新加坡科學傢將廢舊輪胎橡膠轉換為多用途氣凝膠

除瞭日常聽到的“白色污染”,此外還有“彩色污染”——廢棄紡織品污染,“黑色污染”——橡膠輪胎污染。每年,全世界產生約十幾億個廢舊輪胎,雖然橡膠輪胎非常耐用,但是一旦廢棄就無法生物降解。目前,隻有40%的廢舊輪胎被回收成低附加值的產品;49%被焚燒,但是燃燒橡膠會產生有毒物質,危害健康和安全;還有11%被填埋,然而填埋是不可持續的,因為垃圾填埋場已經用完瞭,而且產生的滲濾液會對環境和土地造成嚴重污染。

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雖然有40%的廢舊橡膠輪胎被回收利用瞭,但全世界的回收率仍然很低,因為加工廢舊輪胎的成本高昂且能源消耗大。如今,廢舊輪胎處理已經成為世界性難題。

氣凝膠的潛在市場巨大,到2022年,全球汽車隔熱和隔音解市場預計將達到32億美元;全球漏油管理市場研究小組資深成員Nhan Phan-Thien教授補充說:“到2025年,這一數字有望達到1827億美元。”

近期,受當前潛在市場和環境問題的影響,新加坡國立大學Duong Hai-Minh副教授首次成功地將廢舊輪胎轉化為橡膠氣凝膠。將廢舊輪胎中的再生汽車輪胎纖維(RCTF)成功地制作為一種新型的橡膠氣凝膠,並全面研究瞭形態和性能,具有優異的隔熱、隔音及吸油性能。同時,該橡膠氣凝膠制造過程簡單,可以輕松擴大規模以進行批量生產。這些優異的性能使該橡膠氣凝膠成為具有商業吸引力的產品,具有在高價值工程領域應用的潛力。

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橡膠氣凝膠的制造

研究人員首先將原始RCTF制成更細的纖維;然後按RCTF(1.0μg)、PV

A溶液(10μmL,0.05μg/ mL)、GA溶液(50μL,25%)和H2O(80μmL)的比例混合超聲;再將混合物在85°C的溫度下固化;最後通過冷凍幹燥,得到橡膠氣凝膠。

該橡膠氣凝膠的制造過程簡單,經濟高效且環保,整個制作過程僅需12到13個小時,生產一張面積1m2,厚度1cm的橡膠氣凝膠隻需不到50人民幣,可以輕松擴大規模以進行批量生產。

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橡膠氣凝膠的形態和結構

顯示瞭來自廢棄輪胎的RCTF和所得的橡膠氣凝膠,可以看出制備的橡膠氣凝膠非常柔軟。圖d的反應機理顯示,在制備過程中添加的PVA使聚合物纖維的羥基與PVA鏈之間形成氫鍵;GA有助於在聚合物氧化物基團和PVA鏈之間形成縮醛橋,進一步增強橡膠氣凝膠的強度

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圖1. 橡膠氣凝膠的形態和制作機理

吸油性能

該橡膠氣凝膠具有低密度和高孔隙率的特性,這是由於PVA/GA交聯劑的擴散與RCTF表面反應形成縮醛和酯鍵,從而產生多孔結構。

這種高度多孔的特性使其成為清除溢油的良好吸收劑,它的吸收性是常規吸收劑的兩倍,可以在幾分鐘之內將溢油完全吸收到橡膠氣凝膠內部。

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圖2. 吸油性能測試

吸音性能

研究人員制備的橡膠氣凝膠具有較大的纖維間接觸面積和纖維纏結,因此表面摩擦性強,傳播的聲波會產生能量損失,並且由於大量的內部反射而導致的內部摩擦損失也會增加,因此對聲音的吸收增加。該橡膠氣凝膠比相同厚度的商用泡沫吸收劑的效果高27%。

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圖3. 橡膠氣凝膠的吸聲系數曲線

隔熱性能

在防火應用中,實用的隔熱材料需要具有很高的熱穩定性。該橡膠氣凝膠具有很高的耐熱性,一塊厚度為一英寸(2.54厘米)的橡膠氣凝膠的傳熱極限相當於25個標準玻璃窗玻璃,能夠滿足在防火領域中的應用。

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圖4. 橡膠氣凝膠的熱失重曲線

高度耐用性

大多數氣凝膠都非常脆且易碎,但是該橡膠氣凝膠在壓縮後可以彈回其原始形狀,而不是發生塑性變形,這表明它們具有良好的耐用性。這種獨特的性能使其適合在多個領域用作絕緣材料,工業領域如煉油廠、工業建築等,日常生活領域如冰箱、鞋子、衣物等。

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圖5. 橡膠氣凝膠的壓縮應變曲線

由新加坡國立大學Duong Hai-Minh副教授和Nhan Phan-Thien教授領導的團隊首先將廢棄的汽車輪胎切成細橡膠纖維。然後將那些纖維浸入由水和少量“生態友好型”溶劑組成的溶液中,後者使纖維彼此交聯。機械攪拌該混合物20分鐘,形成凝膠,其中連接的纖維均勻地懸浮在其中。然後將該凝膠倒入模具中,並在-50C(-58F)的溫度下冷凍幹燥12個小時。

據稱所得的固體橡膠氣凝膠非常輕巧,吸收性強(可用於吸收漏油),並提供出色的隔熱和隔音性能。另外,與傳統的易碎的氣凝膠不同,該氣凝膠被認為具有很高的耐用性。如果塗有稱為甲氧基三甲基矽烷的化學物質,也可以使其具有防水性。

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Hai-Minh說:“制造過程簡單,經濟高效且環保。整個生產過程需要12到13個小時才能完成,生產一塊尺寸為1平方米且1厘米厚的橡膠氣凝膠的成本不到10新幣。該工藝還可以很容易地擴大規模以進行批量生產,這使橡膠氣凝膠成為具有商業吸引力的產品。”

在本篇文章中,研究人員開發出一種新型的具有成本效益的橡膠氣凝膠制造技術,首次成功地將廢舊輪胎轉化為橡膠氣凝膠,並且通過瞭隔熱、隔音及吸油等性能的測試,並且與由纖維素/棉/塑料等為原料開發的氣凝膠性能相同。我們相信,這項技術將為廢棄輪胎的處理提供一種全新的方法,並且有望推動將其他類型廢料轉化為氣凝膠的技術發展。

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