回收羊毛/染色亚麻残留物多层针刺非织造布：层数与纤维交错对可持续建筑隔热性能的调控

《Materials Today Communications》：Sustainable Thermal Insulation Materials: Performance of Multilayer Needle-Punched Nonwovens Based on Wool and Linen Fiber Residues

　　

多层非织造布（nonwoven fabrics, NWFs）完全由回收纺织废弃物制备。羊毛-亚麻层叠改善了热性能（thermal performance）和热惰性（thermal inertia）。五层NWFs实现了60–85 mW/m.K的导热系数（thermal conductivity）。尽管吸水率（water absorption）高达814%，所有NWFs仍保持尺寸稳定（dimensional stability）。纺织废弃物NWFs是有前景的可持续建筑隔热材料（sustainable building insulation materials）。

研究背景与问题。建筑隔热是建筑能效的基础，可降低围护结构传热并减少供暖和制冷负荷；建筑约占全球能源使用近40%和CO₂排放三分之一以上，欧盟建筑约占最终能耗40%和温室气体排放36%，葡萄牙约占30%。常用膨胀聚苯板、聚氨酯泡沫和矿棉虽导热低、成本低，但源于化石资源、生产能耗高且可在填埋场持久存在。农业残留、天然纤维和纺织废弃物的纤维隔热材料因低环境足迹和循环利用潜力受到关注。针刺非织造布（NWFs）可由梳理、铺层和带刺针机械缠结制备，无需化学粘合剂，并可通过孔隙率和厚度设计。然而，生物基NWFs热-力学行为系统数据有限；已有研究多为单纤维网、双层木棉、多层聚酯/棉或单层与多层合成非织造布，尚未系统改变层数及两种化学和形态不同废弃天然纤维（硬挺低卷曲纤维素亚麻与蓬松卷曲角蛋白羊毛）的交错模式，并在相同工艺下与合成对照比较。该研究因此以染色亚麻（dyed linen, dLinen）和回收羊毛（recycled wool, rWool）制备纯组分及交错多层NWFs，考察三层与五层及纤维排列对导热、热阻、力学等性能的影响，并以回收聚酯（recycled polyester, rPES）为对照。

关键技术方法。纤维来自Somelos Fios S.A.（Ronfe, Portugal）供应的消费后纺织残留物，未额外清洗或纯化。研究人员将dLinen、rWool和rPES分离、梳理成网，单面预针刺制备预针刺毡，再将3或5个预针刺毡双面针刺固结为NWFs，并制作100%单纤维和dLinen/rWool交错结构。表征包括形貌、厚度/面密度/孔隙率与孔径、接触角、EN 1609短期吸水和EN 1604尺寸稳定性、FTIR-ATR（衰减全反射傅里叶变换红外光谱）、透气与透湿、拉伸/压缩/穿刺、TGA/DSC（热重分析/差示扫描量热法）、Alambeta热性能、木箱原型热延迟及NF G 07-184燃烧行为；多数测试三重复，以均值±SD（标准差）表示。

3.1 物理评价：通过显微观察和厚度、面密度、孔隙率及孔径测定，发现rPES纤维最粗、dLinen最细、rWool高度卷曲；单层rPES和dLinen孔隙率约91%，rWool约85%。多层NWFs面密度呈亚比例增加，归因于梳理和多道针刺中的纤维损失；交错层具有清晰界面和异质互连通道。

3.2 润湿性：通过时间分辨接触角测定，所有NWFs初始表观接触角约105°–153°，疏水性主要受表面形貌、孔隙和空气截留控制。rPES最稳定，rWool随时间下降最大（Δ≈15.9°），dLinen疏水性最低；交错结构介于两者之间，外层纤维和层间纤维迁移影响表观润湿。

3.3 吸水与尺寸稳定性：通过EN 1609 24 h部分浸水，rPES表面疏水但体相吸水最高达488.41%，dLinen最高达814.33%，rWool最低为6.29%；吸水随层数增加而下降，交错结构介于两者。EN 1604在70°C/90% RH（relative humidity，相对湿度）下48 h后长度和宽度无可测变化，质量损失为0.28%–6.87%，其来源不能由该实验确证。

3.4 化学基团鉴定：通过FTIR-ATR确认rPES、dLinen和rWool分别具有PET、纤维素和角蛋白特征基团；交错NWFs无新峰或主峰强度显著变化，说明针刺仅形成物理缠结，未引入新化学相互作用。

3.5 透气与透湿：通过ISO 9237和Permetest测定，rPES透气最高约6.1 L/s；3rPES降至约2.5 L/s；5rPES透气低但绝对透湿约300 Pa.m²/W；天然纤维相对透湿约26%。孔径、压实程度和曲折度比总孔隙率更决定透气性。

3.6 力学响应：通过拉伸、压缩和穿刺测试，5rPES拉伸接近8 MPa、穿刺阻力高于15 MPa、压缩应力高于0.2 MPa、断裂伸长高于130%；单一天然纤维拉伸低于0.1 MPa、伸长低于30%。3层结构力学改善；5dLinen-rWool穿刺高于单一天然纤维，压缩与聚酯统计相当。按面密度归一化后，rPES拉伸和穿刺仍高；5dLinen-rWool归一化压缩数值最高但与5rPES无显著差异（p=0.11）。

