基于咪唑类离子液体的可持续全纤维素复合材料从摇篮到大门生命周期评估

《GLOBAL CHALLENGES》：A Cradle-to-Gate Life Cycle Assessment of Sustainable All-Cellulose Composites Using Imidazolium-Based Ionic Liquid

　　

全纤维素复合材料（all-cellulose composites, ACCs）是由纤维素制成的单组分生物基绿色复合材料，由于其基体与增强纤维之间不存在化学不相容性，因此能够简化回收过程。然而，很少有生命周期评估（life cycle assessment, LCA）研究考察ACC的环境表现。本研究遵循ISO 14040: 2006框架，通过从摇篮到大门（cradle-to-gate）的LCA评估了ACC的可持续性。ACC通过将纤维素溶解于单独使用的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（EMIM OAc）或其与共溶剂二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide, DMSO）的混合液中进行制备。DMSO作为共溶剂用于降低EMIM OAc的粘度并改善纤维素的溶解。E60D40溶剂（60 wt.% EMIM OAc, 40 wt.% DMSO）表现出最低的全球变暖潜能值（global warming potential, GWP），为0.25 kg CO2 eq/FU，而E20D80溶剂的GWP最高，达到0.75 kg CO2 eq/FU，超过了单独使用EMIM OAc的情况（0.33 kg CO2 eq/FU），其中FU为ACC的等效质量。在不同溶剂方案下，人体健康、生态系统质量和资源稀缺性影响的范围分别为5.06 × 10?7–1.56 × 10?6 DALY/FU、1.15 × 10?9–3.94 × 10?9 species.yr/FU和2.70 × 10?2–8.20 × 10?2 USD2013/FU。这些发现表明，通过DMSO对纯EMIM OAc型溶剂配方的调控作用，可以使ACC的开发更具可持续性。

研究背景与问题提出

传统复合材料（如碳纤维-环氧树脂复合材料）面临诸多挑战，包括使用寿命结束后的回收困难、主要依赖化石燃料原料以及制造过程中较高的全球变暖潜能值（GWP）。例如，生产1 kg碳纤维基复合材料的GWP高达54 kg CO₂。纺织服装业是全球第二大污染行业，占全球碳排放量的8%-10%，每年排放约17亿吨CO₂，同时也是全球第二大水资源消耗者和微塑料与化学品的主要水体污染源。为解决这些问题，研究人员提出开发基于可再生生物基材料的复合材料。全纤维素复合材料（ACCs）是一种由纤维素制成的单组分生物基绿色复合材料，其基体和增强纤维均由纤维素构成，因此不存在化学不相容性，可通过纤维素溶解实现简便回收，具备替代传统化石燃料基复合材料并形成循环经济的潜力。尽管已有文献指出ACCs是传统化石燃料基复合材料的可持续替代品，但关于其可持续性和环境影响的定量研究十分有限。因此，本研究旨在通过从摇篮到大门（cradle-to-gate）的生命周期评估（LCA），量化评估不同溶剂配方下ACC生产过程的环境影响，并探讨其可持续性与力学性能之间的权衡关系。

研究方法概述

研究人员采用ISO 14040: 2006 LCA框架，结合实验室规模的ACC制备实验进行环境影响评估。关键方法包括：利用万能拉伸试验机（Instron 5584）依据ASTM D638标准测定杨氏模量（Young's modulus, YM）作为性能指标（performance indicator, PI）；通过碳酸盐基离子液体合成法（CBILS）流程推导EMIM OAc生产的质量和能量平衡；运用ReCiPe 2016 Hierarchist（H）方法在SimaPro v10.3.0.1软件中进行中点（midpoint）和终点（endpoint）环境影响评价；采用最大归一化方法和等权重分配构建多决策准则蜘蛛图进行情景排序。

研究结果

3.1 杨氏模量与密度

研究人员通过单因素方差分析（one-way ANOVA）比较五种溶剂体系（E100、E80D20、E60D40、E40D60、E20D80）制备的ACC的YM，结果显示各组间存在统计显著差异（F值=120.77，p值=1.05×10^-13）。YM在20 wt.% DMSO时达到峰值5.3±0.4 GPa，40 wt.% DMSO时为5.3±0.5 GPa，两者无统计显著差异（F值=0.04，p值=0.84），表明最优YM可能出现在20-40 wt.% DMSO区间。当DMSO浓度超过40 wt.%后，YM显著下降，至80 wt.% DMSO时仅为1.3±0.1 GPa，说明40 wt.% DMSO可能是纤维素溶解的关键临界点。ACC密度同样在40 wt.% DMSO时达到峰值1014±61 kg/m3，随后随DMSO浓度增加而大幅下降。

3.2 生命周期影响评估（LCIA）

中点影响评价显示，电力消耗是13个影响类别（包括GWP、电离辐射、臭氧形成、细颗粒物形成、陆地酸化、各类生态毒性、人类致癌与非致癌毒性、矿物与化石资源稀缺性）中最显著的贡献热点，占比28%-97%。棉纺织品的贡献主导了臭氧层消耗（ODP）（56%-62%）、海洋富营养化（63%-83%）、土地利用（61%-63%）和水资源消耗（32%-58%）。EMIM OAc的贡献主要集中于淡水富营养化（36%-76%）及多种生态毒性和人类非致癌毒性。终点影响评价结果与中点一致，电力使用仍是主要贡献者，EMIM OAc对人体健康和资源稀缺性有显著贡献，棉纺织品对生态系统质量影响重大。

在五种溶剂方案中，E60D40体系表现最优，其人体健康影响为5.06×10^-7 DALY/FU，资源稀缺性为2.70×10^-2 USD₂₀₁₃/FU，GWP为0.25 kg CO₂ eq/FU；E80D20在生态系统质量方面略优（1.15×10^-9 species.yr/FU）。E20D80在所有类别中表现最差，其人体健康影响为1.56×10^-6 DALY/FU，生态系统质量为3.94×10^-9 species.yr/FU，资源稀缺性为8.20×10^-2 USD₂₀₁₃/FU，GWP为0.75 kg CO₂ eq/FU，这归因于其YM较基准材料低约70%，需更多资源维持同等刚度。

3.3 多决策准则分析

研究人员构建了包含人体健康、生态系统质量、资源稀缺性、GWP和YM五个准则的归一化蜘蛛图，各准则等权重分配。排名结果显示，E60D40略优于E80D20约1%。考虑到EMIM OAc成本（约￡242/kg）远高于DMSO（约￡36/kg），E60D40在经济上更具优势。E20D80在所有准则中均得分为1，为最差方案。

讨论与结论

本研究表明，在不考虑溶剂回收的条件下，60 wt.% EMIM OAc和40 wt.% DMSO组成的溶剂是制备ACC的最优选择，其产品GWP为0.25 kg CO₂ eq/FU，YM达5.3±0.5 GPa。电力消耗是大多数环境影响的主要贡献者，源于ACC生产中高温纤维素溶解和干燥过程。因此，改进制备工艺（如使用清洁电力或降低温度）至关重要。EMIM OAc浓度对环境影响的贡献大于DMSO浓度，故寻找减少EMIM OAc用量的制备方法也具有重要意义。研究人员计划通过实验设计（DOE）建立ACC生产的最佳条件并进行工艺放大，同时建议未来基于其他性能指标（如极限抗拉强度）开展LCA研究，以更全面评估ACC的结构应用性能。