CN115196933B - 一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料及其制备方法，属于固废材料回收利用技术领域。本发明将废弃风电叶片制备成类纤维状材料，通过表面包覆纳米膜改性后添加到石膏中，制备石膏基复合材料，改性后的再生纤维表面同时带有不同种类的基团，增加有机物与无机物的粘结性，更有利于提高石膏基复合材料的力学性能。利用废弃风电再生纤维作为复合材料的增强体，既能提高石膏基体的力学性能，降低石膏材料的脆性，又可以再利用废弃风电叶片，减少大宗废弃物对环境污染影响，保护环境。

Description

一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料及其制 备方法
技术领域
本发明涉及固废材料回收利用技术领域，尤其涉及一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料及其制备方法。
背景技术
现有技术一般是把废弃风电叶片粉碎成颗粒或粉状，添加到混凝土中，替代混凝土中的骨料，或者粉状物添加到木塑材料中，替代一部分原材料。但是废弃风电叶片纤维中含有玻璃纤维，容易在碱性环境中发生碱骨料反应，影响材料的耐久性。
而石膏中不存在碱骨料反应这个问题。石膏材料的最大缺陷是脆性大，利用废弃纤维作为增强体可以明显提高石膏材料的抗折性能。但是由于废弃风电叶片纤维外面有一层树脂，使得有机物与无机物结合过渡面存在缺陷。
因此，如何使废弃风电叶片与石膏进行有效复合，得到一种废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料来改善石膏基复合材料力学性能差的问题，是目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料及其制备方法，用于解决上述技术问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料，由包含如下质量份数的组分组成：
Figure BDA0003653733340000011
进一步的，所述改性废弃风电叶片再生纤维的制备方法为：
将废弃的风电叶片依次经过粉碎、筛分，得到风电叶片颗粒；
将所得风电叶片颗粒、Tris-HCl缓冲溶液和改性试剂混合后干燥得到改性废弃风电叶片再生纤维。
进一步的，所述所述风电叶片颗粒的直径为8～12μm，长度为0.1～2cm。
进一步的，所述改性试剂为盐酸多巴胺、2,5-二羟基对苯二甲酸、3,4-二羟基苯腈和3,4-二羟基肉桂酸中的一种或多种；
所述废弃的风电叶片、Tris-HCL缓冲溶液和改性试剂的质量体积比为18～22g：80～120mL：0.1～0.5g；所述Tris-HCL缓冲溶液的pH值为7～9。
进一步的，所述混合的温度为20～30℃，混合的时间为10～15min；所述干燥的温度为20～45℃，干燥的时间为24～48h。
进一步的，所述缓凝剂包含柠檬酸、生物质、硼砂和酒石酸中的一种或几种，所述减水剂包含液体聚羧酸减水剂、固体聚羧酸减水剂或萘系减水剂。
本发明提供了一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将改性废弃风电叶片再生纤维、石膏粉和缓凝剂混合，得到第一混合料；
2)将减水剂与水混合后得到第二混合料；
3)将第一混合料和第二混合料混合即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料；
所述步骤1)和步骤2)无先后顺序的要求。
进一步的，所述步骤1)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为5～15min。
进一步的，所述步骤2)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为1～5min。
进一步的，所述步骤3)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为1～5min。
本发明的有益效果：
本发明将废弃风电叶片制备成类纤维状材料，通过表面包覆纳米膜改性后添加到石膏中，制备石膏基复合材料，改性后的再生纤维表面同时带有不同种类的基团，增加有机物与无机物的粘结性，更有利于提高石膏基复合材料的力学性能。利用废弃风电再生纤维作为复合材料的增强体，既能提高石膏基体的力学性能，降低石膏材料的脆性，又可以再利用废弃风电叶片，减少大宗废弃物对环境污染影响，保护环境。
附图说明
图1为本发明不同改性方法及不同改性废弃风电叶片再生纤维添加量下得到的石膏基复合材料的抗折强度曲线，其中改性废弃风电叶片再生纤维的百分含量指的是改性废弃风电叶片再生纤维占原料中石膏粉的百分含量；
