玻璃微珠在填充聚丙烯基復(fù)合材料中分散效果的分形定量表征*

吳成寶，劉傳生，陳崢華，梁基照

(1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院，廣州 510430； 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640；3.廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)地勤服務(wù)有限公司機(jī)務(wù)工程部，廣州 510470)

玻璃微珠在填充聚丙烯基復(fù)合材料中分散效果的分形定量表征*

吳成寶1，2，劉傳生1，陳崢華3，梁基照2

(1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院，廣州 510430； 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640；3.廣州白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)地勤服務(wù)有限公司機(jī)務(wù)工程部，廣州 510470)

用熔融共混法將玻璃微珠(GB)填充到聚丙烯(PP)中制備PP／GB復(fù)合材料，通過(guò)沖擊試驗(yàn)獲得復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度及其斷面，采用掃描電子顯微鏡觀察了斷面中GB在PP基體中的分散形態(tài)，應(yīng)用分散分形維數(shù)(Dd)的分形模型和圖像處理軟件測(cè)算了GB在PP中的Dd。結(jié)果表明，GB在PP中的分散形態(tài)具有顯著的分形特征，Dd可以定量表征GB在PP基體中的分散效果；GB的Dd先隨體積分?jǐn)?shù)(φf(shuō))的增加而減小，當(dāng)φf(shuō)為11%時(shí)，Dd達(dá)到最小值，其中改性GB的Dd為1.474，未改性GB 的Dd為1.503；隨后則隨φf(shuō)的增加而增大；在相同的φf(shuō)條件下，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性的GB有較小的Dd；Dd越接近1.5，則GB在PP基體內(nèi)的分散越均勻，其填充的PP復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度越高，韌性越好。

玻璃微珠；聚丙烯；復(fù)合材料；分散；分形

聚丙烯(PP)是一種熱塑性通用樹脂，因其相對(duì)密度低、來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、電絕緣性和耐疲勞性好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良、力學(xué)性能良好、耐熱性較高、可采用擠出和注塑以及與這兩種加工方法相關(guān)的吹塑成型加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)航空制品、薄膜、汽車、家用電器等領(lǐng)域。但PP存在著低溫脆性大、剛性低、收縮率大和容易老化等嚴(yán)重缺點(diǎn)，從而限制了其應(yīng)用。因而，如何改善PP的綜合力學(xué)性能一直備受關(guān)注[1–5]。

應(yīng)用硬質(zhì)無(wú)機(jī)粒子(RIP)填充不僅可以有效地提高PP基復(fù)合材料的剛度、彈性模量、尺寸穩(wěn)定性，并可生產(chǎn)質(zhì)輕、耐腐蝕、吸音隔熱、設(shè)計(jì)和成型自由度大的產(chǎn)品，同時(shí)還可以大幅度地降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，受到高度重視。目前常用的無(wú)機(jī)填料主要包括碳酸鈣[6]、高嶺土[7]、礬土[7]、云母[8]、玻璃微珠(GB)[9]等，其中，GB不僅具有質(zhì)輕、低導(dǎo)熱、較高的強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，其表面經(jīng)過(guò)特殊處理具有親油憎水性能，非常容易分散于有機(jī)材料體系中，而且，其形狀近似光滑的球形。因此，在相同的條件下，GB填充PP復(fù)合材料較其它粒子具有更小的內(nèi)應(yīng)力，從而使得復(fù)合材料具有優(yōu)良的性能[9]。除形態(tài)、粒徑及粒度分布、含量和粒子與樹脂基體界面層形態(tài)外，GB粒子在基體內(nèi)的分散狀態(tài)對(duì)PP／GB復(fù)合材料的性能具有顯著影響[10–14]。一般而言，對(duì)于同一種粒子，在不同填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，其在基體內(nèi)的分散狀態(tài)是不同的，即便是相同的填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由于加工溫度、加工壓力等成型加工參數(shù)的不同，粒子在基體內(nèi)的分散均勻性也不一樣。所以，如果能夠合理地表征GB粒子在樹脂基體中的分散狀況，將有利于考察GB粒子在基體內(nèi)的分散狀態(tài)與填充復(fù)合材料的力學(xué)性能的關(guān)系，進(jìn)而用分散度來(lái)評(píng)價(jià)材料配方的優(yōu)劣性和加工工藝的合理性。

