聚丁二烯改性棕榈油-硫复合材料：低添加量实现高性能的可再生结构材料

本文创新性地采用低添加量（0.5-2 wt.%）高顺式-1,4含量液态聚丁二烯（PBD）强化棕榈油-硫基复合材料（SunBG90/aBG90），通过动态机械分析（DMA）证实-60°C下储能模量提升3-5倍，热重分析（TGA）显示材料保持212-226°C的高分解温度。研究为废弃油脂（BG）和工业副产硫的高值化利用提供了新策略，其机械性能提升效果远超传统高添加量（10-30 wt.%）体系，兼具热可回收特性（经10次熔融循环仍保留54.7-92.4%模量），在可持续建筑材料领域展现巨大潜力。

　　

聚丁二烯改性棕榈油-硫复合材料的突破性进展

材料设计与合成策略

研究聚焦两种棕榈油（BG）衍生的高硫含量材料（HSM）：含90 wt.%硫的天然棕榈油复合材料SunBG₉₀（含5 wt.%棕榈油+5 wt.%葵花籽油）和烯丙基化棕榈油复合材料aBG₉₀（10 wt.%改性棕榈油）。通过逆硫化反应（inverse vulcanization）将液态聚丁二烯（PBD，顺式-1,4含量>90%）以0.5-3.0 wt.%超低负载量引入体系，在180°C下交联2小时形成新型复合材料。值得注意的是，PBD添加量超过2 wt.%时材料转为脆性，红外光谱证实体系中存在未反应的烯烃键，暗示交联可能通过硫-烯丙基（S-Callylic）键形成。

热性能的颠覆性发现

热重分析揭示所有材料具有优异的耐热性（T_d＞210°C），其中aBG₉₀原始样品达226°C。添加PBD使残炭率从3%提升至9%，差示扫描量热（DSC）显示玻璃化转变温度（T_g）稳定在-36至-37°C，表明PBD未显著塑化基体。熔融温度（T_m）保持在115-120°C区间，对应晶体硫的相变行为。特别值得关注的是aBG₉₀-2% PBD样品，经10次熔融循环后仍保持54.7-92.4%的储能模量，证实材料具有出色的热可回收性。

力学性能的梯度响应

动态机械分析显示PBD添加产生显著梯度效应：aBG₉₀-2% PBD在25°C下储能模量达700 MPa，较原始材料（157 MPa）提升近5倍；SunBG₉₀-1% PBD更达872 MPa。弯曲强度呈现非线性变化，aBG₉₀系列从3.9 MPa提升至5.26 MPa，而SunBG₉₀系列在PBD添加后反从7.7 MPa降至5.3 MPa。这种差异源于SunBG₉₀本身较高的交联密度和葵花籽油带来的相结构复杂性，使得其在0.5 wt.%低添加量即达到560 MPa弯曲模量峰值。

微观机制与比较优势

研究揭示了PBD增强的双重机制：在玻璃态（-60°C）主要通过增加交联点提升刚度，而在橡胶态（25°C以上）通过橡胶域耗散能量。与传统硫-二异丙烯基苯（DIB）体系相比，本体系仅需1/10的PBD用量即可实现相当模量提升。aBG₉₀因烯丙基化带来的更高交联密度，比含相容剂（葵花籽油）的SunBG₉₀需要更高PBD负载量（2 wt.% vs 1 wt.%）才能达到最佳增强效果。

应用前景与可持续价值

这些生物基硫复合材料展现出超越普通硅酸盐水泥（OPC）的性能：压缩强度达35.9 MPa（超OPC标准2倍），94%更低导热系数，84%更低吸水率。通过UL-94 V-2阻燃认证的特性，使其在建筑材料、热绝缘涂层等领域具有独特优势。研究开创了废弃油脂与工业副产硫协同高值化利用的新范式，为发展低碳、可循环的工程材料提供了重要参考。