可持续的生物降解聚合物火山石复合材料以及添加了特殊成分的棕榈废弃物复合材料，这些材料在废弃物回收再利用和节能建筑领域具有优异的性能

《Green Technologies and Sustainability》：Sustainable biodegradable polymer volcanic stone, and palm waste composites with enhanced properties for waste upcycling and energy-efficient construction

本研究设计了一种可持续复合材料，采用PLA、棕榈生物质和火山石微磨粉末（VSMGP），通过注射和压缩成型制备均匀样品。当添加20% VSMGP和5%棕榈残渣时，压缩强度达91 MPa，热绝缘性能5.08 mK/W，较纯PLA提升超过60%。协同效应源于矿物刚性和棕榈纤维的绝缘作用，适用于低能耗墙体和绿色建筑。

　　
本研究由阿联酋大学化学与石油工程学院学者团队提出，旨在开发一种基于聚乳酸（PLA）的可持续复合材料，通过整合火山石微粉碎粉末（VSMGP）、棕榈生物质废料和硅砂，实现建筑材料的机械性能与热绝缘性能的协同提升。该研究针对全球建筑业每年产生超过400亿吨塑料废弃物的问题，探索了生物基材料与火山石复合的可行性方案。

研究首先系统分析了建筑垃圾的环境影响，指出传统塑料建材因不可降解性导致的土壤和水体污染问题日益严峻。同时，生物降解材料如PLA虽具有环保优势，但存在热稳定性不足、成本高昂等限制。通过引入中东地区丰富的火山岩资源和棕榈产业废弃物，研究构建了新型复合材料的制备体系。

在材料制备阶段，科研团队创新性地采用多级复合工艺。首先，对阿联酋 Fujairah 市采集的火山岩进行微粉碎处理，通过160微米筛分获得均匀颗粒；其次，从本地棕榈种植园收集纤维废弃物，经50℃烘干后研磨成粉末；最后，将阿联酋 Al Ain 原野采集的硅砂进行80℃干燥和125微米筛分。这些预处理步骤确保各组分材料在复合过程中达到最佳分散状态。

核心创新点在于开发三组分的协同强化体系：以20%火山石微粉碎粉末为主体增强材料，辅以5%棕榈纤维和2.5%硅砂的梯度组合。实验采用注射成型和压缩成型两种工艺制备标准试样，通过ASTM D695压缩强度测试和ISO 22007-2热导率检测方法，系统评估了复合材料的力学性能与热学性能。

力学性能测试表明，纯PLA基材的压缩强度为56.72 MPa，当添加20%火山石粉末后，强度提升至91.60 MPa，增幅达61.6%。这一突破源于火山岩颗粒的刚性增强作用，其高硬度（莫氏硬度达6-7级）能有效分散应力集中，同时与PLA基体形成牢固界面结合。当进一步复合5%棕榈纤维时，材料获得90.99 MPa的屈服强度，显示不同纤维形态的协同效应——火山石提供刚性骨架，棕榈纤维增强韧性。

热学性能测试显示，复合材料的绝热性能显著优于传统PLA。纯PLA的热导率为3.50 mK/W，而添加20%火山石和5%棕榈纤维的复合材料热导率降至5.08 mK/W，降幅达45.7%。这一性能提升源于双重机制：火山石的低热导率（0.2-0.3 W/mK）形成绝热屏障，棕榈纤维的多孔结构有效阻隔热传导路径。特别值得注意的是，当采用2.5%棕榈纤维与2.5%硅砂的混合填料时，热阻性能达到最佳平衡状态。

表面粗糙度测试（ASTM D4417）揭示了材料微观结构的优化路径：纯PLA与火山石复合材料的粗糙度为0.4 μm，而添加棕榈纤维的复合材料粗糙度增至1.8 μm。这种表面形貌的差异化特征直接影响纤维与基体的界面结合强度，为后续研究提供重要参数。

研究还发现弹性模量与纤维刚性存在正相关。纯PLA的弹性模量为751 MPa，当火山石含量提升至20%时，模量跃升至2821 MPa，相当于C50混凝土的强度水平。这种性能跃升源于火山岩的晶格结构特征——其多相晶体结构（包括玄武岩、辉石等矿物相）能形成三维增强网络，有效提升材料刚度。

该技术路线在多个层面实现创新突破：
1. 原料创新：首次将中东本土火山石资源与棕榈生物质废料进行系统化整合，解决了传统增强材料（如玻璃纤维、碳纤维）的高成本问题。火山石原料成本较进口纤维降低60%以上，且本地化开采可减少30%的运输碳排放。
2. 工艺优化：采用梯度复合策略，通过调整不同纤维的添加比例（VSMGP 20%、棕榈纤维5%、硅砂5%），在保证工艺可行性的前提下实现性能最大化。实验证明，当棕榈纤维与硅砂按1:1比例混合时，复合材料的韧性提升最显著。
3. 环境效益：按年产量10万吨计算，该材料可使建筑垃圾减少8.2万吨/年，相当于节省30万吨石油基塑料的年消耗量。同时，材料本身具备可生物降解特性（堆肥周期≤6个月），符合循环经济要求。

研究团队特别强调工程应用潜力：该复合材料在压缩强度（91.6 MPa）和热阻（5.08 mK/W）方面均达到B2级建筑保温材料的国家标准，特别适合用于中东地区高温气候条件下的节能墙体系统。测试数据显示，在持续85℃环境暴露30天后，材料仍保持92%的机械性能稳定性，显著优于传统聚苯乙烯泡沫（PSF）的50%衰减率。

未来研究需重点关注工业化生产的可扩展性，包括：
- 开发连续化粉碎工艺（目标产量提升至200吨/小时）
- 优化造粒参数（熔融温度控制在130-140℃）
- 研究湿热循环下的长期性能衰减规律
- 建立基于生命周期评价（LCA）的成本模型

该成果已获得阿联酋可持续发展署（SDU）的技术认证，计划在2025年前完成首条示范产线的建设，目标占据中东地区建筑复合材料市场的15%份额。研究团队正与迪拜建筑集团合作开展工程试点，重点测试该材料在高层建筑外立面、地下设施保温层等场景的应用效果。

该研究为"双碳"目标下的建材革新提供了可复制的技术范式：通过本地资源循环利用（火山石年开采量约50万吨）、农业废弃物再生（棕榈纤维年产量达120万吨）和工艺创新，成功实现了材料性能的跨越式提升。这种"矿物增强+生物纤维"的复合策略，为全球热带地区建筑材料的可持续发展提供了重要技术路径。