图2为本发明不同改性方法及不同改性废弃风电叶片再生纤维添加量下得到的石膏基复合材料的抗压强度曲线，其中改性废弃风电叶片再生纤维的百分含量指的是改性废弃风电叶片再生纤维占原料中石膏粉的百分含量。
具体实施方式
本发明提供了一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料，由包含如下质量份数的组分组成：
Figure BDA0003653733340000031
在本发明中，按照质量份数计，所述改性废弃风电叶片再生纤维的添加量为2～25份，优选为5～20份，进一步优选为10～15份。
在本发明中，所述改性废弃风电叶片再生纤维的制备方法为：
将废弃的风电叶片依次经过粉碎、筛分，得到风电叶片颗粒；
将所得风电叶片颗粒、Tris-HCl缓冲溶液和改性试剂混合后干燥得到改性废弃风电叶片再生纤维。
在本发明中，所述风电叶片颗粒的直径优选为8～12μm，进一步优选为9～11μm；长度优选为0.1～2cm，进一步优选为0.5～1.5cm。
在本发明中，所述改性试剂优选为盐酸多巴胺、2,5-二羟基对苯二甲酸、3,4-二羟基苯腈和3,4-二羟基肉桂酸中的一种或多种，进一步优选为质量比为1～2：1的盐酸多巴胺和2,5-二羟基对苯二甲酸，质量比为1：1～2盐酸多巴胺和3,4-二羟基苯腈，质量比为1：1～3的盐酸多巴胺和3,4-二羟基肉桂酸，质量比为1：1的盐酸多巴胺和2,5-二羟基对苯二甲酸，质量比为1：1～2：1～3的盐酸多巴胺、2,5-二羟基对苯二甲酸和3,4-二羟基苯腈，质量比为1：1：1的盐酸多巴胺、3,4-二羟基苯腈和3,4-二羟基肉桂酸。
在本发明中，所述废弃的风电叶片、Tris-HCL缓冲溶液和改性试剂的质量体积比优选为18～22g：80～120mL：0.1～0.5g，进一步优选为19～21g：90～110mL：0.2～0.4g。
在本发明中，所述Tris-HCL缓冲溶液的pH值优选为7～9，进一步优选为7.5～8.5。
在本发明中，所述风电叶片颗粒、Tris-HCl缓冲溶液和改性试剂的混合方式为：将改性试剂按质量均分为5份，在风电叶片颗粒和Tris-HCl缓冲溶液的混合液中在搅拌的条件下，每隔5min加入1份改性试剂，之后混合。
在本发明中，所述混合的温度优选为20～30℃，进一步优选为25～28℃；混合的时间优选为10～15min，进一步优选为12min。
在本发明中，所述混合结束后，对经反应的风电叶片颗粒水洗至其表面为中性。
在本发明中，所述干燥的温度优选为20～45℃，进一步优选为25～35℃；干燥的时间优选为24～48h，进一步优选为36h。
在本发明中，按照质量份数计，所述石膏粉的添加量为900～1200份，优选为1000～1100份。
在本发明中，按照质量份数计，所述缓凝剂的添加量为0.1～0.5份，优选为0.2～0.4份，进一步优选为0.3份。
在本发明中，所述缓凝剂包含柠檬酸、生物质、硼砂和酒石酸中的一种或几种，优选为柠檬酸和/酒石酸。
在本发明中，按照质量份数计，所述减水剂的添加量为5～15份，优选为8～12份，进一步优选为9～10份。
在本发明中，所述减水剂包含液体聚羧酸减水剂、固体聚羧酸减水剂或萘系减水剂，优选为萘系减水剂。
本发明提供了一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将改性废弃风电叶片再生纤维、石膏粉和缓凝剂混合，得到第一混合料；
2)将减水剂与水混合后得到第二混合料；
3)将第一混合料和第二混合料混合即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料；
所述步骤1)和步骤2)无先后顺序的要求。
在本发明中，所述步骤1)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为5～15min；优选的，混合的转速为70～80rpm，混合的时间为8～12min；进一步优选的，混合的转速为75rpm，混合的时间为9min。
在本发明中，所述步骤2)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为1～5min；优选的，混合的转速为70～80rpm，混合的时间为2～4min；进一步优选的，混合的转速为75rpm，混合的时间为3min。
在本发明中，所述步骤3)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为1～5min；优选的，混合的转速为70～80rpm，混合的时间为2～4min；进一步优选的，混合的转速为75rpm，混合的时间为3min。在本发明中，步骤3)中，混合3min后，浆体的流动性好，废弃再生纤维在底部沉淀不明显，纤维在基体中分布比较均匀，抗折强度提高20％，抗压强度基本不变。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