為了考察無(wú)機(jī)粒子在基體內(nèi)的分散效果，一是通過(guò)拍攝和觀察填充復(fù)合材料斷面中粒子的分散狀態(tài)，并通常用分散、團(tuán)聚和分散不均等詞匯描述；二是用統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，如分散度[15–16]、分散度指數(shù)[17]等來(lái)表征；三是用分形維數(shù)來(lái)定量描述。第一類方法雖然直觀，但是并不能定量地表征粒子在基體內(nèi)的分散情況。第二類方法參數(shù)太多，不利于合理選擇；有些參數(shù)之間的相關(guān)性太大，同時(shí)使用不能提供更多的表面形貌信息；由于表面高度變化的非穩(wěn)定隨機(jī)性，使得基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的表征參數(shù)隨測(cè)量條件的變化而表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，因此統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)不足以表征斷面形貌的復(fù)雜性?；诜中卫碚摶A(chǔ)的第三類方法可以定量描述斷面呈現(xiàn)出的自相似性和自放射性特征。2004年，陳芳等[18]進(jìn)行了基于分形的納米復(fù)合材料分散相分散均勻性研究，跨出了用分形理論研究無(wú)機(jī)粒子在基體內(nèi)分散均勻性的第一步。但是，其計(jì)算原理和分析過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，求算過(guò)程繁瑣。王麗[19]觀測(cè)了納米CaCO3粒子在填充PP復(fù)合材料斷面中的分散狀態(tài)，并用分形維數(shù)實(shí)現(xiàn)了分散均勻性的定量表征。

筆者根據(jù)上述分形理論應(yīng)用的研究成果[18–19]，采用圖像處理方法和基于該方法構(gòu)建的分形維數(shù)計(jì)算模型，測(cè)算GB粒子在PP樹脂基體中分散狀態(tài)的分形維數(shù)，并進(jìn)一步考察GB的分散分形維數(shù)與填充PP復(fù)合材料沖擊性能的相互關(guān)系。對(duì)研究樹脂基體內(nèi)粒子的分散效果對(duì)PP復(fù)合材料的性能的影響具有非常重要的意義。

1 分形維數(shù)的求算模型及其測(cè)算方法

1.1 分形模型的構(gòu)建

根據(jù)分形理論中的砂盒法原理，可建立無(wú)機(jī)粒子在聚合物基體內(nèi)分散的分形模型。具體方法如下[19–20]：在掃描電子顯微鏡(SEM)圖像上任意位置畫一半徑為r1的圓形盒子(在SEM圖上表現(xiàn)為一個(gè)平面圓)，選定一個(gè)原點(diǎn)x1，計(jì)算該盒子內(nèi)無(wú)機(jī)粒子的個(gè)數(shù)M1(x1)，再選第2個(gè)原點(diǎn)x2，測(cè)出M2(x2)，依次共選n個(gè)原點(diǎn)，則其均值可由下式確定：

類似地，選擇r2，r3，……，ri，可求出相應(yīng)的M2，M3，……，Mi。

顯然，M是r的函數(shù)，即M(r)=f(r)。若粒子的分布為線性，則M(r)∝r1；若點(diǎn)的分布為平面，則M(r)∝r2；若點(diǎn)的分布為三維空間，則M(r)∝r3。故其一般形式可表述為：

或

兩邊分別取對(duì)數(shù)，得：

式中：Dd——無(wú)機(jī)粒子分散分形維數(shù)。

式(4)即為考慮無(wú)機(jī)粒子在連續(xù)尺度域(面積)內(nèi)的個(gè)數(shù)的變化情況，是求算無(wú)機(jī)粒子在基體內(nèi)的Dd的分形模型。

