78 MPa增加到4.77 MPa（+168%），邵氏A硬度从67.6增加到70.0（+3.6%），而屈服应力和屈服伸长率分别从14.54 MPa降至4.92 MPa（?66.2%）、从1234%降至587%（?52.4%）。TPU90-CR10-840在复合材料中表现出最低的磨耗损失和最高的耐久性因子（DF = 1.59）。扫描电子显微镜（SEM）定性地将这些差异归因于与粒径相关的分散性、界面缺陷和颗粒脱粘。相对于传统的TPU-炭黑复合材料，在25 wt% CR时碳足迹从6.59 kg CO₂-eq kg^?1降至5.28 kg CO₂-eq kg^?1，尽管耐久性损失限制了最大化回收含量的益处。因此，TPU90-CR10-840实现了最高的耐久性调整生态效率（EEI = 0.261），而TPU80-CR20-500提供了更高的回收橡胶含量和相对平衡的力学性能。这些结果表明，在循环TPU-CR设计中，应综合考虑回收含量、性能、耐久性和环境影响。

# 回收轮胎橡胶增强热塑性聚氨酯复合材料的力学性能与生态效率研究解读

## 研究背景与意义

全球每年约15亿条轮胎被废弃，废旧轮胎因交联橡胶结构难以降解，填埋或焚烧产生显著环境负担。现有回收途径多为低价值利用或能量回收，缺乏高价值材料循环策略。将废旧轮胎制成胶粉（CR）并掺入热塑性聚氨酯（TPU）是一种潜在的高值化路径。TPU具有弹性、耐磨、韧性和可熔融加工性，适合制鞋、密封件等应用。然而，CR表面为交联橡胶，与TPU界面相容性差，导致应力传递效率低、易脱粘。已有研究多针对聚烯烃、泡沫或沥青体系，且往往单独考察粒径或含量，未在统一加工路线下系统评估未处理CR粒径和含量对TPU复合材料综合性能的影响。为此，研究人员采用3×3因子设计，结合挤出-注塑工艺，系统研究CR粒径（177、500、840 μm）和含量（10、20、25 wt%）对TPU复合材料力学、摩擦学、理化、热稳定、形貌和环境足迹的影响，旨在建立性能设计窗口，推动废旧轮胎橡胶的循环利用。该研究发表于《Environmental Science: Advances》。

## 研究方法概述

研究人员使用商业聚酯型TPU（AVALON? 65 AB，邵氏A 67）和来自厄瓜多尔普恩博（Puembo）轮胎回收设施的CR。通过筛分将CR分为177、500、840 μm三个粒径等级。采用同向双螺杆挤出机熔融共混后注塑成型。测试方法包括：ASTM D412拉伸测试、ASTM D1004撕裂测试、ASTM D2240邵氏A硬度、INEN 1924旋转磨耗试验、水浸泡（15天）和汽油浸泡（72小时）质量变化测试、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）断口观察。环境评估遵循ISO 14040/14044，计算碳足迹（CF），并定义耐久性因子（DF）和生态效率指标（EEI）。

## 研究结果

### 3.1 胶粉表征

通过筛分分析，原料CR的粒径分布以中等粒径为主，两次取样结果一致，表明原料批次均匀性较好。

### 3.2 复合材料力学性能

#### 3.2.1 拉伸行为

拉伸测试表明，所有复合材料的杨氏模量均高于纯TPU，但屈服应力和屈服伸长率下降。CR含量从10%增至25%导致屈服性能逐步降低，模量增加相对较小。500 μm粒径在屈服性能方面表现较平衡，TPU80-CR20-500模量从1.78 MPa增至4.77 MPa（+168%），屈服应力从14.54 MPa降至4.92 MPa（?66.2%），屈服伸长率从1234%降至587%（?52.4%）。SEM显示细颗粒界面缺陷多，粗颗粒形成应力集中，中间粒径界面接触较连续。

#### 3.2.2 撕裂性能

撕裂测试中，纯TPU的撕裂强度和最大延伸最高，复合材料均下降。CR含量增加使撕裂性能逐步降低。500 μm粒径的撕裂响应相对最好，这与中间粒径减少界面缺陷有关。

#### 3.2.3 邵氏A硬度

硬度计测试显示，所有复合材料的邵氏A硬度均高于纯TPU，增加约2–9个单位。177 μm粒径硬度最高，500 μm粒径较低，颗粒尺寸的影响非单调。硬度与杨氏模量变化趋势不完全一致，因两者测试原理不同。

#### 3.2.4 耐磨性

旋转磨耗试验中，CR含量增加通常增大体积损失。但TPU90-CR10-840的磨耗损失低于纯TPU，且具有最高耐久性因子（DF=1.59）。在20 wt%系列中，500 μm粒径的磨耗损失最低。耐磨性与界面脱粘和颗粒拔出有关。

### 3.3 理化行为

#### 3.3.1 水浸泡后质量增加

15天水浸泡后，质量增加随CR含量增加而增大。20–25 wt%时，177 μm粒径质量增加最高，840 μm最低，但10 wt%时无此规律。这可能与细颗粒界面面积大、微孔多有关。

#### 3.3.2 汽油中质量损失

汽油浸泡72小时后，质量损失随CR含量增加而增大，高含量时出现颗粒脱落。500 μm在20–25 wt%时质量损失较低，840 μm波动较大。汽油吸收导致溶胀和界面弱化。

### 3.4 热重分析

TGA表明，T₁₀（10%质量损失温度）在278–282 °C之间变化很小，CR对起始降解影响有限。T₅₀和T_max随CR含量增加而降低，900 °C残炭率从纯TPU的3.47%增至25 wt% CR的约13%，这与CR中炭黑和无机