农业废弃物变身高性能复合材料：碳化牛骨颗粒增强环氧树脂的力学与阻燃性能研究

本研究针对合成填料的环境问题，创新性地利用碳化牛骨颗粒(FBP/CBP)作为环氧树脂的可持续增强材料。通过系统评估0-30 wt%负载下的力学性能(拉伸/弯曲/冲击)、吸水性和阻燃性，发现碳化颗粒使拉伸模量达4.98 GPa，燃烧速率降低至12.6 mm/min，为汽车/船舶等需要刚度与防火的应用提供了环保解决方案。

　　

随着全球对高性能复合材料需求的增长，传统合成填料如玻璃纤维和碳纤维面临环境可持续性挑战。这些材料不仅生产过程能耗高，且难以回收利用。与此同时，肉类加工业每年产生约1.3亿吨牛骨废弃物，大多被低值化利用或直接丢弃。牛骨作为天然复合材料，含有50-70%羟基磷灰石(HAP)和20-30%胶原蛋白，具有独特的力学性能，但其在聚合物复合材料中的应用受限于胶原蛋白的亲水性和弱界面结合。

为应对这一挑战，研究人员开展了将新鲜和碳化牛骨颗粒作为环氧树脂增强材料的研究。通过对比两种颗粒在0-30 wt%负载下的性能差异，发现碳化处理(450-500°C)可消除胶原蛋白，形成多孔碳结构，显著提升复合材料性能。该研究发表在《Hybrid Advances》期刊，为解决农业废弃物高值化利用和环保材料开发提供了新思路。

研究采用扫描电镜(SEM)观察颗粒形貌，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析化学组成，X射线衍射(XRD)测定晶体结构。力学测试包括拉伸、弯曲和冲击试验，并评估了吸水性和水平燃烧性能。所有复合材料采用LY556环氧树脂与HY951固化剂，通过硅胶模具制备标准试样。

在颗粒特性方面，SEM显示碳化牛骨颗粒(CBP)呈现多孔断裂表面，而新鲜颗粒(FBP)保留胶原纤维。FTIR证实碳化消除了酰胺键(1650 cm^-1)，形成石墨碳(1600 cm^-1)。XRD显示碳化后HAP晶粒尺寸从45.0 nm增大至52.2 nm。

力学性能测试表明，30 wt% CBP使拉伸模量达4.98 GPa，弯曲模量达5.09 GPa，比纯环氧树脂提高30%。但碳化颗粒的脆性导致30%负载时冲击能量下降62%。相比之下，20 wt% FBP复合材料保持3.50 J的冲击能量，展现更好的韧性。

功能性测试发现，CBP复合材料具有优异的阻燃性(燃烧速率12.6 mm/min)和低吸水性(0.59%)，归因于石墨碳的成炭能力和HAP的热稳定性。而FBP复合材料因胶原残留导致吸水率(1.31%)和燃烧速率(18.6 mm/min)较高。

该研究证实碳化牛骨颗粒可作为多功能环保增强材料，特别适用于需要刚度和阻燃性的结构应用，如汽车面板和船舶部件。新鲜骨颗粒则适合对成本敏感且需要一定韧性的场合。研究不仅推动了农业废弃物在材料科学中的高值化利用，也为开发生物基复合材料提供了重要参考，符合联合国可持续发展目标(SDGs)的要求。碳化处理有效解决了骨颗粒与聚合物基体的界面问题，同时保留了HAP的增强效果，这种"变废为宝"的策略为循环经济发展提供了新范式。