废弃玻璃钢破碎—分级资源化利用研究

作     者：刘媛 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张素风

授予年度：2017年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：玻璃钢废弃物 物理回收 复合材料 资源化 力学性能 

摘      要：玻璃钢复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastics,GFRP)被广泛应用于建筑、化学化工、交通运输及通讯工程等行业,同时也造成废弃物量增加。作为一种危害与价值并存的物质,玻璃钢废弃物(Waste GFRP,WGFRP)具有重要的回收利用价值。基于循环经济和资源再利用的背景,本研究尝试采用破碎-分级利用加填的方式利用WGFRP材料,实现变废为宝。主要研究内容如下:(1)对WGFRP进行破碎-分级处理,并研究其形态、粒径等特性。通过粉碎和筛分处理,得到三组不同形态的WGFRP颗粒,按照粒级大小分别记为WGFRP-C、WGFRP-M、WGFRP-F。分析了形态、粒径及其分布等性能。采用煅烧法测定WGFRP中各个组分含量,结果表明WGFRP主要由有机树脂和玻璃纤维组成,其中玻璃纤维占比重50-60%。实验测得WGFRP粉末与水的接触角为157.9°,显示出疏水性。采用红外分析WGFRP中有机物成分官能团为选择基体材料提供依据。(2)将玻璃钢颗粒作为填料,以聚丙烯(PP)作为基体树脂,通过熔融共混-模压法制备PP基复合材料(WGFRP/PP)。探究了WGFRP在未经处理的前提下,不同形态和添加量对复合材料力学性能、断面形貌、热稳定性和结晶性能的影响。WGFRP/PP复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度随WGFRP填充量的增加而减小,弹性模量、弯曲强度、弯曲模量变化趋势与之相反。当WGFRP-C添加量为20%时,材料的弹性模量、弯曲强度、弯曲模量增长率分别为189%、38%、60%。WGFRP有利于提高复合材料的热稳定性和相对结晶度,材料熔融峰温度略有降低,结晶时间相比PP提前,结晶温度有所提升。(3)采用相容剂和增韧剂改善WGFRP/PP复合材料力学性能。经硅烷偶联剂(KH550)与马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)协同改性后,复合材料拉伸和弯曲强度分别为25.95MPa和36.4MPa,增幅为20.03%和27.94%。熔融温度和熔融焓均有所增加。改性后,材料冲击断裂面显得粗糙并具有一定的屈服现象,填料与基体粘结紧密,材料断面结构密实。增韧剂聚烯烃弹性体(POE)的加入显著增加了材料的断裂伸长率和冲击强度。当POE含量为10%时,材料的断裂伸长率和冲击强度从133%和5.61kJ/m2分别提高到498%和12.1kJ/m2,增幅分别为274%和116%。经过系列优化工艺,复合材料性能提高,在资源化利用的基础上也具有了较好的应用前景。(4)为了拓宽WGFRP的再利用范围,尝试用WGFRP粉末代替传统填料,通过内部加填的方法与纤维进行混合,制备纸张。研究发现,由于WGFRP的表面疏水性和刚性阻碍了纤维间氢键的形成,在纸张中添加WGFRP会降低纸张的紧度和强度性能,当添加量小于10%,纸张的抗张指数下降缓慢,继续增加添加量,纸页强度降低幅度变大。在相同添加量下,小粒径玻璃钢对纸张强度造成的影响较小。相比于植物纤维纸,虽然添加玻璃钢也使得PET浆粕纸强度下降,但是玻璃钢中的玻璃纤维对PET纸在一定程度上也起到增强作用。玻璃钢粒径越大,所含玻璃纤维越长,增强效果越好。