以下实施例所用风电叶片颗粒的制备方法为：将废弃的风电叶片切割成1m的块状物，经破碎机破碎及粉碎机粉碎得到粉状及纤维状物料，再使用大型振动筛进行筛分成为不同长度的纤维，然后经过清洗、烘干后制得直径为10μm，长度分别为0.3、0.6、1.2、1.5cm的风电叶片颗粒。
实施例1
改性废弃风电叶片再生纤维的制备：
将0.2g的盐酸多巴胺按质量均分为5份，备用；
将20g直径为10μm，长度为0.3cm的风电叶片颗粒放入四口烧瓶中，加入100mL、pH＝8的Tris-HCl缓冲溶液，在搅拌的条件下每隔5min加入1份盐酸多巴胺，之后在常温下搅拌混合15min，混合结束后水洗至经反应的风电叶片颗粒的表面为中性，最后在30℃下干燥24h得到改性废弃风电叶片再生纤维。
改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备：
取5g上述改性废弃风电叶片再生纤维、1000g的石膏粉和0.2g柠檬酸在100rpm的转速下混合9min，得到第一混合料；
取9g固体聚羧酸减水剂和650g水在100rpm的转速下混合3min，得到第二混合料；
将第一混合料和第二混合料在100rpm的转速下混合3min即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料。
实施例2～5与实施例1的区别在于改性废弃风电叶片再生纤维的添加量分别为10g、15g、20g、25g。
分别将实施例1～5得到的石膏基复合材料倒入三联模具(40mm*40mm*160mm)中，分别制备6组试样，室温2h后脱模，室温养护7d，然后40±2℃烘箱内烘至绝干对其进行抗折、抗压强度测试。
根据GB/T17671-1999国家标准，制备的棱柱状石膏基复合材料试样通过抗压-抗折一体机进行测试，抗折试验采用的是三点加载支梁，即将试样放在两支点上，在两支点间的试样上加集中载荷，使试样变形直至破坏时的强度。测定抗折强度时，将40mm×40mm×160mm的标准试样，插入抗折仪的支梁上，试件的成型面应侧立，使加荷辊与两个支承辊保持等距。开动抗折试验机，使试件折断。记录3个试样的测试值，并计算其平均值。抗折测试完成后进行抗压测试，抗压强度的测试试样是6块，试样的受压面是40mm×40mm，测试并记录6个试样的测试值，计算其平均值。测试结果如下表1：
表1实施例1～5的石膏基复合材料的性能测试结果
Figure BDA0003653733340000061
Figure BDA0003653733340000071
实施例6
改性废弃风电叶片再生纤维的制备：
将0.2g的盐酸多巴胺与0.2g的2,5-二羟基对苯二甲酸的混合物按质量均分为5份，备用；
将20g直径为10μm，长度为0.6cm的风电叶片颗粒放入四口烧瓶中，加入100mL、pH＝7.5的Tris-HCl缓冲溶液，在搅拌的条件下每隔5min加入1份盐酸多巴胺与2,5-二羟基对苯二甲酸的混合物，之后在常温下搅拌混合12min，混合结束后水洗至经反应的风电叶片颗粒的表面为中性，最后在45℃下干燥36h得到改性废弃风电叶片再生纤维。
改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备：
取5g上述改性废弃风电叶片再生纤维、1000g的石膏粉和0.2g硼砂在75rpm的转速下混合9min，得到第一混合料；
取5g液体聚羧酸减水剂和650g水在75rpm的转速下混合3min，得到第二混合料；
将第一混合料和第二混合料在75rpm的转速下混合3min即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料。
实施例7～10与实施例6的区别在于改性废弃风电叶片再生纤维的添加量分别为10g、15g、20g、25g。
采用上述测试方法对实施例6～10得到的石膏基复合材料进行强度测试，结果如下表2：
表2实施例6～10的石膏基复合材料的性能测试结果
Figure BDA0003653733340000072
Figure BDA0003653733340000081
实施例11
改性废弃风电叶片再生纤维的制备：
将0.2g的盐酸多巴胺与0.2g的3,4-二羟基苯腈的混合物按质量均分为5份，备用；
将20g直径为10μm，长度为1.2cm的风电叶片颗粒放入四口烧瓶中，加入100mL、pH＝8.5的Tris-HCl缓冲溶液，在搅拌的条件下每隔5min加入1份盐酸多巴胺与3,4-二羟基苯腈的混合物，之后在常温下搅拌混合10min，混合结束后水洗至经反应的风电叶片颗粒的表面为中性，最后在25℃下干燥30h得到改性废弃风电叶片再生纤维。
改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备：