1.2 測(cè)算方法

用Image Pro-Plus (IPP)圖像分析軟件的局部圖像劃分工具，在沖擊斷面的SEM圖上，任意選取3個(gè)質(zhì)點(diǎn)為圓心，根據(jù)圖上比例尺，取一定半徑畫圓，計(jì)算該圓中的GB粒子的數(shù)目，移動(dòng)該圓至任一位置，并計(jì)算圓中GB粒子的數(shù)目，計(jì)算不同位置的圓中GB粒子的數(shù)目。改變圓的半徑，重復(fù)上述操作，計(jì)算GB粒子的數(shù)目，連續(xù)改變圓的半徑6次，得到不同半徑條件下的圓中無(wú)機(jī)粒子的平均值。按照式(4)計(jì)算Dd值。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原材料

PP粉料：CJS–700，熔體流動(dòng)速率為8.0～15.0 g／(10 min)，密度為0.910 g／cm3，廣州石化有限公司；

GB：粒度小于1 mm的實(shí)心球體，密度為2.60 g／cm3，球形率為85%，折光率為27.79%，平均粒度為33.96 μm，比表面積為74.41 m2／kg，由81% SiO2，2% Al2O3，11% B2O3，4% Na2O及2% BaO組成，廣州兆通玻璃微珠商行；

硅烷偶聯(lián)劑：KH–550，南京翔飛化學(xué)研究所。

2.2 主要儀器與設(shè)備

高速混合機(jī)：SHR–10A型，張家港市亞通機(jī)械有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)：SLJK型，螺桿直徑為35 mm，長(zhǎng)徑比為28，成都科強(qiáng)高分子工程公司；

注塑機(jī)：TTI–160F型，東華機(jī)械有限公司；

干燥箱：DL–204S型，天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；

簡(jiǎn)支梁擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)：XJJ–5型，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)：S–3700型，日本日立公司。

2.3 GB的表面改性

首先將硅烷類偶聯(lián)劑按體積比1∶5溶解于乙醇中，然后將偶聯(lián)劑溶液按質(zhì)量比1∶100的比例與GB在2 000 r／min速度條件下高速混合10 min。經(jīng)表面改性后，GB粒子的折光率為34.47%，平均粒徑為20.26 cm，比表面積為123.22 m2／kg。

2.4 試樣制備

將PP粉料與未改性或偶聯(lián)劑改性的GB充分混合、擠出(螺桿轉(zhuǎn)速為30 r／min，擠出溫度為170～220℃，其中第Ⅰ、第Ⅱ段溫度為170℃，第Ⅲ至第Ⅷ段溫度為180℃，第Ⅸ段溫度，即機(jī)頭溫度為180℃，第Ⅹ和Ⅺ段物料溫度為220℃，口模溫度為180℃)、造粒，然后烘干粒料，GB填充體積分?jǐn)?shù)(φf(shuō))分別為5%，8%，11%，14%和18%。其中，改性GB填充的PP復(fù)合材料被命名為PP／GB1，未改性GB填充PP復(fù)合材料命名為PP／GB2。最后，應(yīng)用注塑機(jī)制備沖擊試樣，注射溫度為190～210℃，注塑壓力為6～8 MPa，注射時(shí)間為14 s，冷卻時(shí)間為20 s。

2.5 性能測(cè)試

沖擊強(qiáng)度按ASTM D256–2010測(cè)試；

用SEM觀測(cè)復(fù)合材料沖擊斷口的形貌。在觀測(cè)之前，在沖擊斷口表面噴一薄層金。

3 結(jié)果與討論

3.1 沖擊斷面SEM圖像

通過(guò)SEM對(duì)PP／GB復(fù)合材料中GB的分散效果進(jìn)行觀察，是最為直觀的研究GB分散效果的方法之一。純PP及PP／GB復(fù)合材料的沖擊斷面的SEM照片分別如圖1、圖2所示。

