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新加坡科学家将废旧轮胎橡胶转换为多用途气凝胶

除了日常听到的“白色污染”,此外还有“彩色污染”——废弃纺织品污染,“黑色污染”——橡胶轮胎污染。每年,全世界产生约十几亿个废旧轮胎,虽然橡胶轮胎非常耐用,但是一旦废弃就无法生物降解。目前,只有40%的废旧轮胎被回收成低附加值的产品;49%被焚烧,但是燃烧橡胶会产生有毒物质,危害健康和安全;还有11%被填埋,然而填埋是不可持续的,因为垃圾填埋场已经用完了,而且产生的渗滤液会对环境和土地造成严重污染。

新加坡科学家将废旧轮胎橡胶转换为多用途气凝胶

虽然有40%的废旧橡胶轮胎被回收利用了,但全世界的回收率仍然很低,因为加工废旧轮胎的成本高昂且能源消耗大。如今,废旧轮胎处理已经成为世界性难题。

气凝胶的潜在市场巨大,到2022年,全球汽车隔热和隔音解市场预计将达到32亿美元;全球漏油管理市场研究小组资深成员Nhan Phan-Thien教授补充说:“到2025年,这一数字有望达到1827亿美元。”

近期,受当前潜在市场和环境问题的影响,新加坡国立大学Duong Hai-Minh副教授首次成功地将废旧轮胎转化为橡胶气凝胶。将废旧轮胎中的再生汽车轮胎纤维(RCTF)成功地制作为一种新型的橡胶气凝胶,并全面研究了形态和性能,具有优异的隔热、隔音及吸油性能。同时,该橡胶气凝胶制造过程简单,可以轻松扩大规模以进行批量生产。这些优异的性能使该橡胶气凝胶成为具有商业吸引力的产品,具有在高价值工程领域应用的潜力。

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橡胶气凝胶的制造

 

研究人员首先将原始RCTF制成更细的纤维;然后按RCTF(1.0μg)、PV

A溶液(10μmL,0.05μg/ mL)、GA溶液(50μL,25%)和H2O(80μmL)的比例混合超声;再将混合物在85°C的温度下固化;最后通过冷冻干燥,得到橡胶气凝胶。

该橡胶气凝胶的制造过程简单,经济高效且环保,整个制作过程仅需12到13个小时,生产一张面积1m2,厚度1cm的橡胶气凝胶只需不到50人民币,可以轻松扩大规模以进行批量生产。

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橡胶气凝胶的形态和结构

显示了来自废弃轮胎的RCTF和所得的橡胶气凝胶,可以看出制备的橡胶气凝胶非常柔软。图d的反应机理显示,在制备过程中添加的PVA使聚合物纤维的羟基与PVA链之间形成氢键;GA有助于在聚合物氧化物基团和PVA链之间形成缩醛桥,进一步增强橡胶气凝胶的强度

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图1. 橡胶气凝胶的形态和制作机理

吸油性能

该橡胶气凝胶具有低密度和高孔隙率的特性,这是由于PVA/GA交联剂的扩散与RCTF表面反应形成缩醛和酯键,从而产生多孔结构。

这种高度多孔的特性使其成为清除溢油的良好吸收剂,它的吸收性是常规吸收剂的两倍,可以在几分钟之内将溢油完全吸收到橡胶气凝胶内部。

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图2. 吸油性能测试

 

吸音性能

研究人员制备的橡胶气凝胶具有较大的纤维间接触面积和纤维缠结,因此表面摩擦性强,传播的声波会产生能量损失,并且由于大量的内部反射而导致的内部摩擦损失也会增加,因此对声音的吸收增加。该橡胶气凝胶比相同厚度的商用泡沫吸收剂的效果高27%。

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图3. 橡胶气凝胶的吸声系数曲线

 

隔热性能

在防火应用中,实用的隔热材料需要具有很高的热稳定性。该橡胶气凝胶具有很高的耐热性,一块厚度为一英寸(2.54厘米)的橡胶气凝胶的传热极限相当于25个标准玻璃窗玻璃,能够满足在防火领域中的应用。

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图4. 橡胶气凝胶的热失重曲线

 

高度耐用性

大多数气凝胶都非常脆且易碎,但是该橡胶气凝胶在压缩后可以弹回其原始形状,而不是发生塑性变形,这表明它们具有良好的耐用性这种独特的性能使其适合在多个领域用作绝缘材料,工业领域如炼油厂、工业建筑等,日常生活领域如冰箱、鞋子、衣物等。

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图5. 橡胶气凝胶的压缩应变曲线

 

由新加坡国立大学Duong Hai-Minh副教授和Nhan Phan-Thien教授领导的团队首先将废弃的汽车轮胎切成细橡胶纤维。然后将那些纤维浸入由水和少量“生态友好型”溶剂组成的溶液中,后者使纤维彼此交联。机械搅拌该混合物20分钟,形成凝胶,其中连接的纤维均匀地悬浮在其中。然后将该凝胶倒入模具中,并在-50C(-58F)的温度下冷冻干燥12个小时。

据称所得的固体橡胶气凝胶非常轻巧,吸收性强(可用于吸收漏油),并提供出色的隔热和隔音性能。另外,与传统的易碎的气凝胶不同,该气凝胶被认为具有很高的耐用性。如果涂有称为甲氧基三甲基硅烷的化学物质,也可以使其具有防水性。

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Hai-Minh说:“制造过程简单,经济高效且环保。整个生产过程需要12到13个小时才能完成,生产一块尺寸为1平方米且1厘米厚的橡胶气凝胶的成本不到10新币。该工艺还可以很容易地扩大规模以进行批量生产,这使橡胶气凝胶成为具有商业吸引力的产品。”

在本篇文章中,研究人员开发出一种新型的具有成本效益的橡胶气凝胶制造技术,首次成功地将废旧轮胎转化为橡胶气凝胶,并且通过了隔热、隔音及吸油等性能的测试,并且与由纤维素/棉/塑料等为原料开发的气凝胶性能相同。我们相信,这项技术将为废弃轮胎的处理提供一种全新的方法,并且有望推动将其他类型废料转化为气凝胶的技术发展。

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