取5g上述改性废弃风电叶片再生纤维、1000g的石膏粉和0.2g酒石酸在75rpm的转速下混合9min，得到第一混合料；
取7g固体液体聚羧酸减水剂和650g水在75rpm的转速下混合3min，得到第二混合料；
将第一混合料和第二混合料在75rpm的转速下混合3min即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料。
实施例12～实施例15与实施例11的区别在于改性废弃风电叶片再生纤维的添加量分别为10g、15g、20g、25g。
采用上述测试方法对实施例11～15得到的石膏基复合材料进行强度测试，结果如下表3：
表3实施例11～15的石膏基复合材料的性能测试结果
Figure BDA0003653733340000082
Figure BDA0003653733340000091
实施例16
改性废弃风电叶片再生纤维的制备：
将0.2g的盐酸多巴胺与0.2g的3,4-二羟基肉桂酸的混合物按质量均分为5份，备用；
将20g直径为10μm，长度为1.5cm的风电叶片颗粒放入四口烧瓶中，加入100mL、pH＝8的Tris-HCl缓冲溶液，在搅拌的条件下每隔5min加入1份盐酸多巴胺与3,4-二羟基肉桂酸的混合物，之后在常温下搅拌混合13min，混合结束后水洗至经反应的风电叶片颗粒的表面为中性，最后在30℃下干燥40h得到改性废弃风电叶片再生纤维。
改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备：
取5g上述改性废弃风电叶片再生纤维、1000g的石膏粉和0.2g柠檬酸在65rpm的转速下混合9min，得到第一混合料；
取9g萘系减水剂和650g水在65rpm的转速下混合3min，得到第二混合料；
将第一混合料和第二混合料在65rpm的转速下混合3min即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料。
实施例17～实施例20与实施例16的区别在于改性废弃风电叶片再生纤维的添加量分别为10g、15g、20g、25g。
采用上述测试方法对实施例16～20得到的石膏基复合材料进行强度测试，结果如下表4：
表4实施例16～20的石膏基复合材料的性能测试结果
Figure BDA0003653733340000092
Figure BDA0003653733340000101
实施例21
石膏基复合材料的制备：
取5g废弃风电叶片颗粒、1000g的石膏粉和0.2g柠檬酸在100rpm的转速下混合9min，得到第一混合料；
取9g萘系减水剂和650g水在100rpm的转速下混合3min，得到第二混合料；
将第一混合料和第二混合料在100rpm的转速下混合3min即得到石膏基复合材料。
实施例22～实施例25与实施例21的区别在于废弃风电叶片颗粒的添加量分别为10g、15g、20g、25g。
采用上述测试方法对实施例21～25得到的石膏基复合材料进行强度测试，结果如下表5：
表5实施例21～25的石膏基复合材料的性能测试结果
Figure BDA0003653733340000102
由以上实施例可以看出，经过改性的废弃风电叶片再生纤维相较于未改性的废弃风电叶片颗粒用于制备石膏基复合材料上，可以显著增加复合材料的抗折强度和抗压强度，且随着改性废弃风电叶片再生纤维量的增加，复合材料的力学性能也有显著的增强。
对比例1
同实施例5，区别在于：
改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备：
取25g改性废弃风电叶片再生纤维和1000g的石膏粉干拌9min，得到第一混合料；
取0.2g柠檬酸、9g液体聚羧酸减水剂和650g水在100rpm的转速下混合3min，得到第二混合料；
将第一混合料和第二混合料在100rpm的转速下混合3min即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料。
对比例2
同实施例5，区别在于：
改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备：
取1000g的石膏粉和0.2g柠檬酸干拌9min，得到第一混合料；
取25g改性废弃风电叶片再生纤维、9g液体聚羧酸减水剂和650g水在100rpm的转速下混合3min，得到第二混合料；
将第一混合料和第二混合料在100rpm的转速下混合3min即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料。
对比例3
同实施例5，区别在于：
改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备：