對(duì)于GB填充PP復(fù)合材料，GB粒子的加入增加了材料內(nèi)部的應(yīng)力集中點(diǎn)，在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，局部受力過(guò)大容易產(chǎn)生應(yīng)力發(fā)白。觀察圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，純PP和PP／GB復(fù)合材料的斷面中出現(xiàn)不同層次和不同數(shù)量的纖維狀應(yīng)力發(fā)白區(qū)域。純PP基體的應(yīng)力發(fā)白區(qū)域大都呈條狀或纖維狀，且近似垂直于受力方向(沖擊方向從左至右)，PP／GB1和PP／GB2復(fù)合材料中基體的應(yīng)力發(fā)白區(qū)域分布規(guī)律性稍差，這可以用早期的增韌理論來(lái)解釋，其認(rèn)為[19，21]，應(yīng)力發(fā)白是由垂直于所施加應(yīng)力方向的大量微裂紋引起的。對(duì)于PP／GB復(fù)合材料，隨著φf(shuō)的增加，基體內(nèi)的應(yīng)力發(fā)白區(qū)逐漸增多，無(wú)規(guī)性增加。當(dāng)φf(shuō)較小時(shí)，PP／GB1和PP／GB2復(fù)合材料沖擊斷面的形貌相差較小，相比之下，PP／GB1復(fù)合材料沖擊斷面的斷裂層次較多(圖2a～圖2d)。當(dāng)φf(shuō)增加到11%時(shí)，基體內(nèi)出現(xiàn)多層次的應(yīng)力發(fā)白區(qū)，且以短小的居多，且PP／GB1復(fù)合材料明顯較PP／GB2復(fù)合材料的多(圖2e、圖2f)。當(dāng)φf(shuō)為14%時(shí)，基體內(nèi)的應(yīng)力發(fā)白區(qū)域的數(shù)量有所減少，由于單位體積內(nèi)GB粒子數(shù)量增多，基體內(nèi)部分區(qū)域GB粒子發(fā)生聚集現(xiàn)象(圖2g和圖2h中的圓圈區(qū)域內(nèi)，單位面積內(nèi)GB粒子的個(gè)數(shù)較其它區(qū)域的多)和少數(shù)粘結(jié)現(xiàn)象(兩個(gè)或多個(gè)GB粒子發(fā)生粘結(jié)或接觸)，使得基體內(nèi)產(chǎn)生一些裂紋，聚集區(qū)域內(nèi)也存在一些微小裂紋(圖2g、圖2h)，PP／GB1復(fù)合材料沖擊斷面的基體內(nèi)的裂紋的尖端有一些明顯的應(yīng)力發(fā)白區(qū)域，并終止于GB粒子，對(duì)于PP／GB2復(fù)合材料沖擊斷面，其聚集區(qū)域較明顯的有3處(圖2h中的圓圈區(qū)域)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)都存在一些微小裂紋，在圖2h中最右邊的圓圈區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)較大的裂紋，且裂紋處的發(fā)白區(qū)較小。當(dāng)φf(shuō)為18%時(shí)，PP／GB1復(fù)合材料沖擊斷面的基體應(yīng)力發(fā)白區(qū)域數(shù)量較φf(shuō)為14%時(shí)的PP／GB1復(fù)合材料沖擊斷面多，但其斷面出現(xiàn)一些較大的裂紋(圖2i、圖2j)；對(duì)于PP／GB2復(fù)合材料，其斷面的SEM照片中GB粒子分布嚴(yán)重不均，照片中下半段的GB粒子明顯多于上半段(圖2j)，這種粒子的分布不均，不利于沖擊載荷由平面應(yīng)力向平面應(yīng)變的轉(zhuǎn)變，使復(fù)合材料的韌性減弱，因此，與φf(shuō)為14%時(shí)的PP／GB2復(fù)合材料沖擊斷面(圖1h)相比，φf(shuō)為18%時(shí)的PP／GB2復(fù)合材料沖擊斷面的形貌變得明顯平整(圖1j)；與相同φf(shuō)為18%的PP／GB1復(fù)合材料沖擊斷面(圖1i)相比，PP／GB2復(fù)合材料的斷面中應(yīng)力發(fā)白區(qū)較少(圖1j)。

圖1 純PP沖擊斷面的SEM照片

圖2 PP／GB復(fù)合材料沖擊斷面的SEM照片

3.2 GB的分散分形維數(shù)

在測(cè)算PP／GB復(fù)合材料中GB粒子的Dd時(shí)，在復(fù)合材料沖擊斷面SEM照片上，同樣任意取3個(gè)點(diǎn)為圓心，根據(jù)圖上比例尺，半徑分別取為230，280，320，380，410，460 μm，做同心圓。數(shù)出同一半徑、5個(gè)不同位置中圓內(nèi)的GB的數(shù)目，并取平均值，按照上述測(cè)算方法，用線性回歸分析方法計(jì)算GB在PP／GB1和PP／GB2復(fù)合材料中的Dd，結(jié)果見表1、表2。

