蓋世汽車訊 據外媒報道，最近在《材料》（Materials）雜志上發表的一篇綜述中，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。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/環氧復合材料可用作純環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、防護涂層和熱穩定結構復合材料。基于不同的納米填充物比例，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ZnO顆粒，及其在環氧涂層中作為填料的應用。將所得結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顆粒混合到環氧熱固性樹脂中，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作為環氧熱固性樹脂填料的潛在優勢。這些樹脂被用作通過樹脂灌注技術制造的復合材料的基質，以用于航空結構，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陶瓷納米顆粒進行了比較。

觀察結果

未處理的環氧熱固性材料的平均粗糙度為1.30 ± 0.16 μm。在1.4–1.6 μm區間內，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。由于掃描熱固化效率的提高，純環氧樹脂的初始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構，正方形的底邊小于100 nm，高度高達500 nm。

在環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境。除了陶瓷氧化物不同，填料的具體形態和尺寸也不同。

商用TiO2納米顆粒，是較小的球形納米顆粒。回收的ZnO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%），同時改善了環氧樹脂的屏障效應。這導致水擴散系數降低了<21%，同時保持最大吸水率。經過熱處理后，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。

結論

綜上所述，此項研究表明，根據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，還發現環氧復合材料具有與純環氧熱固性材料相同的水熱彈性。

加入陶瓷氧化物顆粒，使水擴散系數略有降低。氧化物陶瓷顆粒可提高水滴的接觸角，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相關的酸氧化產生的，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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