《Next Materials》：Hybrid oil palm wood and rice husk biofillers for lightweight gypsum composites: Effect of biofiller content on thermal, mechanical, and physical properties
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建筑行业面临的能源效率与脱碳化挑战日益严峻，室内热环境调控的能耗需求随建筑体量增长而持续攀升。在热带及亚热带地区，制冷负荷占运营能耗主导地位，因此改善建筑围护结构及室内材料的热工性能成为莒成为降低能耗与长期碳排放的有效策略。国际报告指出，建筑占全球终端能源消费
建筑行业面临的能源效率与脱碳化挑战日益严峻，室内热环境调控的能耗需求随建筑体量增长而持续攀升。在热带及亚热带地区，制冷负荷占运营能耗主导地位，因此改善建筑围护结构及室内材料的热工性能成为莒成为降低能耗与长期碳排放的有效策略。国际报告指出，建筑占全球终端能源消费及能源相关CO?排放的三分之一以上，而提升建筑材料热性能是降低建筑行业运营能源负荷与环境影响的关键途径。在此背景下，开发高效、轻质且可持续的隔热材料对于支持长期能源效率至关重要。
在室内建筑材料中，石膏（CaSO4·2H2O）因其易加工、来源广泛、质轻、成本相对较低及良好防火性能，成为隔断板、天花板及墙面覆盖等应用中最广泛使用的矿物材料之一。然而，传统石膏在热学与力学性能方面存在局限，尤其是需要同时兼顾轻质结构元素与隔热材料双重功能的应用场景。其中等热导率以及力学性能对孔隙率和含水率的敏感性，是石膏基隔热材料开发面临的主要挑战。为此，研究人员开发了通过添加填料或添加剂来调控石膏基体密度、微观结构及传热路径的多种改性方法。
已有研究表明，木质纤维素基生物填料的加入可通过增加孔隙率及截留空气比例来降低石膏密度与热导率，从而增强其隔热潜力。但孔隙率增加常伴随力学性能下降与吸水率上升，这归因于生物质的亲水性，可能限制材料在建筑应用中的耐湿性与尺寸稳定性。此外，现有生物填料石膏复合材料研究多集中于单一类型生物质残渣，且仅评估不同填料比例对少量材料性能的影响。在此背景下，印度尼西亚等农业与棕榈油生产国中广泛可得的两类生物质——稻壳与油棕树干——成为制备环保高附加值隔热材料的本地化原料来源。印度尼西亚2024年水稻种植面积约738万公顷，总产量约5398万吨；油棕种植面积达1683万公顷，年产棕榈油4747万吨。这类农业废弃物的资源化利用为减少环境负担、增加本地隔热材料供应提供了战略机遇。
现有研究分别评估了稻壳与油棕木作为石膏填料的效果，发现稻壳在降低密度和热导率方面更有效，而油棕木在维持力学性能方面更具潜力。但两种填料尚未在单一复合体系中进行协同效应探索。在复合材料设计中，混合填料可通过互补调控传热路径、孔隙分布及载荷传递机制，实现更均衡的性能组合。尽管混合多填料体系已在聚合物、石膏及水泥基复合材料中得到广泛研究，但固定比例油棕木/稻壳生物填料在石膏基体中的联合应用及其对热-力-物理耦合性能的影响仍缺乏系统研究。两种生物质在密度、木质纤维素与二氧化硅含量及形貌等方面的本征差异，将显著影响复合材料的密度、孔径、吸水率、应力行为及传热特性。因此，本研究旨在评估固定比例油棕木/稻壳混合生物填料在不同填料含量下对石膏基复合材料物理、力学、热学及微观结构特性的综合影响，以识别获得轻质可持续非结构性石膏隔热材料的均衡组成范围。
