基于傅里叶变换红外光谱（FTIR）与机器学习的新原生及再生聚酯识别方法及其在工业4.0纺织回收中的应用

《Processes》：FTIR-Based Machine Learning Identification of Virgin and Recycled Polyester for Textile Recycling in Industry 4.0 Maria Inês Barbosa, Ana Margarida Teixeira, Maria Leonor Sousa, Pedro Ribeiro, Clara Sousa and Pedro Miguel Rodrigues

　　

本研究系统探究了硅酸盐水泥强度等级（32.5、42.5及52.5级）与纤维/水泥质量比（1/2至1/5）的耦合作用对水泥基纤维板（Cement-Bonded Fiberboard, CBF）物理-力学性能及热工性能的调控机制。实验数据表明，降低纤维含量至1/5比例虽通过基质致密化显著提高了抗弯强度与尺寸稳定性，但不可避免地 sacrifices 了保温隔热性能。在三种水泥评价中，42.5强度等级表现出最优的综合性能，不仅优于32.5级，且较52.5级呈现出更为均衡的性能谱。具体而言，42.5级水泥在1/5比例下达到最高刚度指标：弹性模量（Modulus of Elasticity, MOE）5902 ± 532 N/mm²，抗弯强度（Modulus of Rupture, MOR）12.49 ± 0.6 N/mm²，其性能与1/4比例（MOR: 12.78 N/mm²）相当；同时该配方展现出卓越的耐湿性能，吸水率（Water Absorption, WA）低至18.9%。20 °C条件下的热导率（Thermal Conductivity, TC）测定证实，尽管高纤维配比（1/2）有利于隔热保温，42.5级水泥在1/4比例下仍保持具有竞争力的热导率值（λ = 0.1625 W/mK），低于52.5级水泥，从而在结构完整性与热工效率间达成了关键平衡。双因素方差分析（Two-way ANOVA, p < 0.05）证实了水泥类型与配比的双重显著影响。傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）、X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）及扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）的微观结构分析表明，42.5级水泥的优越性能与其优化的水化动力学及良好级配的粒径分布（D₅₀ = 14.80 μm）密切相关，二者协同促进了有效的纤维包裹。

水泥基纤维（Cement-bonded Fiber, CBF）复合材料作为有效的非石棉建筑材料，其力学性能与耐久性可通过特定选材进行调控，但在工业实践中，胶结材料的选择这一关键决策变量常被忽视。欧洲标准EN 197-1依据抗压强度发展将通用硅酸盐水泥划分为不同强度等级，然而这些标准水泥等级在木质纤维复合体系中的统一性能表现尚存在关键知识空白——尽管其在常规混凝土中的性能已有充分记录，但与木质纤维素抑制物的特定相互作用仍 poorly understood。

为系统评估三种标准水泥强度等级对木材纤维增强复合材料终极（28天）物理力学性能的影响，研究人员开展了此项研究。实验设计涵盖32.5、42.5及52.5三个强度等级的水泥，以及1/2、1/3、1/4、1/5四种纤维/水泥质量比，通过加入5%氯化钙（CaCl₂）作为促凝剂并配合标准养护协议，以稳定水化动力学，从而将水泥强度等级隔离为主要变量。

研究涉及的关键技术方法包括：物理性能测试（依据TS EN 323测定密度，TS EN 317测定吸水率WA与厚度膨胀率TS）；力学性能测试（依据TS EN 310进行三点弯曲试验测定MOR与MOE）；热工性能测试（采用LASER COMP.—FOX 314-95ET热流计法依据ASTM C518-17测定热导率λ）；以及微观结构表征（FTIR谱学分析、XRD物相鉴定、SEM微观形貌观察），数据统计采用IBM SPSS Statistics 22.0进行双因素方差分析及Tukey's HSD事后检验。

**测量物理性能**：密度测试表明，随水泥含量增加板坯密度普遍增大，42.5级水泥在低密度配比下密度值高于其他类型，1/5比例下达1.68 g/cm³，与52.5级（1.67 g/cm³）形成统计同质组，而32.5级（1.49 g/cm³）显著较低。

**吸湿性能**：纤维/水泥比为影响尺寸稳定性的主导因素。降低纤维比例使WA和TS急剧下降，源于亲水羟基减少及水泥物理包裹增强。32.5级水泥因颗粒较粗（D₅₀: 21.4 μm）、Blaine细度较低，导致水化较慢、孔隙率较高，即使在1/5比例下吸水率仍最高；而42.5级水泥（D₅₀: 14.80 μm）凭借最优粒径分布实现最低WA（18.9%）和TS（1.3%）。

