研究人员从废旧电池材料中回收氧化锌 用于增强环氧树脂复合材料

据外媒报道，最近在《材料》（Materials）杂志上发表的一篇综述中，研究人员讨论了利用废旧碱性电池中的氧化锌来增强环氧树脂复合材料。

陶瓷颗粒的FEG-SEM显微图：（a）商用TiO2；（b）商用ZnO和（c）回收ZnO。（图片来源：MDPI）

背景

在当今社会，电池回收利用是一项严峻挑战。除了进一步探讨更有效的废旧电池回收方法，应当鼓励将回收材料用于制造电池或其他用途。

ZnO是一种有吸引力的材料，具有广泛的应用。然而，由于资源有限，原始合成方法不多且有毒，生产ZnO颗粒的成本很高。因此，利用废弃物来制备ZnO微粒，是值得探究的长期方案。

使用填料存在诸多缺陷，其中最重要的是难以使其分散。最近有人对原位（in situ）生产纳米颗粒的概念进行研究，并取得了良好的分散效果。通过在热固性基质中加入ZnO填料，可以制备具有适当性能的纳米复合材料。陶瓷颗粒/环氧复合材料可用作纯环氧热固性复合材料的表面涂层，以减少吸水率，提高建筑表面的力学性能。

关于这项研究

在此项研究中，研究人员提出，利用从废旧电池中获得的ZnO微粒，作为环氧树脂填料。这些纳米复合材料可用作颜料、防护涂层和热稳定结构复合材料。基于不同的纳米填充物比例，制备了几种填充回收ZnO和商用ZnO、TiO2纳米颗粒的复合材料。

研究人员展示，通过回收废旧碱性电池来开发ZnO颗粒，及其在环氧涂层中作为填料的应用。将所得结果与另外两种商用陶瓷氧化物纳米颗粒（即TiO2和ZnO）进行比较，以评估其有效性，并研究ZnO颗粒的几何形状和尺寸。将ZnO颗粒混合到环氧热固性树脂中，以获得良好的热性能和力学性能。

该团队将各种陶瓷微纳米颗粒（基于ZnO和TiO2）填充到一种航空环氧热固性树脂中。其中一种ZnO颗粒是从耗尽的碱性电池中回收的。采用场发射枪扫描电子显微镜（FEG-SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR），对所制备的纳米颗粒进行表征，从而确定回收ZnO作为环氧热固性树脂填料的潜在优势。这些树脂被用作通过树脂灌注技术制造的复合材料的基质，以用于航空结构，或作为保护涂层。研究人员还对回收ZnO的性能与其他昂贵的工业陶瓷纳米颗粒进行了比较。

观察结果

未处理的环氧热固性材料的平均粗糙度为1.30 ± 0.16 µm。在1.4–1.6 µm区间内，随着陶瓷颗粒的加入，粗糙度略有增加。当对复合材料表面进行化学腐蚀处理时，其粗糙度急剧增加，约在3.2-4.2µm范围内。由于扫描热固化效率的提高，纯环氧树脂的初始Tg温度为139℃，随后的扫描温度逐渐攀升至142℃。商用ZnO纳米颗粒呈长方体结构，正方形的底边小于100 nm，高度高达500 nm。

在环氧树脂中加入陶瓷纳米填料，如ZnO或/和TiO2，可以改善力学性能和热性能，以及疏水性和硬度，当然这也取决于各种环境。除了陶瓷氧化物不同，填料的具体形态和尺寸也不同。

商用TiO2纳米颗粒，是较小的球形纳米颗粒。回收的ZnO是“沙漠玫瑰”状的微粒等。使用陶瓷填料后，玻璃软化温度（Tg）略有升高（<2%），同时改善了环氧树脂的屏障效应。这导致水扩散系数降低了<21%，同时保持最大吸水率。经过热处理后，纳米复合材料的吸水性完全可逆，并恢复了原来的热力学行为。

当陶瓷颗粒存在时，其水接触角（WCA）增加了12%。但是，当通过回收的花状ZnO微粒增强的环氧树脂被酸性硬脂酸和醋酸腐蚀时，其疏水性达到最高（35%）。这会导致表面的ZnO腐蚀，从而增加表面粗糙度。沙漠玫瑰状ZnO颗粒的存在，增强了荷叶效应。

结论

综上所述，此项研究表明，根据Tg和储能模量评估，使用所提出的陶瓷填料，对热固性材料的热强度和机械刚度的影响可以忽略不计。此外，还发现环氧复合材料具有与纯环氧热固性材料相同的水热弹性。

加入陶瓷氧化物颗粒，使水扩散系数略有降低。氧化物陶瓷颗粒可提高水滴的接触角，从而能够检测表面疏水性。当用硬脂酸和醋酸对表面进行化学处理时，这种增强效果更加明显。由于其最大粗糙度是通过荷叶效应和与沙漠玫瑰状形态相关的酸氧化产生的，这种通过回收ZnO颗粒增强的复合材料具有最高的WCA及疏水性。