基于羊毛纤维和废水污泥胞外聚合物的纤维板阻燃与力学性能研究

研究人员针对传统纤维板易燃及机械性能不足的问题，开展了一项创新性研究，通过将废水污泥中提取的胞外聚合物（EPS）与羊毛纤维结合，开发出兼具优异阻燃性（V-0级）和机械强度（弯曲强度提升39%）的可持续纤维板。该研究不仅为废弃羊毛和污泥资源化提供了新途径，还为建筑领域防火材料的设计提供了科学依据。

　　

在建筑和交通领域，纤维板的广泛应用对材料的阻燃性和机械性能提出了严苛要求。传统植物基纤维板虽成本低廉，但易燃性高；而动物纤维如羊毛虽具天然阻燃性，却因直径过粗（>40 μm）长期被视为低价值废弃物。与此同时，废水处理厂污泥中的胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）因富含蛋白质和多糖，展现出优异的成炭能力和热稳定性，但其在复合材料中的应用尚未充分探索。如何将这两种“废弃物”转化为高性能材料，成为研究者面临的挑战。

为此，Nur Mufidatul Ula团队在《Materials Today Sustainability》发表研究，首次将EPS与羊毛纤维结合，开发出新型纤维板。研究通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估材料热性能，采用自主设计的干法成型工艺（含鼓式混合机和热压机）制备复合材料，并通过锥形量热仪（ASTM E1354）和垂直燃烧测试（ASTM D3801）系统评估其阻燃性。

关键方法

研究从新西兰Bloch & Behren公司获取粗羊毛纤维（直径36.9±4.2 μm），从污水处理厂提取EPS（产率325 mg/g污泥），采用聚酰胺胺-表氯醇（PAE）树脂作为粘合剂。通过纤维长度分布分析、FT-IR光谱表征化学键合，并测试弯曲强度（ASTM D790）和内结合强度（ASTM D1037）。

研究结果

3.1节显示，EPS的玻璃化转变温度（130.25°C）高于羊毛（116.1°C）和PAE（78°C），预示其热稳定性。3.2节通过FT-IR证实EPS的羧基与PAE的氮杂环丁烷基团反应，形成共价交联网络。3.4节表明，30 wt% EPS使纤维板弯曲强度提升39%，内结合强度提高216%，归因于EPS促进纤维分散和多重键合（图3c）。3.5节中，锥形量热仪显示EPS使峰值热释放率（PHRR）降低至260.85 kW/m²，垂直燃烧测试达到V-0级（自熄时间1-2秒），且EPS含量越高，炭层覆盖越局部化（图8），有效抑制火焰蔓延。

结论与意义

该研究开创性地将废水污泥EPS与废弃羊毛结合，解决了传统纤维板易燃和PAE树脂热稳定性差的问题。EPS的引入不仅通过成炭效应（残炭率27.18 wt%）提升阻燃性，还通过增强界面相互作用显著改善力学性能。相比传统中密度纤维板（HRR约400 kW/m²），羊毛-EPS纤维板展现出更优的综合性能，为建筑防火材料提供了可持续解决方案，同时实现了废弃物高值化利用。