3.7 热性能：通过TGA/DTG/DSC和Alambeta测定，天然纤维热稳定性低于rPES；交错结构降解更渐进，5层ΔH约?5至?6 J/g。rPES导热约45 mW/m.K、热阻约0.125 m².K/W；dLinen约54 mW/m.K和0.110 m².K/W；rWool约42 mW/m.K和0.110 m².K/W。5层交错NWFs热阻约0.120–0.140 m².K/W、导热低于85 mW/m.K、热扩散率约0.4–0.6×10^-7 m²/s。

3.8 原型箱热性能：通过木箱加热至60°C后冷却至约30°C的测试，所有NWFs均延迟传热。未涂层箱约40 min达60°C、约17 min冷却；单层dLinen延迟最大（约50 min），rPES约46 min，rWool约42 min。3层交错和羊毛结构可达约62–65 min并延长冷却；5rWool-dLinen峰值约72 min，5rWool冷却约80–90 min；5rPES冷却回30°C约120–125 min，主要归因于热质量。

3.9 阻燃性：通过NF G 07-184实验设置评估，rPES燃烧时间短（单层46±27 s、三层21±3 s、五层24±2 s），发生熔融收缩并自熄，单层损伤面积44.4±9.8%，多层为5.7±2.0%和1.6±0.9%。dLinen单层146±30 s、三层180±21 s最长，单层损伤面积12.3±2.6%但取出即崩解；5dLinen为40±18 s、损伤0.4±0.3%且未传播至 upper edge。rWool单层约32 s但损伤面积66.6±7.9%，三层和五层约32/34 s且损伤面积1.3±1.1%和1.9±0.7%。交错结构三层燃烧26–42 s、五层22–28 s，无可测损伤面积且视觉完整。

讨论部分总结：rPES力学性能优、热扩散快且体相吸水高；天然纤维导热较低、热惰性较好但力学较弱；5层交错结构在热阻、热延迟、透湿、阻燃和结构完整性之间取得最平衡表现。但其纯热阻仍低于常规合成保温材料（22–45 mW/m.K，R约0.15–0.25 m².K/W），达到R≈2.5 m².K/W可能需约14–21 cm厚度，并需实验确认。

研究结论部分翻译如下：该研究据研究人员所知，首次系统评价了由回收羊毛与染色亚麻两种不同纺织废弃纤维组合的多层NWFs中层数和交错模式，并与合成对照进行比较。结果突出纤维组成、层数和结构压实之间的明确关系。rPES NWFs取得最高力学强度，拉伸接近8 MPa、穿刺阻力高于15 MPa、压缩应力超过0.20 MPa，归因于其致密形态；但其高热扩散率降低热惰性，尽管厚度和质量更大仍限制隔热效率。相反，仅由天然纤维制成的NWFs力学阻力较低（<0.2 MPa），但呈现有利的导热系数（42–54 mW/m.K）和较慢传热，与羊毛和亚麻的多孔、吸湿特征一致。交错NWFs，尤其5层结构，提供最平衡性能：中等力学强度（穿刺阻力≈10 MPa）与有竞争力的热行为（导热系数低于85 mW/m.K、热阻最高0.14 m².K/W、热扩散率较低）。原型箱测试证实其可延迟升温至72 min并将冷却时间延长至接近90 min，相对于0.5–1.2 cm的小厚度显示显著热惰性。结果指向纤维交替的结构效应：羊毛增强热缓冲，亚麻改善结构内聚。燃烧测试进一步显示纤维组成强烈影响燃烧行为，富亚麻NWFs燃烧时间最长，而含羊毛和交错结构通常燃烧持续时间较短且燃烧更局部化。润湿性结果证实疏水表面主要受孔隙率和粗糙度控制，rPES最稳定，rWool随时间最不稳定，dLinen疏水性最低。短期吸水测试显示表面与体相行为的类似解耦：尽管表面疏水，rPES在体相浸泡中吸水最多（488.41%），而rWool因表皮限制液体渗透吸水最少（6.29%），在测试大部分时间保持漂浮。所有NWFs在加速湿热老化下保持尺寸稳定，质量损失0.3%–6.9%，可能部分反映纤维吸湿性差异，但其来源不能由该实验确证。总体而言，虽然rPES在纯力学需求上仍优，天然纤维NWFs，尤其5层交错结构，作为轻质、透气、生态高效隔热材料的有前景替代品出现。其热延迟、湿度调节、受控燃烧行为及与天然纤维组成相关的可生物降解潜力（该研究未直接测试）应对传统合成隔热材料相关的可持续性挑战。此外，其低密度、小厚度和受控水蒸气渗透性使其成为建筑围护结构应用的吸引候选，其中热性能需与湿热舒适平衡。进一步优化压实、表面处理和规模化工艺可增强耐久性并拓展建筑适用性，推进向循环、低影响建筑材料转型。