表1 PP／GB1復(fù)合材料中GB粒子的Dd值

表2 PP／GB2復(fù)合材料中GB粒子的Dd值

分析表1、表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩種PP／GB復(fù)合材料的lgM(r)～lgr數(shù)據(jù)點(diǎn)近似呈直線關(guān)系，線性回歸分析的相關(guān)系數(shù)均大于0.97，強(qiáng)的相關(guān)性表明GB在基體內(nèi)的分散具有分形特征；當(dāng)GB的φf(shuō)小于11%時(shí)，隨著GB填充量的增加，GB的Dd減小，當(dāng)φf(shuō)為11%時(shí)，其Dd達(dá)到最小值，改性GB和未改性GB粒子的Dd分別為1.474和1.503；隨著φf(shuō)進(jìn)一步增加，GB的Dd增大。這是因?yàn)椋?dāng)GB被填充到樹脂中時(shí)，由于熔融態(tài)樹脂具有一定的黏度，在受到剪切力時(shí)，填充粒子不會(huì)像在其它液體中那樣做長(zhǎng)距離的遷移而迅速在基體內(nèi)分散開，而是在其某一位置上做相對(duì)的滑移和滾動(dòng)。因此，當(dāng)GB的φf(shuō)較小時(shí)，單位體積內(nèi)的GB粒子數(shù)量較少，粒子較難在基體內(nèi)均勻分散，這種現(xiàn)象從圖2a～圖2d可以看出，盡管GB在PP樹脂基體中無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象，但是GB在斷面的分散分布不太均勻，出現(xiàn)部分區(qū)域無(wú)GB的現(xiàn)象；隨著φf(shuō)的增加，熔體中單位體積內(nèi)GB粒子的逐漸增多，無(wú)粒子區(qū)減小，當(dāng)GB的φf(shuō)為11%，GB粒子可較均勻地分散在基體內(nèi)(圖2e，圖2f)；隨著GB的φf(shuō)進(jìn)一步增加，單位體積內(nèi)GB粒子的數(shù)量增加，碰撞概率增大，出現(xiàn)了少數(shù)粒子相互粘結(jié)，且出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，即部分區(qū)域單位面積內(nèi)GB粒子數(shù)量增多(圖2g和圖2h中圓圈中區(qū)域)，粒子在基體內(nèi)的分散不均勻，Dd增大。

對(duì)比改性GB和未改性GB的分散分布可以看出，在GB的φf(shuō)較小且相等條件下，兩者在空間的分散分布的均勻性差別較小，Dd差別亦較小，當(dāng)φf(shuō)超過(guò)11%時(shí)，差別變大，且改性GB的Dd較未改性GB的小。表明適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚碛欣贕B在基體內(nèi)均勻分布。分析其原因可能是，用硅烷偶聯(lián)劑表面處理增強(qiáng)了GB與PP基體的粘結(jié)強(qiáng)度，在受到螺桿尤其是雙螺桿擠出機(jī)螺桿剪切作用力時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)有利于剪切應(yīng)力向GB傳遞，使得GB能更均勻地在基體內(nèi)分布。

3.3 分形維數(shù)與沖擊強(qiáng)度的關(guān)系

無(wú)機(jī)粒子在基體內(nèi)的分散均勻性是影響填充復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素之一。為此，分析GB的Dd與對(duì)應(yīng)PP／GB復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果見表3。

表3 GB的Dd和對(duì)應(yīng)PP／GB復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度數(shù)據(jù)

