纺织污泥衍生生物炭增强黄麻纤维/不饱和聚酯复合材料的低负载制备与力学性能表征

《Advances in Materials Science and Engineering》：Development and Characterization of Jute Fiber–Reinforced Unsaturated Polyester Composites: Effect of Biochar Derived From Textile Sludge

　　

研究人员通过热解（pyrolysis）由纺织工业固体废水（污泥）合成生物炭（biochar），并将其作为可持续亚微米填料（submicron filler，中位粒径～262 nm）以0.00–1.00 wt.%的负载量通过压缩成型（compression molding）引入1×1平纹黄麻增强聚酯复合材料。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和场发射扫描电子显微镜-能谱（FESEM-EDS）表征微观结构，并通过拉伸、三点弯曲和巴科尔硬度（Barcol hardness）测试评估力学性能。最佳增强出现在0.50 wt.%生物炭时，峰值拉伸强度为29.22±1.22 MPa（较对照27.77±2.84 MPa提高5.2%），拉伸模量为2543.58±57.44 MPa（较2483.18±187.94 MPa提高2.4%），弯曲强度为56.83±4.23 MPa（较51.89±1.55 MPa提高9.5%）。巴科尔硬度从未填充的96.33±0.58小幅增至0.75–1.00 wt.%时的97.67±0.58。超过0.50 wt.%后，微观结构分析显示生物炭团聚，导致应力集中（stress concentrations）、微孔（microvoids），并降低拉伸和弯曲性能。这些发现表明，低水平生物炭引入以环保、低成本方式增强基体-填料相互作用（matrix–filler interactions）、载荷传递（load transfer）和整体力学性能。所得复合材料为轻质结构部件、包装和汽车内饰提供了有前景的可持续替代方案，兼顾强度、成本效益和环境效益。未来工作应探索分散助剂、杂化填料或优化工艺，以缓解较高负载下的团聚并进一步改善性能。

论文主体解读

纺织工业湿加工（染色、印花、整理）消耗大量水和化学品并产生废水，废水处理厂（ETP）处理后又产生大量污泥；污泥含残余染料、盐类和其他化学污染物，处置不当可导致土壤退化、地下水污染和长期生态风险。循环经济要求将工业副产物资源化，生物炭通过热解可减量、稳定有害组分并作为聚合物填料。现有生物炭多来自农/林生物质，且常以10–40 wt.%高负载使用，易造成树脂黏度升高、分散不良、团聚和加工困难；<5 wt.%低负载、尤其天然纤维增强热固性体系研究较少。纺织污泥生物炭含无机组分和独特表面，与农源生物炭不同。黄麻可再生、低成本、密度低，但亲水黄麻与疏水聚酯界面应力传递不足；基体改性可避免纤维化学处理。因此，研究人员以纺织污泥衍生生物炭为新型亚微米填料，在0.00–1.00 wt.%超低负载下改性黄麻/不饱和聚酯，寻找最优负载并关联微观结构、物理与力学性能，兼顾废物增值和复合材料增强。

关键技术方法：污泥取自纺织厂ETP，黄麻1×1平纹织物购自Jute Diversification Promotion Center（JDPC，265 g/m²），不饱和聚酯及甲基乙基酮过氧化物（MEKP）购自当地市场。污泥经日晒、100°C烘干、粉碎后于500°C热解3 h制生物炭；以0.00、0.25、0.50、0.75、1.00 wt.%生物炭与聚酯混合，手糊四层黄麻后于160°C、5吨压缩成型15 min，室温固化72 h。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电镜-能谱（FESEM-EDS）、ASTM D1895密度、ASTM D570吸水、ASTM D3039拉伸、ASTM D7264三点弯曲、ASTM D2583 Barcol硬度及方差分析（ANOVA）评价。

3.1 Physical Characterizations
3.1.1 SEM-EDS Analysis of Biochar：通过SEM-EDS观察，生物炭呈不规则、易团聚的亚微米/纳米颗粒，总粒径124.8–721.1 nm，平均279.7 nm，中位261.6 nm，CV43.5%，多数200–400 nm；EDS以C、O为主，并含Na、Mg、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、Fe，反映纺织废水污泥复杂无机组成。结论：低至中负载（0.25–0.50 wt.%）较有效，高负载团聚和无机异质性限制拉伸性能，对弯曲影响较小。
3.1.2 FTIR：通过FTIR，生物炭显示O–H（3300–3500 cm^?1）、C=C（1577 cm^?1）、C–O/Si–O（1084 cm^?1）及金属–氧（533 cm^?1）；复合物O–H（3380–3468 cm^?1）、C=O（1694–1708 cm^?1）、C–O（1260–1264与1082–1085 cm^?1）和芳香C–H（723–733与～666 cm^?1），未见主要新峰。结论：以物理分散和次级界面作用（氢键、极性吸引）为主，极性峰随负载增强，支持界面粘结和应力传递改善。
3.1.3 Density：通过ASTM D1895测密度，0.00、0.25、0.50、0.75、1.00 wt.%分别为1.1616、1.0483、1.0563、1.0823、1.1083 g/cm³；先降后升且低于基线。结论：低负载引入空隙/润湿不全使密度降低，较高负载改善分散和填充微孔而部分恢复，仍具轻量化。
3.1.4 Hygroscopic Properties：通过192 h吸水测试，终吸水率分别为4.27%、4.41%、5.36%、6.23%、4.69%；0.75 wt.%最高，1.00 wt.%下降；早期24–48 h快速吸水后趋缓，呈Fickian扩散（Fickian diffusion）特征。结论：亲水黄麻、微孔/毛细通道、界面不完善、生物炭孔隙和灰分亲水共同影响；0.50/0.75 wt.%早期扩散更快，1.00 wt.%填充阻塞部分通道；吸湿与力学下降相关，但适度负载的刚性可部分补偿。

