可持续聚合物复合材料：回收高密度聚乙烯与消费后硅藻土的力学特性研究及其在啤酒工业中的应用

本文创新性地将啤酒工业废弃物消费后硅藻土（DE）作为增强剂，通过喷雾干燥（DEspray）和破碎干燥（DEdryer）两种工艺处理，与回收高密度聚乙烯（rHDPE）复合制备环保材料。研究发现DEdryer工艺能显著提升复合材料拉伸强度（20wt%时达25.2MPa）和弹性模量（提升67%），但冲击性能下降，为啤酒包装箱循环利用提供了可持续解决方案。

　　

可持续聚合物复合材料的机械表征研究

ABSTRACT

啤酒工业正积极寻求可持续方案以减少环境足迹，其中过滤助剂硅藻土（DE）和废弃啤酒箱高密度聚乙烯（HDPE）是关键废弃物。本研究将消费后DE作为rHDPE增强剂，通过双螺杆挤出和注塑成型制备复合材料，系统评估了不同干燥工艺对材料性能的影响。

1 Introduction

随着环保法规日益严格，循环经济模式在制造业中愈发重要。HDPE因其优异的机械性能和可回收性成为重点研究对象，但再生过程中性能衰减问题亟待解决。啤酒工业产生的DE废弃物富含二氧化硅（SiO₂），其多孔结构（比表面积<10m²/g）和吸附特性为聚合物增强提供了新思路。

2 Experimental

2.1 Materials

采用巴西Braskem公司提供的回收HDPE（密度0.957g/cm³）和啤酒厂DE废弃物（含93%SiO₂）。通过热重分析（TGA）显示DEdryer工艺有机残留更少（总失重1.37% vs DEspray的6%）。

2.2 Drying Processes

对比喷雾干燥（60°C）和破碎干燥（160-200°C）发现：

• DEspray粒径更小（D50=22μm）但表面封闭

• DEdryer孔隙率更高（氮吸附量更大）

3 Results and Discussion

3.1 DE特性

X射线衍射（XRD）证实DE主要含方石英相（COD-101938）。DEdryer颗粒的开放结构（FEG-SEM显示完整圆柱形）更利于聚合物渗透，而DEspray颗粒存在碎裂现象。

3.2 复合材料性能

• 力学性能：20wt%DEdryer使弹性模量提升至1143.4MPa（Halpin-Tsai模型验证），但冲击强度降低19.5%

• 形貌分析：DEdryer复合材料界面结合更紧密（图6A），而DEspray样品出现填料团聚（图6F）

4 Conclusions

破碎干燥工艺制备的DE能有效提升rHDPE刚性，15-20wt%添加量时拉伸强度提高20%。该研究为啤酒工业废弃物高值化利用提供了技术路径，符合循环经济理念。扫描电镜（图7）证实优化干燥工艺可改善填料分散性，这对开发可持续包装材料具有重要指导意义。