利用制革废料（削匀粉尘与抛光粉尘）增强环氧树脂复合材料制备阻燃配电板：实现废弃物高值化利用

《SPE Polymers》：Fire-Safe Switchboard From Epoxy Composites Reinforced With Shaving and Buffing Dust for Waste Valorization

本研究创新性地将制革固体废弃物（TSW）中的削匀粉尘（SD）与抛光粉尘（BD）与竹纤维（BF）共同作为增强相，通过环氧树脂（Epoxy）基体复合，成功制备出性能优异的阻燃配电板。该复合材料不仅实现了废弃物的高值化利用，还展现出卓越的力学性能（拉伸强度29.21 N/mm2）、高表面电阻（5.09 GΩ）及良好的阻燃性（燃烧时间9.34 s），为皮革工业的可持续发展及循环经济提供了创新解决方案。

　　

文章内容归纳总结

1 引言：制革废料的环境挑战与高值化机遇

皮革工业在将生皮加工成稳定皮革的过程中，会产生大量的制革固体废弃物（TSW），其中富含蛋白质的削匀粉尘（SD）和抛光粉尘（BD）利用率极低。据统计，每加工一吨生皮，约产生200公斤非鞣制废料和250公斤鞣制废皮革，同时产生30-50立方米废水。这些固体废弃物主要由50%-60%的肉渣、30%-40%的削匀粉尘和铬屑、5%-7%的生皮边角料以及2%-5%的毛发组成。其中，抛光粉尘是皮革整理工序的副产品，每吨加工皮料约产生2-6公斤。

这些废弃物若处理不当，会通过重金属的生物富集污染地下水资源并导致严重的土壤退化，尤其是在孟加拉国等中低收入国家，由于缺乏完善的基础设施，露天焚烧或不受控制的填埋会释放有毒的二噁英和呋喃，造成严重的环境污染。因此，将TSW转化为聚合物复合材料，不仅是一种环境友好的处置替代方案，也是实现资源循环利用、促进可持续发展的关键策略。

2 实验部分：材料制备与表征方法

2.1 材料与样品制备

本研究从孟加拉国萨瓦尔的BSCIC皮革工业区收集了削匀粉尘和抛光粉尘。削匀粉尘呈纤维状、质地粗糙（粒径大于500 μm），含水率为30%-35%；而抛光粉尘则非常细，呈粉末状（粒径小于100 μm），纤维含量较少，含水率为14%-18%。此外，还从当地市场购买了竹纤维（BF）作为增强材料，并选用环氧树脂和K-6（三乙烯四胺）作为基体和固化剂。

复合材料的制备采用手糊成型技术。首先将SD、BD和BF在100°C的烘箱中脱水48小时以去除残留水分，然后使用实验室级粉碎机将其粉碎成细粉。随后，按照特定比例（如表1所示）将环氧树脂、固化剂、竹纤维以及皮革废料粉末混合，在100 rpm的转速下搅拌约10分钟，直至混合物颜色从透明变为略微浑浊，确保完全均质化。将均匀的混合物倒入玻璃模具中，在环境条件（相对湿度60%±2%）下固化24小时，随后在60°C下后固化2小时，最终得到尺寸为12 cm × 12 cm × 0.35 cm的复合材料板材。

2.2 表征与性能测试

为了全面评估复合材料的性能，研究采用了多种分析技术：

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  傅里叶变换红外光谱（FTIR）： 用于表征复合材料中各组分的官能团。
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  场发射扫描电子显微镜（FESEM）： 用于观察填料在环氧树脂基体中的分布、分散情况以及界面结合状态。
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  X射线衍射（XRD）： 用于分析复合材料的结晶-非晶结构。
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  热重分析（TGA）： 用于评估复合材料的热稳定性和分解行为。
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  力学性能测试： 包括拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量和硬度（肖氏D）测试。
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  吸水性测试： 通过浸泡在蒸馏水中测量重量增加来评估。
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  降解性能测试： 包括土壤埋藏降解和水中降解测试。
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  阻燃性评估： 根据ASTM D3801标准进行垂直UL-94（V-0）标准燃烧测试。
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  电学性能测试： 使用兆欧表测量表面电阻。
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  重金属分析： 使用紫外-可见分光光度计和原子吸收光谱（AAS）检测六价铬（Cr(VI)）和总铬含量。

3 结果与讨论

3.1 复合材料的结构表征

FTIR分析显示，复合材料在3300-3500 cm^-1处出现宽峰，对应于填料中吸收水分的O-H伸缩振动；在1602-1606 cm^-1处的峰归因于削匀和抛光粉尘中胶原蛋白的C=O和芳香族C=C伸缩振动；在1720-1730 cm^-1处的峰对应于皮革废料填料中氧化蛋白质残基的羰基；在1240-1290 cm^-1处的强信号对应于环氧网络的C-O-C不对称伸缩振动。这些结果表明，皮革废料和竹纤维已成功物理掺入环氧树脂基体中。