**抗弯性能**：MOR和MOE随纤维比例降低而显著提升。42.5级水泥在1/4比例下达最高抗弯强度（12.78 ± 0.8 N/mm²），超越52.5级最高值（12.02 ± 0.9 N/mm²），这归因于其"良好级配"粒径分布提供更高效的纤维-基质咬合机制。32.5级在低纤维含量（1/5）时MOR达9.39 N/mm²，但在高纤维负荷下因颗粒粗、水化慢而难以形成充分黏结。MOE方面，三等级水泥统计差异显著，顺序为32.5 < 42.5 < 52.5。

**热导率**：热导率随纤维比例降低而增加，因水泥基质热导率（约2.26 W/mK）远高于木质纤维多孔结构。42.5级水泥表现最优热性能：在结构最优的1/4比例下，其热导率（λ = 0.1665 W/mK）低于32.5级（0.1669 W/mK）和52.5级（0.1740 W/mK）。

**傅里叶变换红外光谱**：FTIR谱图揭示了有机相与无机相的特征组合。定量分析关键Si-O（1100–1200 cm^-1）和Al-O（680–820 cm^-1）峰强度表明，42.5级水泥在1/4比例下达最高总Si-O密度（0.460），显著高于同比例32.5级（0.024），证实该配方促进硅酸盐网络广泛聚合；同时最高总Al-O密度（0.101）指示C-A-H或C-A-S-H相的强劲形成。而纤维比例增至1/2时，所有水泥类型Si-O密度骤降（42.5级降至0.017），证实过量有机 content 抑制水化反应。

**X射线衍射**：XRD图谱显示，42.5和52.5级水泥样品的无定形C-S-H凝胶"峰"（20°–35° 2θ）较32.5级更为显著致密，表明高强等级水泥形成更致密、更大量的C-S-H凝胶网络。34.1° 2θ处Portlandite（Ca(OH)₂）峰在42.5和52.5级中更强，证实更高水化程度。29.4°和48.5°处的方解石（CaCO₃）峰则归因于养护过程中的碳化反应。

**扫描电子显微镜**：SEM微观形貌直观展示了不同水泥等级的纤维-基质界面差异。32.5级水泥板中纤维仅部分包裹，质地粗多孔，界面存在明显空隙，导致应力传递失效和水分侵入；而52.5和42.5级呈现更致密形貌，纤维完全嵌入致密连续的水化产物网络中。42.5级样品的致密基质支撑了前述FTIR和XRD分析中识别的高Si-O键密度和无定形C-S-H相，纤维包裹确保了高效的基质-增强体荷载传递。

讨论部分深入分析了42.5级水泥性能超越更高强度52.5级的机制。研究人员提出三类相互关联的作用机制：其一，颗粒级配与基质均匀性——42.5级水泥的"良好级配"粒径分布（细、中、粗颗粒体积分数约20%、45%、35%）比52.5级的"细而窄"分布或32.5级的粗颗粒主导结构更能有效填充纤维间空隙，形成致密均质基质；其二，水化动力学与界面区发展——52.5级的高细度和C₃S含量导致快速水化，虽有利于常规混凝土，但在木-水泥复合体系中可能在纤维周围形成致密硬壳而未能充分渗透纤维孔隙结构，且快速放热导致界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）热应力，相反42.5级较适中的水化速率降低了热冲击风险，并允许水化产物部分渗透纤维腔隙，促进"机械咬合"效应；其三，C-S-H化学结构——FTIR分析提供的化学证据支持这些物理观察，42.5级在1/4比例下的高Si-O强度比（0.46）和高Al-O强度（0.101）表明，其特定化学成分可能促进了更具纤维状而非箔片状的C-S-H形态，从而增强了对纤维素纤维的锚固作用。

研究结论指出：力学-热工权衡方面，纤维含量降低通过基质致密化提升力学性能但增加热导率，纤维负荷为影响复合材料体相性能的主导因素；42.5级有效性方面，CEM II 42.5 R级在1/4比例下展现出最有利的性能平衡，抗弯强度达12.78 N/mm²，吸水率23.2%，热导率0.1665 W/mK，超越更高强度的52.5级，表明更高水泥细度并不必然保证纤维增强复合体系的更优性能；微观结构机制方面，42.5级的增强性能源于良好级配的粒径分布与可控水化动力学的协同，FTIR和SEM分析支持该特定配方促进致密C-S-H凝胶网络形成和有效纤维包裹的假说，可能避免了52.5级快速水化样品中观察到的界面缺陷。这些发现暗示材料设计应充分考虑应用场景特异性：42.5级在1/4比例适用于要求高强度和耐湿性的结构或 exterior 应用，而更高纤维含量则更适用于以热效率为优先的非承重隔墙。