该论文发表于《Next Materials》期刊，研究背景聚焦于建筑行业能源效率与脱碳化挑战，针对传统石膏材料热导率偏高、力学性能对孔隙率敏感等瓶颈问题，旨在开发兼具轻质、隔热与环保特性的非结构性建筑保温材料。目前存在的主要问题包括：单一生物填料研究局限、混合填料协同效应不明、以及高孔隙率带来的力学性能劣化与吸湿敏感性矛盾。
研究人员开展了油棕木（OPW）与稻壳（RH）混合生物填料石膏复合材料的系统研究，得出以下核心结论：固定比例（1:1）的OPW/RH混合填料可有效降低石膏复合材料密度与热导率，最高填料含量（50 wt%）时热导率降至0.0940 W/(m·K)，但伴随吸水率升高和力学性能下降；G20样品（20 wt%填料）呈现最均衡性能，抗折强度3.39 MPa、抗压强度7.27 MPa，且热导率低于纯石膏；热重分析证实材料热稳定性达345 °C。该研究为热带地区农业废弃物资源化利用及轻质隔热材料开发提供了重要实践依据，表明OPW/RH混合石膏复合材料可作为非结构性建筑隔热材料的潜在候选。
研究采用的主要关键技术方法包括：以印度尼西亚Aceh省油棕种植园的油棕木和当地碾米厂的稻壳为原料，经预处理后制备粒径小于1 mm的生物填料（OPW经沸水浴30 min处理，RH经5% NaOH溶液60 min碱处理）；按10%~50%质量分数梯度（固定OPW:RH=1:1）与商用模具石膏混合，控制水/（石膏+填料）总质量比恒定，200 rpm搅拌3 min后浇铸成型，室温养护14天；采用阿基米德法测定密度（参照ASTM D792）、1~60天全浸水试验评估吸水率、三点弯曲试验测定抗折强度及弹性模量（参照ASTM C473，Tensilon RTF 1350试验机，挠度速率2 mm/min）、压缩试验测定抗压强度（参照ASTM C472，加载速率100 N/s）、稳态热流法测定热导率（参照ASTM C1363-24，Phywe Systeme GMBH 37070设备，热端70 °C/冷端25 °C）、热重分析（TGA，Shimadzu DTG 60，N?氛围20 ml/min，室温至700 °C，升温速率40 °C/min，参照ASTM E1131-25）、扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，并采用单因素方差分析（ANOVA）及Tukey事后检验进行数据统计分析。
研究结果部分如下。
物理性能：密度与吸水率 生物填料含量的增加导致石膏复合材料密度线性降低，纯石膏密度为1063 kg/m3，50%填料样品（G50）密度降至741 kg/m3，降幅达43.5%。这与生物填料密度远低于石膏基体直接相关。同时，OPW/RH的引入破坏了石膏基体的连续性，促进界面孔隙形成。吸水率与填料含量呈正相关，1天浸水后G00至G50的吸水率分别为38.52%、39.89%、40.64%、42.58%、50.64%和60.65%，60天饱和后增幅高达36.84%。高填料含量样品的界面缺陷与开放孔隙为水分子扩散提供通道，且生物质亲水羟基促进水分子相互作用。ANOVA证实浸渍时间对吸水率影响显著（1天：F(5,12)=24.11, p<0.001；60天：F(5,12)=117.42, p<0.001）。高吸水率限制该类材料在高湿环境中的应用，需采取疏水处理策略。
力学性能：抗折强度 生物填料对抗折强度的影响呈非线性。纯石膏（G00）呈脆性断裂，而填料样品断裂前变形更大。10%填料（G10）使抗折强度降低15.1%，20%填料（G20）则提升至3.39 MPa（较G00提高19.4%），表明存在最优填料比例。该改善归因于裂纹扩展延迟与应力重分布机制。但超过此比例后抗折强度急剧下降：G30降低20.1%，G40降低52.5%，G50降低71.1%，这与孔隙增加、填料团聚及界面粘结弱化有关。除G50外，所有样品满足EN 13279-2标准抗折强度≥1 MPa要求。
