《Waste Management》：Valorization of textile waste into high-strength polypropylene composites using an innovative composite fabrication method: A technological strategy towards circular economy
编辑推荐：
•解决纺纱厂废棉纤维问题。•将废棉纤维重复利用/回收以开发热塑性复合材料的可能性。•创新复合材料的制造方法以提高纤维-基体界面黏结性能。•所开发复合材料力学性能和层间剪切强度的提升。•扫描电镜揭示了废棉纤维与聚丙烯之间存在高质量界面。引言世界人口每年以8300万人的速度急剧增
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解决纺纱厂废棉纤维问题。
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将废棉纤维重复利用/回收以开发热塑性复合材料的可能性。
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创新复合材料的制造方法以提高纤维-基体界面黏结性能。
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所开发复合材料力学性能和层间剪切强度的提升。
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扫描电镜揭示了废棉纤维与聚丙烯之间存在高质量界面。
引言
世界人口每年以8300万人的速度急剧增长，目前人口76亿，预计到2050年将达到98亿（联合国经济和社会事务部，2017）。处于发展阶段的印度已成为世界上人口最多的国家。因此，可以预期这个不断增长的人口对住房和建筑材料有着巨大的需求。目前，全球住房短缺，80%的城市无法为其居民提供住房选择。这一危机迫使人们迁往人口稠密且共享的住所，以获取教育和就业机会（《可持续与可负担住房报告》——世界绿色建筑委员会，无日期）。这一问题在印度尤为明显，2012至2017年间城市住房短缺达1878万套。相当大的一部分人群，即2600万至3700万户家庭，居住在未经批准的非法非正式住房中。为克服这一短缺，印度政府的目标是建造1120万套住房，但截至2021年6月仅提供480万套（《印度持久存在的城市住房短缺：升级非正式定居点的案例》，无日期）。因此，很明显，全世界都面临着住房和建筑材料短缺的问题。因此，科学家和政策制定者必须通过提供可持续的解决方案来弥合这一差距。
由于选择多样化和消费者时尚趋势的变化，全球纺织品服装的生产和消费急剧增长。当这种快速消费转化为废弃物并被倾倒或露天焚烧时，这一现象从可持续性和循环性的角度值得考量（Rahman和Cherian，2022）。因此，管理这种废弃物至关重要，尤其是棉废弃物，其占纺织废弃物总量的24%（Lu和Lam，2023）。2024至2025年，全球棉花生产和消费量分别估计为1.17亿包和1.143亿包，年增长率约为1.5%。亚洲国家，主要是中国和印度，预计在2033至2034年将拥有最高的棉花生产量、消费量和棉纺厂用量。与此同时，美国将成为最大的棉花出口国（Hudson和Liu，2024）。在此背景下，纺纱厂棉花加工过程中产生的消费前废弃物将产生大量废料。梳棉、梳理和开棉是纺纱厂中主要的废弃物产生阶段。根据需求，这些废弃物可通过一些改良/混合处理回收为纱线。将废弃物回收生产增值产品已成为全球范围内的主要策略之一，旨在减少碳足迹并提高包括纺织业在内的各行业的循环性（Du和Zhang，2025；Zhao和Wang，2023）。回收纺织废弃物的部分策略如下。