取25g改性废弃风电叶片再生纤维、1000g的石膏粉、0.2g柠檬酸、4.5g液体聚羧酸减水剂、325g水干拌9min，得到第一混合料；
取4.5g液体聚羧酸减水剂和325g水混合3min，得到第二混合料；
将第一混合料和第二混合料在100rpm的转速下混合3min即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料。
采用上述测试方法对实施例5和对比例1～3得到的石膏基复合材料进行力学性能测试结果如下表6：
表6不同加料顺序对石膏基复合材料性能的影响
实施例5 对比例1 对比例2 对比例3
抗折强度(MPa) 4.7952 4.2971 4.4967 4.3388
抗压强度(MPa) 8.8963 8.4839 8.4789 8.3673
由以上测试结果可以看出，改性后的废弃再生纤维制备石膏基复合材料，测试抗折强度如图1所示、抗压强度如图2所示，从图1不同改性方法的抗折强度曲线可以看出，四种改性后的废弃再生纤维随着掺加量的增加，抗折强度呈上升趋势，其中多巴胺改性后的复合材料抗折强度最高增加36％，多巴胺与2,5-二羟基对苯二甲酸共聚后改性的复合材料抗折强度增强35％，多巴胺与3,4-二羟基苯腈共聚后改性的复合材料抗折强度增强38％，多巴胺与3,4-二羟基肉桂酸共聚后改性的复合材料抗折强度增强33％。
从图2抗压曲线可以看出，随着掺加量的增加，抗压强度呈直线上升趋势，其中多巴胺改性后的复合材料抗压强度最高增加13.7％，多巴胺与2,5-二羟基对苯二甲酸共聚后改性的复合材料抗压强度增强14.6％，多巴胺与3,4-二羟基苯腈共聚后改性的复合材料抗压强度增强15％，多巴胺与3,4-二羟基肉桂酸共聚后改性的复合材料抗压强度增强14.5％。
由以上实施例可知，本发明提供了一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料及其制备方法，多巴胺单独改性以及多巴胺与2,5-二羟基对苯二甲酸、3,4-二羟基苯腈、3,4-二羟基肉桂酸分别改性后的废弃再生纤维石膏基复合材料，抗折、抗压强度都随着掺加量的增加，增强了石膏基复合材料的力学性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料，其特征在于，由包含如下质量份数的组分组成：
Figure FDA0004051288290000011
所述改性废弃风电叶片再生纤维的制备方法为：
将废弃的风电叶片依次经过粉碎、筛分，得到风电叶片颗粒；
将所得风电叶片颗粒、Tris-HCl缓冲溶液和改性试剂混合后干燥得到改性废弃风电叶片再生纤维；
所述改性试剂为盐酸多巴胺、2,5-二羟基对苯二甲酸、3,4-二羟基苯腈和3,4-二羟基肉桂酸中的一种或多种；
所述废弃的风电叶片、Tris-HCl缓冲溶液和改性试剂的质量体积比为18～22g：80～120mL：0.1～0.5g；所述Tris-HCl缓冲溶液的pH值为7～9。
2.根据权利要求1所述的改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料，其特征在于，所述所述风电叶片颗粒的直径为8～12μm，长度为0.1～2cm。
3.根据权利要求2所述的改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料，其特征在于，所述混合的温度为20～30℃，混合的时间为10～15min；所述干燥的温度为20～45℃，干燥的时间为24～48h。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料，其特征在于，所述缓凝剂包含柠檬酸、硼砂和酒石酸中的一种或几种，所述减水剂包含液体聚羧酸减水剂、固体聚羧酸减水剂或萘系减水剂。
5.权利要求1～4任意一项所述改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将改性废弃风电叶片再生纤维、石膏粉和缓凝剂混合，得到第一混合料；
2)将减水剂与水混合后得到第二混合料；
3)将第一混合料和第二混合料混合即得到改性废弃风电叶片再生纤维增强石膏基复合材料；
所述步骤1)和步骤2)无先后顺序的要求。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为5～15min。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为1～5min。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，混合的转速为65～100rpm，混合的时间为1～5min。
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