一种创新的阻燃复合无纺布，由回收的陶瓷纤维和聚对苯二甲酸乙二醇酯废纤维制成

《Polymer Degradation and Stability》：Innovative Flame Resistant Composite Non-woven Fabric From Recycled Ceramic and Polyethylene Terephthalate Waste Fibers

废旧纺织品通过开松、梳理、针刺和热压工艺制备成陶瓷纤维/PET夹层阻燃复合材料，UL-94测试显示V-0级阻燃，红外热成像证实优异隔热和抗烧蚀性能。燃烧分析表明陶瓷纤维残留炭与气体稀释协同抑制火焰，实现低成本环保再生。

　　

林雯|张晓琳|惠丹婷|李云

西安交通大学化学工程系，中国陕西省西安市710049

摘要

经济的快速增长加剧了全球纺织品的消费，使得废物管理基础设施不堪重负。目前大多数不可降解的纺织品通过填埋或焚烧处理，导致环境污染。为了解决这一问题，我们采用可持续的开纤-梳理-针刺-热压技术，将废弃物高效回收制成了一种防火复合材料。该复合材料以陶瓷纤维作为中间层，聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维作为外层。该复合材料在UL-94阻燃测试中获得了V-0等级认证，证明了其卓越的阻燃性能。红外热成像分析进一步证实了其优异的隔热和抗烧蚀能力。此外，对燃烧残渣炭和气态挥发物的深入研究表明，气相稀释与陶瓷纤维残渣炭的结合破坏了火焰与燃料的相互作用，从而抑制了燃烧。这项研究提供了一种简便且环保的策略，能够经济高效地回收废旧纺织品，不仅减少了资源浪费，还生产出了高价值产品，显著降低了环境污染。

引言

随着生活水平的提高，对纺织品的需求及其消耗量也在不断增加。据统计，2019年全球纺织品的年产量超过了1.11亿吨，并且逐年呈上升趋势[[1], [2], [3]]，其中70%为合成纤维[[4,5]]。2019年聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维的产量超过了3000万吨，到2022年占比达到了54%[[6,7]]。然而，关于无机纤维（如陶瓷纤维）回收的文献仍然非常有限，这主要是由于它们的高硬度和低变形性造成的。仅有约20%的废旧纺织品得到了回收，而大部分最终被填埋或焚烧[[8], [9], [10]]。这些处理方式不仅导致大量资源浪费，还带来了环境风险，与绿色、低碳的发展理念相悖。因此，有效回收废旧陶瓷纤维和PET纤维对于推动资源循环利用至关重要。

近年来，PET纺织品的回收途径主要包括机械回收、化学回收和新兴的酶法回收[[11], [12], [13]]。机械回收通过物理机械处理将PET纺织品转化为低级消费品（例如擦拭布）[[14,15]]。化学回收则将PET纺织品降解为低分子量的单体，用于新纤维的纺制[[16], [17], [18]]；而生物回收利用酶催化分解PET纺织品为寡聚物或单体[[19,20]]。研究人员还在探索利用昆虫或微生物将PET作为碳源的新方法[[21,22]]，但这些生物处理方法受到酶活性低、需要昂贵的预处理以及与工业方法不兼容的局限。尽管这些方法可以有效回收废旧PET纺织品，但它们普遍存在成本高、回收效率低和二次环境污染等问题。一些研究通过化学溶解废旧牛仔布或混纺面料制备纺丝原料，再进一步加工成纱线用于纺织品[[24,25]]；还有研究采用研磨、开纤和梳理等方法将废旧纺织品制成短纤维，作为填充或增强材料，并与树脂结合制成三维复合材料[[26], [27], [28]]。这些方法虽然有助于回收废旧纺织品，但回收材料的性能通常不如原生纤维。

鉴于陶瓷纤维优异的热稳定性和耐腐蚀性[[29,30]]，我们提出了一种简便且环保的无纺技术，用于高效低成本地回收废旧PET和陶瓷纤维。具体而言，通过开纤、梳理、针刺和热压的集成工艺制备了一种夹层结构的防火复合材料，其中PET纤维和陶瓷纤维分别作为最外层和核心夹层。首先将两种纤维开纤并梳理成网状，然后堆叠成夹层结构，再通过针刺和热压技术进行加固。所得复合材料获得了V-0阻燃等级，并表现出优异的隔热性能。通过分析燃烧残渣炭和气态挥发物的成分，系统研究了其阻燃机制。这项研究不仅验证了回收方法的可行性，还展示了该复合材料在防火领域的潜在应用，为减少碳足迹提供了创新途径。与传统需要分离和纯化的回收方法不同，我们的策略直接将废旧纤维整合到功能性复合材料中，避免了昂贵的步骤。

材料

回收的陶瓷纤维（1.3 Tex）来自用于管状保温的陶瓷纤维毯（GX2-8，廊坊博明保温材料有限公司，中国）。原生陶瓷纤维（27 Tex）购自四川华生金城耐火材料有限公司。实验室通过开纤和梳理废旧纺织品，收集了高熔点PET纤维（0.94 Tex）和低熔点PET纤维（0.50 Tex，熔点：150 °C，M_W=19000）。

复合毡的制备与表征

图1A展示了复合毡的制备过程，其中废旧纤维被梳理成网状并通过针刺和热压技术进行加固。回收过程中一个复杂的问题是纤维的来源[[33]]，这可能影响质量控制。每种纤维都有不同的型号和制造商，以及不同的使用历史。例如，PET纤维可能在多年作为工作服使用后才会被废弃。

结论

本研究提出了一种直接且可持续的方法，以环保的方式经济高效地回收废旧陶瓷纤维和PET纤维，从而减少了整体碳足迹。这种夹层结构的复合材料由废旧陶瓷纤维和PET纤维制成，通过开纤、梳理、针刺和热压技术制备而成。陶瓷纤维作为阻燃成分，PET纤维则起到粘合作用，使得复合材料具有防火性能。

作者贡献声明

林雯：撰写、审稿与编辑、验证、方法学研究。张晓琳：撰写初稿、数据管理。惠丹婷：数据管理。李云：数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了西安交通大学基本研究基金（资助编号：xzy012020028）、国家自然科学基金（资助编号：22005235）、西安C1化合物生物转化技术重点实验室开放基金、陕西省自然科学基础研究计划（编号：2024JC-YBQN-0533）、陕西省西安市北林区科技规划项目（编号：GX2309）等机构的支持。