消费后废弃物包含各种配件，如拉链、纽扣和钩子。棉纤维有时经过染色并与其他纤维混纺，以制成美观的产品。在这些条件下，回收变得困难，研究人员采用机械和化学回收技术。例如，先前的研究人员从纺织行业收集牛仔布废弃物，将其切成小条，使用NaOH和Na2S2O4进行脱色。然后，将纯棉条在KMnO4中漂白后在梳理机中进行开松处理（Wang和Fan，2023）。通过化学回收，在1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯鎓乙酸盐溶液中通过Lyocell型纺丝过程，从废弃纺织废料中回收了拉伸强度为870 MPa的棉纤维（Asaadi和Sixta，2016）。而来自纺织废弃样品的无化学助剂棉纤维回收则通过机械精制（使纤维产生微纤化）和酶解法报告（Vera和Gonzalez，2023）。研究人员还展示了将纺纱厂废料转化为造纸的可行性。将废棉纤维清洗、纯化、干燥后在谷槽打棉机中处理，将纤维浸泡在水中。然后，通过施加400 kPa的压力5分钟制备手抄片（S. Rahman和Uddin，2022）。另一项研究利用纺纱厂废料制备了一种生物复合材料。纺织废料与高分子基体的组合为开发低载荷应用包装材料提供了途径（Reza和Uddin，2023）。在另一项研究中，从梳理机收集的纺纱厂废料被增强在环氧基体中，用于热和声学应用（Jawahar和Selvaraj，2023）。这些研究，尤其是涉及复合材料制备的研究，涉及废棉纤维的熔融混合。虽然已有关于聚丙烯纤维与SMWCF干混的有限研究报道，但这些可回收复合材料的可扩展性方面仍然缺乏。
从上述研究可以清楚地看出，纺纱厂废料可以被回收或转化为有用的产品。在本研究中，纺纱厂废料被转化为新型低成本热塑性复合材料，以满足建筑材料的需求。研究重点关注通过在SMWCF与聚丙烯基体之间提供优异的界面性能来开发热塑性复合材料。为实现这一目标，作者尝试通过一种新颖的方法将棉纤维放置在聚丙烯纤维旁边。常用且低成本的聚丙烯被用作粘合材料（Casadesús和Carrillo，2019；Mohammadi和Koloor，2023）。SMWCF和聚丙烯纤维通过梳理机以不同比例进行混合。梳理机在SMWCF上产生了独特的表面粗糙度，有助于提高复合材料的力学性能。然后将混合纤维在200°C、180°C和25 bar条件下在压缩成型机中进行处理，制备复合材料样品。这使我们能够研究其力学性能（拉伸强度、弯曲强度和冲击强度）、热性能和形貌特性。相关文献综述证实，目前尚无任何类似研究采用了类似于我们的方法来利用纺纱厂废料和聚丙烯纤维。作者成功地、简便有效地开发了高强度热塑性复合材料。这是一个可扩展的工艺，为开发面向循环经济的材料以满足建筑材料需求提供了途径。该方法还提供了SMWCF与聚丙烯纤维干混的优势，从而无需其他熔融混合工艺，如挤出和注塑成型。
章节摘要
原材料及其表征
SMWCF含有15%杂质，采购自印度拉克什米·纳拉亚纳棉纺厂。该工厂提供了由环锭纺纱机产生的纺织废料，其中短绒：84.1%，碎屑：15.1%，隐性损失：0.1%。该SMWCF的物理性能如表1所示。由于收集的废料含有杂质，因此在实验室仪器中进行了处理，去除其碎屑/非纤维元素，使其适合作为增强材料。
所开发复合材料的密度和孔隙率
所制备复合材料的密度结果如表2所示。可以注意到，复合材料的密度随SMWCF质量百分比的增加而增加。当使用不同质量百分比的SMWCF增强环氧基体时也观察到了相同的密度增加趋势（Wang和Ali，2019）。在所有开发的复合材料中，PP 60 SMWCF 40B样品的最大密度为1.07 g/cm3。基于实验和理论密度，所有开发的
结论与未来展望
本研究提出了一种利用SMWCF和聚丙烯纤维开发高强度复合材料的创新方法。采用梳理工艺将SMWCF和聚丙烯纤维均匀混合以生产混纺纤维网，然后通过热压将其转化为刚性复合材料。对SMWCF不同质量百分比对复合材料力学性能、粘弹性能和热性能的影响进行了深入研究。在200°C下制备的复合材料拉伸强度达54.5 MPa，弯曲
CRediT作者贡献声明
Pankaj：撰写—初稿，撰写—审阅与编辑，方法论，数据管理。Vijay Baheti：指导监督，形式化分析。Javed Nabibaksha Sheikh：指导监督，形式化分析。Harun Venkatesan：指导监督，形式化分析。Sohel Rana：指导监督，方法论，撰写—审阅与编辑，形式化分析，数据管理。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
作者非常感谢印度理工学院德里分校提供实验和测试设施。
Pankaj|Vijay Baheti|Javed Nabibaksha Sheikh|Harun Venkatesan|Sohel Rana
