废弃蛋壳作为生物填料在聚合物基复合材料中的应用，因其资源再利用价值和环境友好特性备受关注。生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯 (BioPET) 与蛋壳复合可提升材料性能，但不同粒径填料的增强机制及其在动态载荷下的能量耗散特性尚不明确。特别是在高含量填料体系中，粒径效应对界面结合强度、材料刚性与韧性的协同调控作用仍需系统研究。为此，克拉科夫工业大学材料工程与物理学院的Stanisław Kuciel团队在 Recycling 期刊发表最新成果，通过设计不同梯度粒径体系，结合静态拉伸、弯曲、冲击试验及低周动态循环测试，系统揭示了填料粒径对BioPET/蛋壳复合材料力学性能的调控规律。研究发现小粒径填料可显著提升界面结合强度与能量耗散能力，为开发高性能环境友好型复合材料提供了重要理论依据。
研究过程与结果
本研究通过设计大颗粒 (1.60-3 mm)、中颗粒 (1.60 -1 mm) 和小颗粒 (1 mm-200 μm) 三组梯度粒径的废弃蛋壳填料，以10 wt.%的添加量改性生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯 (BioPET)，系统探究填料粒径对复合材料力学性能及能量耗散能力的影响。采用静态拉伸、三点弯曲、冲击试验及低周动态循环测试评估材料性能，结合SEM形貌分析、接触角测量和DSC热分析阐明界面作用机制。
首先，在拉伸性能方面，粒径差异导致显著分异，小颗粒填料使BioPET拉伸强度提升，而大颗粒因界面剥离致使强度下降，且弹性模量随粒径增大呈上升趋势，反映出填料刚性增强效应。弯曲性能呈现相反规律，大颗粒由于沿样品轴向排列，虽弯曲强度较高，但弹性模量因界面弱化大幅降低。冲击韧性测试结果显示，小颗粒填料体系冲击强度显著优于大颗粒，展现出更佳的增韧能力。
在动态载荷下的能量耗散特性方面，低周循环测试表明小颗粒复合材料机械能耗散能力大幅提升，且循环稳定性更为优异。SEM观察发现小颗粒均匀嵌入基体，而大颗粒因界面剥离形成孔隙，证实弱界面结合是导致能量耗散能力降低的主因。
界面结合与表面特性分析显示，小颗粒填料加入使复合材料表面自由能升高，润湿性改善，与BioPET界面相容性更佳；大颗粒则因表面粗糙度低、排列方向随机，造成界面应力集中，整体强度削弱。
热性能与结晶行为探究发现，蛋壳填料抑制BioPET结晶，使其在玻璃化转变温度以下维持非晶态。首次加热时，小颗粒体系冷结晶峰明显，意味着其促进分子链活动性，可能借助增强填料基体相互作用优化力学响应。
图1. BioPET/蛋壳生物复合材料的SEM图像。
图2. 首圈与次圈循环对BioPET/蛋壳生物复合材料机械能耗散值及其稳定性的影响。
研究结论
本研究证实，蛋壳填料粒径是调控BioPET复合材料性能的关键因素。小颗粒通过增强界面结合与能量耗散能力，在提升材料刚性的同时维持一定韧性，为低成本、高性能生物复合材料的开发提供理论支持。其环境效益显著：蛋壳废弃物的高值化利用可降低BioPET原料成本，推动循环经济发展。未来需通过表面改性或相容剂优化进一步提升大颗粒填料的界面性能，拓展其在工程塑料领域的应用潜力。
原文出自 Recycling 期刊：https://www.mdpi.com/2980712
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/recycling
Recycling 期刊介绍
主编：Prof. Dr. Michele John, Curtin University, Australia
期刊发表资源回收、再利用、废弃物管理与循环经济等相关领域的原始性、首创性成果，主题涵盖工业资源回收的创新工艺、工具与方法学，废弃物处理技术，循环经济，零废弃项目实践，回收利用相关政策，回收经济学，回收过程的环境与社会影响，以及产品(生态)设计与回收等方向。目前已被ESCI (Web of Science)、Scopus、FSTA、DOAJ等数据库收录。
2024 Impact Factor：4.6
2024 CiteScore：8.9
Time to First Decision：20.9 Days
Acceptance to Publication：4.9 Days
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