利用低浓度化学机械制浆技术开发基于一年生植物残渣的松散填充隔热材料及其性能研究

推荐：为应对建筑行业高能耗和温室气体排放问题，研究人员通过低浓度化学机械制浆(CMP)技术处理小麦秸秆、芦苇和玉米秆等一年生植物残渣，开发出松散填充隔热材料。结果表明，CMP处理显著提升材料均质性，降低堆积密度至60 kg/m3，热导率仅为0.041–0.046 W/mK，且抗沉降性优异。该研究为可再生资源在建筑隔热领域的应用提供了可持续解决方案。

　　

随着全球建筑能耗占比达30%-40%且贡献了三分之一的温室气体排放，开发可持续隔热材料成为实现碳中和目标的关键。传统矿物棉等材料存在高隐含碳问题，而植物基材料虽具潜力，但短纤维处理技术和长期性能稳定性仍是瓶颈。在此背景下，拉脱维亚科学委员会资助的研究团队创新性地利用低浓度化学机械制浆(CMP)技术，将农业废弃物转化为高性能松散填充隔热材料，相关成果发表于《Journal of Renewable Materials》。

研究团队选取拉脱维亚本地的小麦秸秆(WS)、芦苇(WR)和玉米秆(CS)为原料，采用2%-8% NaOH溶液预处理结合盘式精磨机(GU型磨盘)的CMP工艺。通过控制磨盘间距(0.25-0.75 mm)和碱浓度，系统优化了纤维解离效果。关键实验技术包括：1) EN 15149-1标准筛分分析粒径分布；2) EN 12086法测定水蒸气扩散系数(VDC)；3) ISO-8301热流法检测热导率；4) EN 15101-1+A1振动沉降测试；5) NREL标准方法分析化学成分。

3.1 CMP工艺优化
研究发现8% NaOH最适于芦苇处理(WR30_8GU)，而小麦和玉米秆仅需2%碱浓度(WS30_2GU/CS30_2GU)。GU型磨盘在0.25 mm间距下产生的纤维束长径比最优，使堆积密度降低50%至21-25 kg/m³，干物质损失率控制在20%-38%。

3.2 材料特性
化学组分显示CMP使纤维素含量提升5%-8%，木质素降低3%-5%（芦苇最显著）。显微镜观察发现纤维束呈平行排列而非单纤维状态，10 mm以上大颗粒占比达61%（芦苇），有效抑制沉降。水保留值(WRV)显示芦苇经CMP后从84%增至126%，而小麦/玉米变化较小，可能与天然疏水性有关。

3.3 性能指标
所有CMP材料在60 kg/m³密度下热导率达0.041-0.046 W/mK，与商业木纤维(0.038 W/mK)接近。水蒸气扩散系数μ降至1.72-3.34，优于矿物棉(μ=1)。沉降测试表明CMP材料最终密度仅为CM的40%，计算显示单位面积用量13.6-16.1 kg/m²，比未处理材料节省50%。

该研究证实低浓度CMP可高效转化农业残渣为高性能隔热材料，其热物理性能媲美商业产品，且具有更优的碳封存潜力。特别值得注意的是，CMP工艺通过调控纤维束形态而非追求单纤维分离，在保证性能的同时大幅降低能耗。研究为《欧洲绿色协议》倡导的68%隐含碳减排目标提供了可行路径，未来需进一步验证材料在湿热环境下的长期耐久性。