分析表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在所考察的φf(shuō)范圍內(nèi)，PP／GB復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度與GB的Dd呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)φf(shuō)為11%時(shí)，Dd最小，改性GB和未改性GB的Dd分別為1.474和1.503，均靠近1.5，其對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最大，韌性最好。J. Z. Liang等[22]認(rèn)為，若粒子在基體內(nèi)分散不均勻，在受到外部載荷時(shí)，材料內(nèi)部容易產(chǎn)生應(yīng)力，不利于平面應(yīng)力向平面應(yīng)變的轉(zhuǎn)變，復(fù)合材料沖擊性能變差，反之則復(fù)合材料的沖擊韌性得以提高。 A. Margolina等[23]認(rèn)為，在受到?jīng)_擊載荷條件下，平面應(yīng)力向平面應(yīng)變的有效轉(zhuǎn)變，并產(chǎn)生塑性形變，是填充聚合物韌性增強(qiáng)的關(guān)鍵。當(dāng)GB粒子在基體內(nèi)分散比較均勻，一方面基體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性減少，不容易發(fā)生脆斷；另一方面，均勻分布的GB粒子可以阻斷在基體內(nèi)部形成的微裂紋；兩方面的原因使得復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度得到提高。

4 結(jié)論

為定量表征GB在PP基體內(nèi)的分散程度，引入了分形維數(shù)的概念，并運(yùn)用現(xiàn)有的分形維數(shù)測(cè)算模型實(shí)現(xiàn)了分形維數(shù)的計(jì)算，得出如下結(jié)論：

GB在PP基體內(nèi)的分散具有分形特征，其分布均勻性可以用Dd定量表征。GB的Dd先隨φf(shuō)的增加而減小，當(dāng)φf(shuō)為11%時(shí)，Dd達(dá)到最小值，其中改性GB的Dd為1.474，未改性GB的Dd為1.503，隨后則隨φf(shuō)的增加而增大，在相同φf(shuō)條件下，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性的GB有較小的Dd；對(duì)于同一PP／GB復(fù)合材料，粒子的Dd越接近1.5，則其在基體內(nèi)的分散越均勻，其所對(duì)應(yīng)的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度越高，韌性越好。總之，無(wú)機(jī)粒子的分散是填充PP復(fù)合材料至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，應(yīng)用分形理論可以定量地表征無(wú)機(jī)粒子在聚合物基體內(nèi)的分散均勻性，對(duì)于研究無(wú)機(jī)粒子在聚合物基體內(nèi)的分散效果，具有非常重要的意義。

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塑料垃圾降解獲技術(shù)新突破

塑料垃圾也稱為“白色污染”，是當(dāng)今世界重大的“公害”，已成為威脅生態(tài)環(huán)境的一個(gè)重要因素。喝完丟棄的礦泉水瓶、海洋里的塑料垃圾等，這些都是大自然中難以被降解的頑固垃圾，威脅著地球的環(huán)境，傳統(tǒng)塑料垃圾的處理方法能耗高、污染大。不久前，天津大學(xué)化工學(xué)院本科生團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“基于混菌體系的高效塑料生物降解系統(tǒng)”，通過(guò)喂細(xì)菌“吃”塑料，實(shí)現(xiàn)塑料垃圾的就地分解。

該研究成果不久前獲得由美國(guó)麻省理工學(xué)院主辦的2016國(guó)際遺傳工程機(jī)器設(shè)計(jì)競(jìng)賽(iGEM)金獎(jiǎng)。

混菌系統(tǒng)是一種人工設(shè)計(jì)的細(xì)菌組織方式，就像細(xì)菌的“小社會(huì)”，讓不同菌種各司其職。系統(tǒng)中的一部分細(xì)菌把塑料中的大分子降解成小分子，另一部分細(xì)菌再把小分子或吸收掉或轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌幸嫖镔|(zhì)。

項(xiàng)目成員表示，說(shuō)起來(lái)容易，但人不能直接和細(xì)菌“溝通”，沒有辦法告訴細(xì)菌什么時(shí)候應(yīng)該表現(xiàn)出人工設(shè)計(jì)的功能，而且不同菌種生存能力有天壤之別，往往優(yōu)勢(shì)菌種會(huì)搶奪其它菌種的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，把其它菌種全部清除，造成“一家獨(dú)大”。

