【新刊速览】苏畅等：钢渣基石晶复合材料的耐热氧老化性能

微信邦

钢渣基石晶复合材料的耐热氧老化性能
苏畅1,      赵令1,       刘顺1,      张浩1,2,3,       陈良军1,2,3,        宗志芳2,3,4
(1.安徽工业大学冶金工程学院,  安徽  马鞍山243032;2.冶金工程与资源综合利用安徽省重点实验室(安徽工业大学),   安徽  马鞍山 243002; 3.安徽工业大学矿山低碳复绿与固废资源化马鞍山市重点实验室,   安徽 马鞍山 243032; 4.安徽工业大学建筑工程学院,   安徽 马鞍山 243032)

01

摘 要

石晶复合材料（SCC）在长期使用过程中易受到温度与氧气的破坏,导致材料结构发生变化,使用寿命显著降低,因此,提高其耐热氧老化性能是产品能广泛应用的重要前提。采用聚乙二醇（PEG）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、过氧化二异丙苯（DCP）复合溶液对钢渣微粉（SS）进行表面改性获得改性钢渣微粉（MSSP）,并将其替代滑石粉通过熔融共混与热压相结合制备钢渣基石晶复合材料（MSSP/SCC）,测试MSSP/SCC热氧老化前后的弯曲强度、颜色变化。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）与X射线光电子能谱仪（XPS）分析MSSP对SCC的作用机理。试验结果表明,MSSP替代滑石粉比例为50%（质量分数）时,MSSP/SCC经过热氧老化16 d的弯曲强度达到27.1 MPa,弯曲强度保持率为89.7%,相比于普通SCC,分别提高了53.9%和25.3%,且总色差∆E变化最低,为0.51。MSSP与SCC体系在MSSP/SCC出现网状纤维。MSSP以及表面羟基可以作为交联点与SCC体系产生物理化学交联作用,有利于抗热氧老化。在热氧过程中,MSSP与SCC体系形成的纤维网状结构有利于提高弯曲性能。MSSP替代滑石粉比例为50%（质量分数）时,MSSP与SCC体系界面相容性好,MSSP与木粉能被高密度聚乙烯树脂（HDPE）较好包裹,表面结构更紧密,可阻止热氧传递,MSSP表面形成的羟基与SCC体系热氧老化后产生的自由基结合,可终止链式反应,提高耐热氧老化性能。

02

关键词

钢渣微粉 / 石晶复合材料 / 复合改性 / 耐热氧老化性能 / 力学性能 / 颜色变化 / 自由基链式反应 / 固废综合利用

03

引 言

石晶复合材料(stone crystal composite，SCC）作为一种环保、耐用、可回收的新型环保材料，除了在传统建筑和家具领域使用外，还逐渐进入汽车电子、包装等行业，应用范围不断扩大，近年来在全球范围内受到极大的关注和发展。SCC由无机粉体、塑料、木纤维等高分子材料组成，在长期使用过程中容易受到热、光和微生物等环境因素的影响导致材料结构发生变化，进而出现变色、力学性能下降等问题。因此，提高SCC的耐热氧老化性能是其广泛应用的重要前提，并且耐热氧老化水平更能有效评估SCC的耐久性。目前常规的抗热氧填料为滑石粉、钙粉、二氧化硅等，例如滑石粉可以抑制氧气和热量在复合材料中的传递，延缓材料的降解，提高其耐热氧老化能力；钙粉能够降低复合材料在热氧老化过程中的热释放速率，提高其耐热氧老化能力；二氧化硅能够提高复合材料的热稳定性，增加其耐热性能，但其会导致SCC的制造加工成本增加，在一定程度上限制了SCC应用的潜力，因此，寻求物美价廉的无机填料成为研究热点。钢渣作为冶金工业的大宗固体废弃物，其年排放量超1亿t，但综合利用率不足30%，大量堆存对土地与地下水造成严重的威胁。同时GB/T175—2023《通用硅酸盐水泥》明确规定钢渣不能用于水泥的制备，这进一步加剧了钢渣的堆积。钢渣作为由 CaO、SiO2、FexOy等组成的固态熔融物，具有高强、耐磨、耐热等优良特性，在橡胶、塑料、涂料等高分子材料领域有应用潜力。

本文采用聚乙二醇(PEG)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)、过氧化二异丙苯(DCP)复合溶液对钢渣微粉(SS)进行表面改性获得改性钢渣微粉(MSSP)，并将其替代滑石粉通过熔融共混与热压相结合制备钢渣基石晶复合材料(MSSP/SCC)，测试MSSP/SCC热氧老化前后的弯曲强度、颜色变化。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)与X射线光电子能谱仪(XPS)对MSSP/SCC进行表征分析，从而揭示 MSSP在石晶复合材料中的作用机理。

04

精 选 图 表

05

结 论

1)MSSP替代滑石粉比例为50%(质量分数)时，MSSP/SCC经过热氧老化16d的弯曲强度达到27.1MPa、弯曲强度保持率为89.7%，相比于普通SCC分别提高了53.9%和25.3%，且总色差ΔE最低，为0.51。2)MSSP与SCC体系在MSSP/SCC出现网状纤维。MSSP可以作为交联点以及表面羟基与SCC体系产生物理化学交联作用，有利于抗热氧老化。在热氧过程中，MSSP与SCC体系形成的纤维网状结构有利于提高弯曲性能。3)MSSP替代滑石粉比例为50%(质量分数)时，MSSP与SCC体系界面相容性好，MSSP与本粉能被HDPE较好包裹，表面结构更紧密，可阻止热氧传递，MSSP表面形成的羟基与SCC体系热氧老化后产生的自由基相结合，终止链式反应，可提高耐热氧老化性能。

06

引 用 本 文

[1]苏畅, 赵令, 刘顺, 等. 钢渣基石晶复合材料的耐热氧老化性能[J]. 钢铁, 2025, 60(9): 184-193.

[1]SU Chang, ZHAO Ling, LIU Shun, et al. Thermal-oxidative aging resistance of steel slag-based stone crystal composite[J]. Iron and Steel, 2025, 60(9): 184-193.