3.2 Mechanical Characterizations
3.2.1 Tensile Properties：拉伸应力–应变呈脆性；0.50 wt.%最优：强度29.22±1.22 MPa（+5.2%）、模量2543.58±57.44 MPa（+2.4%）；0.25和0.75 wt.%断裂应变提高（+34.2%），1.00 wt.%降至25.24±1.74 MPa（?9.1%）且脆化。ANOVA：拉伸强度p=0.10372不显著，拉伸模量p=0.00824显著。结论：生物炭主要作为刚性颗粒调节基体刚度，低负载对纤维主导的拉伸强度影响边际，过量团聚造成应力集中和微孔。
3.2.2 Flexural Properties：三点弯曲中0.50 wt.%弯曲强度最高56.83±4.23 MPa（+9.5%），断裂挠度5.22±0.39 mm（+32.2%）；1.00 wt.%强度59.93±5.36 MPa（+15.5%）且弯曲模量4105.26±323.49 N/mm²（+21.8%），但挠度降至3.81±0.21 mm，呈脆化；0.25–0.75 wt.%模量低于对照。ANOVA：弯曲强度p=0.10889不显著，弯曲模量p<0.0001显著。结论：生物炭主要提高弯曲刚度；0.50 wt.%兼顾强度与能量耗散，高负载局部增强但脆性增加。
3.2.3 Hardness：Barcol硬度从96.33±0.58依次为96.83±0.29、97.33±0.58、97.67±0.58、97.67±0.58。结论：硬度小幅一致提高并在0.75–1.00 wt.%平台，归因于刚性亚微米碳质填料改善压痕阻力、填充微孔和机械互锁。
3.3 Fracture Analysis：通过拉伸断口SEM，未填充体系以长纤维拔出、界面脱粘、纤维表面洁净和基体空洞为主，应力传递差；生物炭体系显示较短拔出、纤维分裂/横向断裂、基体微裂纹与hackle、颗粒团聚及裂纹偏转/桥接。结论：0.50 wt.%附近改变裂纹路径并耗能，超过后团聚成为应力集中点并削弱性能。
4 Comparative Study：通过文献对比，本复合（15 wt.%纤维+0.5%生物炭）TS 29.2 MPa、TM 2.5 GPa、FS 56.8 MPa、FM 2.7 GPa，在相似聚酯/环氧体系中具竞争力，优于部分未处理或NaOH处理黄麻/聚酯体系，接近某些环氧体系；超低负载避免10–40 wt.%高负载的黏度和团聚问题。比较受纤维含量、形式、处理、基体、工艺、标准和环境条件差异限制。
5 Conclusion：讨论部分总结：低负载生物炭可改善基体–填料相互作用、载荷传递和力学平衡，0.50 wt.%为综合最优；但纺织污泥含微量重金属/无机残留，未评估浸出、毒性、长期环境稳定性，需TCLP（toxicity characteristic leaching procedure，毒性特征浸出程序）等标准化测试；未开展TGA（thermogravimetric analysis，热重分析）和DMA（dynamic mechanical analysis，动态力学分析），未来需分散助剂、杂化填料、表面功能化、超声/真空辅助加工，并评价热稳定性、阻燃、耐水、耐久性和LCA（life cycle assessment，生命周期评价）。

研究结论部分翻译：本研究成功证明可通过热解将纺织工业固体废水（污泥）增值为生物炭，并有效用作压缩成型黄麻/聚酯复合材料中的低成本、环保亚微米填料。生物炭0.00–1.00 wt.%显示0.50 wt.%最优，最高拉伸强度（29.22±1.22 MPa，较对照+5.2%）、拉伸模量（2543.58±57.44 MPa，+2.4%）和弯曲强度（56.83±4.23 MPa，+9.5%），并改善变形能力和能量吸收。Barcol硬度小幅一致增加，0.75–1.00 wt.%稳定在97.67±0.58（基线96.33±0.58），反映刚性纳米级生物炭（中位～261.6 nm）增强表面抵抗。FESEM-EDS和力学趋势证实超过0.50 wt.%后生物炭团聚导致应力集中、微孔形成和界面粘附下降，使高负载拉伸与弯曲性能下降。这些发现突出低水平生物炭（尤其0.50 wt.%）显著改善基体–填料相互作用、载荷传递效率和整体力学平衡，无需复杂表面处理或高填料。所得复合材料结合性能提升、废物回收降低环境足迹和成本效益，潜在应用包括轻质结构部件、汽车内饰板、包装材料、非承重建筑构件和消费品。虽纺织污泥生物炭提供可测力学改善，但污泥含微量重金属或无机残留；≥500°C热解已知可降低许多重金属迁移性并转为更稳定矿物相，但本研究未评估生物炭或复合材料的浸出行为、毒性或长期环境稳定性；未来应纳入TCLP（USEPA method 1311）、长期老化研究和重金属固定分析。生物炭中碳存在可能意味着热稳定性和黏弹性改善，但非本实验目标；未来研究应用TGA和DMA确定热分解动力学、玻璃化转变和动态性能，并关注优化复合材料的热稳定性（TGA/DSC）、环境耐久性（UV降解、冻融）及工业适用性；进一步可采用分散助剂、杂化填料、表面功能化和先进加工，并开展热稳定性、阻燃性、耐水性、长期耐久性和生命周期评价。