力学性能：抗压强度 抗压强度同样呈现非线性响应。纯石膏为5.15 MPa，10%填料增至6.08 MPa（+18.1%），20%填料达最大值7.27 MPa（+41.2%），表明低中填料含量有助于压缩应力分布。但继续增加填料导致下降：G30为5.96 MPa（+15.7%），G40降至4.21 MPa（-18.3%），G50仅3.15 MPa（-38.8%）。高填料含量下孔隙塌陷与基体压溃效应显著。所有样品均远超EN 13279-2标准2 MPa最低要求。
热导率 生物填料含量增加显著降低热导率，ANOVA显示影响显著（F(5,12)=12.44, p<0.001）。纯石膏热导率最高（0.1634 W/(m·K)），G50最低（0.0940 W/(m·K)），降幅42.5%。该效应机制包括：孔隙率增加使截留空气比例上升（空气热导率远低于固相），以及木质纤维素本征热阻特性（纤维素、半纤维素及木质素的吸热储热能力，通过声子散射阻断连续传热路径）。
密度与力学性能关联 密度-抗压强度呈线性趋势（R2=0.688），密度-抗折强度相关性较弱（R2=0.865），表明抗折行为部分受裂纹扩展延迟机制调控而非完全由密度控制。中等密度范围可实现力学性能与轻质化的平衡。
密度、吸水率与热导率关联 三者存在一致关联：密度降低伴随吸水率升高（R2=0.967）和热导率降低（R2=0.875）。开放孔隙增加促进水分扩散，同时截留空气抑制传热。最优性能需在一定密度范围内平衡隔热与耐湿需求。需注意高吸水配方（如G50）在潮湿环境中因水分取代孔隙空气可能导致实际隔热性能衰减。
抗折/抗压强度与热导率关联 力学-热学性能呈对数关系，抗压强度-热导率对数趋势（R2=0.701）显示热导率在前期快速下降后趋于渐近，表明孔隙导致的传热路径阻断存在阈值效应。抗折强度-热导率相关性较弱（R2=0.365），反映裂纹桥联等机制仍起作用。多重线性回归证实两者均与热导率显著相关（p<0.001）。
热导率对比 与文献中稻草、剑麻、椰壳纤维等填料相比，OPW/RH混合填料在可比比密度（741~1054 kg/m3）下具有竞争优势（0.0940~0.1408 W/(m·K)），证实了该混合体系作为隔热填料的潜力。
热重分析 TGA曲线显示三阶段降解：20~157 °C自由水及弱结合水脱除；125~260 °C石膏半水至无水石膏脱水及半纤维素分解；275~415 °C纤维素降解。后两阶段随填料含量增加而显著。600 °C残余量纯石膏80%，混合样品68%~73%，反映热稳定性因木质素降解而降低但仍保持较好热稳定性。混合体系使降解机制从单一脱水转向多阶段复合降解。
扫描电子显微镜分析 SEM显示纯石膏结构致密均一（300×），而填料样品呈多孔非均质结构（25×）。G20最优配方中填料嵌入良好（1000×），纤维跨域微裂纹产生潜在裂纹桥联效应；高填料样品出现界面间隙、微孔洞及填料团聚（300×），成为应力集中源并削弱力学性能。孔隙与截留空气路径有效阻碍热传导。
研究总结：该研究系统评估了固定比例OPW/RH混合生物填料对石膏复合材料性能的影响。增加OPW/RH含量可降低密度与热导率，G50达到热导率0.0940 W/(m·K)和密度741 kg/m3的最低值。但隔热改善伴随吸水率增加与力学性能下降，G50同时表现出最高吸水率和最低力学性能。G20在所有测试样品中呈现最均衡性能，力学性能改善的同时保持低于纯石膏的热导率。研究结论表明，固定比例OPW/RH混合石膏复合材料可考虑作为非结构性室内应用的隔热材料，但其应用受限于湿度敏感性。后续研究需评估收缩率、渗透性、干湿循环、尺寸稳定性、长期湿度降解及实际建筑服役条件下的性能表现。
