蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，最近在《材料》（Materials）雜志上發(fā)表的一篇綜述中，研究人員討論了利用廢舊堿性電池中的氧化鋅來增強環(huán)氧樹脂復合材料。

陶瓷顆粒的FEG-SEM顯微圖：（a）商用TiO2；（b）商用ZnO和（c）回收ZnO。（圖片來源：MDPI）

背景

在當今社會，電池回收利用是一項嚴峻挑戰(zhàn)。除了進一步探討更有效的廢舊電池回收方法，應當鼓勵將回收材料用于制造電池或其他用途。

ZnO是一種有吸引力的材料，具有廣泛的應用。然而，由于資源有限，原始合成方法不多且有毒，生產(chǎn)ZnO顆粒的成本很高。因此，利用廢棄物來制備ZnO微粒，是值得探究的長期方案。

使用填料存在諸多缺陷，其中最重要的是難以使其分散。最近有人對原位（in situ）生產(chǎn)納米顆粒的概念進行研究，并取得了良好的分散效果。通過在熱固性基質(zhì)中加入ZnO填料，可以制備具有適當性能的納米復合材料。陶瓷顆粒/環(huán)氧復合材料可用作純環(huán)氧熱固性復合材料的表面涂層，以減少吸水率，提高建筑表面的力學性能。

關(guān)于這項研究

在此項研究中，研究人員提出，利用從廢舊電池中獲得的ZnO微粒，作為環(huán)氧樹脂填料。這些納米復合材料可用作顏料、防護涂層和熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)復合材料?；诓煌募{米填充物比例，制備了幾種填充回收ZnO和商用ZnO、TiO2納米顆粒的復合材料。

研究人員展示，通過回收廢舊堿性電池來開發(fā)ZnO顆粒，及其在環(huán)氧涂層中作為填料的應用。將所得結(jié)果與另外兩種商用陶瓷氧化物納米顆粒（即TiO2和ZnO）進行比較，以評估其有效性，并研究ZnO顆粒的幾何形狀和尺寸。將ZnO顆?；旌系江h(huán)氧熱固性樹脂中，以獲得良好的熱性能和力學性能。

該團隊將各種陶瓷微納米顆粒（基于ZnO和TiO2）填充到一種航空環(huán)氧熱固性樹脂中。其中一種ZnO顆粒是從耗盡的堿性電池中回收的。采用場發(fā)射槍掃描電子顯微鏡（FEG-SEM）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR），對所制備的納米顆粒進行表征，從而確定回收ZnO作為環(huán)氧熱固性樹脂填料的潛在優(yōu)勢。這些樹脂被用作通過樹脂灌注技術(shù)制造的復合材料的基質(zhì)，以用于航空結(jié)構(gòu)，或作為保護涂層。研究人員還對回收ZnO的性能與其他昂貴的工業(yè)陶瓷納米顆粒進行了比較。

觀察結(jié)果

未處理的環(huán)氧熱固性材料的平均粗糙度為1.30 ± 0.16 μm。在1.4–1.6 μm區(qū)間內(nèi)，隨著陶瓷顆粒的加入，粗糙度略有增加。當對復合材料表面進行化學腐蝕處理時，其粗糙度急劇增加，約在3.2-4.2μm范圍內(nèi)。由于掃描熱固化效率的提高，純環(huán)氧樹脂的初始Tg溫度為139℃，隨后的掃描溫度逐漸攀升至142℃。商用ZnO納米顆粒呈長方體結(jié)構(gòu)，正方形的底邊小于100 nm，高度高達500 nm。

在環(huán)氧樹脂中加入陶瓷納米填料，如ZnO或/和TiO2，可以改善力學性能和熱性能，以及疏水性和硬度，當然這也取決于各種環(huán)境。除了陶瓷氧化物不同，填料的具體形態(tài)和尺寸也不同。

商用TiO2納米顆粒，是較小的球形納米顆粒?；厥盏腪nO是“沙漠玫瑰”狀的微粒等。使用陶瓷填料后，玻璃軟化溫度（Tg）略有升高（<2%），同時改善了環(huán)氧樹脂的屏障效應。這導致水擴散系數(shù)降低了<21%，同時保持最大吸水率。經(jīng)過熱處理后，納米復合材料的吸水性完全可逆，并恢復了原來的熱力學行為。

當陶瓷顆粒存在時，其水接觸角（WCA）增加了12%。但是，當通過回收的花狀ZnO微粒增強的環(huán)氧樹脂被酸性硬脂酸和醋酸腐蝕時，其疏水性達到最高（35%）。這會導致表面的ZnO腐蝕，從而增加表面粗糙度。沙漠玫瑰狀ZnO顆粒的存在，增強了荷葉效應。

結(jié)論

綜上所述，此項研究表明，根據(jù)Tg和儲能模量評估，使用所提出的陶瓷填料，對熱固性材料的熱強度和機械剛度的影響可以忽略不計。此外，還發(fā)現(xiàn)環(huán)氧復合材料具有與純環(huán)氧熱固性材料相同的水熱彈性。

加入陶瓷氧化物顆粒，使水擴散系數(shù)略有降低。氧化物陶瓷顆?？商岣咚蔚慕佑|角，從而能夠檢測表面疏水性。當用硬脂酸和醋酸對表面進行化學處理時，這種增強效果更加明顯。由于其最大粗糙度是通過荷葉效應和與沙漠玫瑰狀形態(tài)相關(guān)的酸氧化產(chǎn)生的，這種通過回收ZnO顆粒增強的復合材料具有最高的WCA及疏水性。

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