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塑料技术论文
丁腈木素(ABL) -一种比ABS更坚韧的可塑韧性材料

丁腈木素(ABL) -一种比ABS更坚韧的可塑韧性材料

橡树岭国家实验室能源部的研究人员通过木质素取代苯乙烯,制造出一种更好的热塑性塑料。木质素是一种易碎、坚硬的聚合物,与纤维素一起形成植物的木质细胞壁。为此,他们发明了一种无溶剂生产工艺,将分散在合成橡胶基体中的同等比例的纳米级木质素连接起来,生产出一种可熔化、可模压、延展性材料,其硬度至少是ABS的10倍。由此产生的热塑性塑料被称为ABL(丙烯腈-丁二烯-木质素);是可回收的,因为它可以被熔化三次,仍然表现良好。该研究结果发表在《高级功能材料》杂志上,可能会为不同的制造商带来更清洁、更便宜的原材料。
“新型ORNL热塑性塑料比ABS等普通塑料具有更好的性能,”ORNL材料科学与技术部门的资深作者阿米特·纳斯卡尔(Amit Naskar)说。他与合作发明人Chau Tran已经为这种新材料的制造过程申请了专利。“我们可以称其为绿色产品,因为其50%的成分是可再生的,使其商业化开发的技术将减少对石化产品的需求。

该技术可以利用生物精炼厂和纸浆和造纸厂产生的富含木质素的生物质副产品。随着天然气和石油价格的下降,可再生燃料无法与化石燃料竞争,因此生物炼制企业正在探索开发其他经济上可行的产品的选择。在植物的主要结构成分纤维素、半纤维素和木质素中,木质素是最未被充分利用的商业成分。俄勒冈州立大学的研究旨在将其用于生产一种可再生热塑性塑料,并将其商业化,这种热塑性塑料的性能可以与目前的石油衍生替代品相媲美。为了生产一种高效节能的方法来合成和挤压基于木质素的高性能热塑性弹性体,ORNL的团队需要回答几个问题:能否克服木质素原料的变化来生产性能优越的产品?木质素能整合到软聚合物基质中吗?木质素衍生聚合物的化学和物理能否被理解以更好地控制其性质?生产木质素类聚合物的过程能被改造吗?
“木质素是一种非常脆弱的天然聚合物,所以它需要增韧,”ORNL碳和复合材料小组的负责人Naskar解释道。该集团的一个主要目标是生产足够坚固和坚韧的工业聚合物,可以在不压裂的情况下变形。“我们需要将软物质与木质素进行化学结合。这种柔软的基质具有延展性,因此它具有延展性或可拉伸性。非常刚性的木质素段可以抵抗变形,从而提供刚度。”
并不是所有的木质素在热稳定性方面都是一样的。为了确定哪种类型的材料是最好的热塑性材料,科学家们评估了麦秆、松木等软木和橡树等硬木的木质素。他们发现硬木木质素是最热稳定的,而某些类型的软木木质素也是熔融稳定的。接下来,研究人员需要将木质素与软物质结合。化学家通常通过在溶剂存在的情况下合成聚合物来完成这一过程。因为木质素和一种含有丙烯腈和丁二烯的合成橡胶(称为丁腈橡胶)都有化学基团,其中电子分布不均匀,因此可能相互作用,Naskar和Chau Tran(他们进行了熔融混合和表征实验)试图将两者在没有溶剂的熔融相中结合。
在一个有两个转子的加热室内,研究人员“揉捏”了等量木质素粉和丁腈橡胶的熔融混合物。在混合过程中,木质素团块分解成10到200纳米的互穿层或片,这些层或片分散在橡胶中并与橡胶相互作用。在没有选择适当的软基质和混合条件的情况下,木质素团块的大小至少是ORNL工艺的10倍。所形成的产物既不具有木质素的特性,也不具有橡胶的特性,而是介于木质素的硬度和丁腈橡胶的弹性之间。
通过改变软基体中丙烯腈的含量,研究人员希望进一步改善材料的力学性能。他们尝试了33、41和51%的丙烯腈,发现41%的丙烯腈在韧性和刚度之间达到了最佳平衡。接下来,研究人员想知道是否控制加工条件可以改善聚合物合金的性能。例如,33%的丙烯腈含量产生了一种有弹性但不强的材料,表现得更像橡胶而不是塑料。在更高比例的丙烯腈中,研究人员发现,由于成分之间的有效相互作用,材料增强了。他们还想知道,为了优化材料性能,这些成分应该在什么温度下混合。他们发现在140到160摄氏度之间的加热元件形成了理想的混合相。

利用ORNL的资源,包括美国能源部科学用户设施办公室的纳米相材料科学中心,科学家们分析了共混物的形貌。扫描电子显微镜,由Chau Tran进行,探索材料的表面。Jihua Chen和Tran利用透射电子显微镜对软物质相进行了表征,将薄片材料置于电子束路径中,通过对比木质素和橡胶相的差异来揭示其结构。小角x射线散射揭示了某些畴或层大小的重复簇。傅里叶变换红外光谱识别化学官能团及其相互作用。
未来的研究将探索不同的原料,特别是来自生物精炼厂的原料,以及加工条件、材料结构和性能之间的相关性。研究还计划研究ORNL新型热塑性塑料在碳纤维增强复合材料中的性能。“未来可能会使用更多的可再生材料,”纳斯卡尔说。“我很高兴我们可以继续在可再生材料方面的工作,不仅用于汽车应用,甚至用于商品应用。”

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