FESEM图像显示，抛光粉尘颗粒在环氧树脂基体中分散均匀，竹纤维呈现出特征性的蜂窝状形态。表面粗糙度分析表明，含有削匀粉尘的SB复合材料表面粗糙度较大，而含有抛光粉尘的BB复合材料表面粗糙度较低。EDX分析显示，SBB复合材料的元素组成为碳（69.49%）、氧（21.93%）、氮（6.31%）以及痕量元素（Al、Ca、Fe，总计2.26%）。

XRD图谱显示，所有样品在2θ约为18°-20°处均显示出宽的非晶晕，这是固化环氧网络的典型特征。填料掺入并未引入结晶度或结构有序性，表明复合材料主要为非晶态结构。

3.2 热稳定性分析

TGA分析表明，复合材料在50°C至200°C之间失重约2%-4%，主要归因于水分蒸发和低分子量挥发物的释放。在200°C至300°C之间，失重极小（2%-3%），表明在此温度范围内开关板具有良好的热稳定性。在350°C至400°C之间，复合材料经历了最显著的热降解，失重约44%-54%，这归因于环氧树脂结构及其与竹纤维、削匀粉尘和抛光粉尘的分解。总体而言，SBB样品表现出比SB和BB样品略好的热稳定性。

3.3 力学性能

力学性能测试是评估开关板可用性的关键指标。研究制备了一系列不同比例的复合材料，以确定具有最佳力学性能的配方。结果表明，SBB（削匀粉尘+抛光粉尘+竹纤维）复合材料的拉伸强度最高，达到29.21 N/mm²，显著优于其他样品。SB（削匀粉尘+竹纤维）和BB（抛光粉尘+竹纤维）复合材料的拉伸强度分别为21.32 N/mm²和22.67 N/mm²。

在断裂伸长率方面，SB、BB和SBB样品分别为1.17%、1.19%和1.16%。SBB样品表现出最低的断裂伸长率，表明其基体粘附性优于SB和BB。在杨氏模量方面，SBB样品表现出最高的模量值（1450.487 N/mm²），表明其刚度最大。在硬度方面，SBB样品表现出最高的肖氏D硬度值（78），比对照样品提高了290%。这种改善归因于更好的填料分散性和增强的界面结合。

3.4 吸水性、溶胀性和降解性

吸水性测试表明，SBB复合材料在所有测试样品中表现出最高的吸水率。这归因于削匀粉尘和抛光粉尘的亲水性，以及复合材料在制造过程中可能产生的微米级和纳米级孔隙。然而，在30分钟的浸泡测试中，BB、SB和SBB样品的溶胀率分别为0.19%、0.15%和0.16%，表明所开发的复合材料板在潮湿条件下具有良好的尺寸稳定性。

降解性能测试显示，在水中浸泡3个月后，SBB样品的质量损失最高，为3.1%。在土壤埋藏降解测试中，SBB样品在3个月后的降解率最高，达到23.5%。这归因于削匀粉尘和抛光粉尘主要由蛋白质组成，在土壤条件下容易被蛋白水解微生物降解。

3.5 阻燃性

阻燃性测试是电气应用中的关键安全指标。在垂直燃烧测试中，SBB复合材料表现出最高的阻燃性，燃烧时间为9.34秒，比对照样品延长了116%。此外，在测试过程中未观察到熔融材料滴落或棉花点燃的迹象，所有复合材料样品在移开火焰后立即停止燃烧，表明其具有良好的自熄性。

3.6 电学性能与安全性

电学性能测试显示，SBB复合材料表现出最高的表面电阻，达到5.09 GΩ，比对照样品提高了360%以上。在闭合电路测试中，当电流通过复合材料板时，灯泡未点亮，表明没有电流通过复合材料板，其电阻足够高，与商业开关板相当。这表明所开发的复合材料板适合用作开关板或电气绝缘体，不会造成电气危险。

重金属分析显示，在SBB复合材料的UV-vis光谱中，在540 nm处未观察到特征吸收峰，证实了复合材料中不存在六价铬（Cr(VI)）。AAS分析表明，铅和镉的浓度低于检测限，铬的浓度也显著低于口服参考剂量（RfD），表明这些材料在潜在人体接触应用中具有安全性。

4 结论与展望

本研究成功地将制革固体废弃物（削匀粉尘和抛光粉尘）与竹纤维共同作为增强相，通过环氧树脂基体复合，制备出性能优异的阻燃配电板。该复合材料不仅实现了废弃物的高值化利用，还展现出卓越的力学性能、高表面电阻和良好的阻燃性，为皮革工业的可持续发展及循环经济提供了创新解决方案。

未来研究可以探索应用先进的制造技术（如挤出和3D打印）来优化复合材料性能，或使用纳米填料（如纳米粘土、SiO₂和TiO₂）来增强界面粘附性。此外，进行开发复合材料与标准工业开关板之间的比较生命周期评估（LCA），以评估其在商业层面扩大规模的可行性，将是未来重要的研究方向。