通過(guò)上百組混菌實(shí)驗(yàn)不斷摸索細(xì)菌培養(yǎng)條件，他們最終成功研發(fā)出了一個(gè)可以讓各個(gè)不同菌種“和平共處”的混菌系統(tǒng)。他們?cè)诨炀到y(tǒng)中巧妙地設(shè)計(jì)了一種代謝路徑，降低了菌與菌之間爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)了混菌系統(tǒng)的穩(wěn)定。這個(gè)混菌系統(tǒng)可以完全降解生活常見塑料，只需要把該混菌體系釋放到自然界，它們就會(huì)高效地分解原來(lái)千百年都不會(huì)發(fā)生明顯變化的聚酯塑料，有望實(shí)現(xiàn)塑料垃圾的就地分解。

(工程塑料網(wǎng))

?？松梨谠诘弥菪陆?5萬(wàn)t聚乙烯項(xiàng)目

?？松梨谛?，公司正在得克薩斯州的博蒙特新建一套65萬(wàn)t／a的聚乙烯(PE)裝置。建設(shè)工作已經(jīng)開始，該裝置計(jì)劃在2019年建成投產(chǎn)。但是?？松梨跊]有說(shuō)明該裝置將生產(chǎn)什么類型的PE。

此外?？松梨诋?dāng)前正在得克薩斯州Mont Belvieu新建另外兩套65萬(wàn)t／a的PE生產(chǎn)裝置，計(jì)劃在明年下半年建成投產(chǎn)。

?？松梨诋?dāng)前在博蒙特?fù)碛?套PE生產(chǎn)裝置，合計(jì)產(chǎn)能為120萬(wàn)t／a。其中一套裝置生產(chǎn)高密度聚乙烯(PEHD)，3套裝置生產(chǎn)線性低密度聚乙烯(PE-LLD)，還有兩套裝置生產(chǎn)低密度聚乙烯(PE-LD)。?？松梨诋?dāng)前在Mont Belvieu已經(jīng)擁有三套PE裝置，合計(jì)產(chǎn)能為117萬(wàn)t／a，其中兩套生產(chǎn)PE-LLD，另一套24萬(wàn)t／a的PE-HD裝置正擴(kuò)能至30萬(wàn)t／a，預(yù)計(jì)2017年完成擴(kuò)能。

(工程塑料網(wǎng))

Fractal Quantitative Characterization of Disperse Effect of Glass Beads in Filled Polypropylene Composites

Wu Chengbao1，2， Liu Chuansheng1， Chen Zhenghua3， Liang Jizhao2
(1. School of Aircraft Maintenance Engineering， Guangzhou Civil Aviation College， Guangzhou 510430， China；2. College of Mechanical and Automobile Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， 510640， China；3. Maintenance Engineering Department， Guangzhou Baiyun International Airport Ground Servicing Ltd. Company， Guangzhou， 510470， China)

The polypropylene (PP) composites filled with glass bead (GB) were prepared by the method of melt blending process，the impact strength and the fracture surface of the PP／GB composites were obtained by the impact test，and the dispersion morphology of the GB in the PP resin were observed by the scanning electron microscope，the disperse fractal dimension (Dd) of the GB in the PP resin was calculated by using the calculating model for the Ddand the image processing software. The results indicate that dispersion morphology of the GB filled in PP is fractal evidently，and the Ddcan be used to characterize the dispersion morphology quantitatively，the Ddof GB decreases with the increasing of the volume fraction (φf(shuō)) firstly，as the φf(shuō)is 11%，the Ddis the minimum，the one of the modified GB in PP resin is 1.474，and the one of the non-modified GB in PP resin is 1.503，then，the Ddof GB increases with the increasing of the φf(shuō). Under the same φf(shuō)，the Ddof the modified GB in the PP resin is smaller than that of the nonmodified GB. Much closer to 1.5 the Ddis，more uniform the GB in the PP resin is，and the higher the impact strength of the filled PP composite is，and its toughness is better.

glass bead；polypropylene；composite；disperse；fractal

TQ325.3

A

1001-3539(2016)12-0092-06

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.12.018

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50974079)，民航科技創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目

聯(lián)系人：吳成寶，博士后，副教授，主要從事粉體材料和高分子復(fù)合材料成型及其物理與化學(xué)性能的研究

2016-09-28