以再利用消费后牛仔织物增强的可持续热塑性纺织复合材料：PLA与PP基体对力学性能及环境耐久性的影响

《Polymer Engineering & Science》：Sustainable Thermoplastic Textile Composites Reinforced With Reused Post-Consumer Denim Fabric: Effects of PLA and PP Matrices on Mechanical Performance and Environmental Durability

　　

随着纺织废物产生量不断增加以及对可持续材料需求上升，以再利用消费后纺织品增强聚合物复合材料成为重要研究方向。研究人员采用热压（压缩成型）法制备了聚乳酸（PLA）/再利用消费后牛仔织物（RDF）与聚丙烯（PP）/再利用消费后牛仔织物（RDF）复合材料，未使用化学表面处理或相容剂。通过拉伸、弯曲、冲击和吸湿试验系统考察基体聚合物选择与纺织增强结构对力学性能及环境耐久性的影响。结果表明，PLA/RDF复合材料刚度更高，弹性模量约8.63?GPa，但表现为更脆的力学行为；PP/RDF复合材料拉伸强度更高（33.9?MPa）且延展性明显更好。夏比（Charpy）冲击试验中，PLA/RDF平均冲击能（0.8513?J）高于PP/RDF（0.7032?J）。吸湿试验显示两体系均具显著亲水行为，3周后质量增加约12%–15%。上述发现凸显了再利用消费后牛仔织物作为可持续增强材料，在开发具增强力学性能与环境耐久性的可规模化热塑性复合结构中的潜力。

研究背景方面，全球气候变化、自然资源枯竭与循环经济需求使可持续工程材料受到关注。天然纤维及纺织增强热塑性复合材料因低密度、可回收和环境优势，成为玻璃纤维增强复合材料的重要替代方向。将纺织废物转化为高附加值工程材料，尤其是以再利用纺织品作为聚合物复合材料增强相，兼具废物管理与新一代可持续材料开发价值。PLA生物基、高刚性，PP高延展、抗冲击、耐湿，二者均可热压和热成型等工业可规模化工艺加工。但纤维素基纺织纤维天然亲水，热塑性聚合物多疏水，导致纤维—基体界面结合弱、载荷传递不足、孔隙形成；潮湿环境下吸水、纤维膨胀与界面分离会使力学性能逐渐下降。文献中常用化学表面处理、偶联剂或相容剂改善，但会增加成本、复杂化工艺并妨碍回收。因此，在不使用化学改性的前提下，由基体选择与纺织增强结构调控性能的研究仍存在空白。该论文发表于《Polymer Engineering》，研究人员据此开展无化学表面改性的消费后牛仔织物增强PLA与PP热塑性复合材料研究，以明确结构—性能—耐久性关系。

主要关键技术方法如下：研究人员所用再利用消费后牛仔织物来自Texaid AG（瑞士Schattdorf），PLA与PP短纤维来自Trevira GmbH（德国Hattersheim）。通过纤维开松成网、针刺与牛仔织物复合形成预制体，再经压缩成型（compression molding）制备板材；采用水射流切割与烘箱干燥处理试样；以ISO 527、ISO 14125、ISO 179标准分别进行拉伸、三点弯曲与夏比冲击测试；按ASTM D570在60°C、100%相对湿度下测试吸湿行为；用阿基米德原理测密度与孔隙率；用光学显微镜与扫描电镜（SEM）观察界面、孔隙及断口形貌；并以Shapiro–Wilk、独立样本t检验、Mann–Whitney U、Friedman检验等统计学方法分析数据。

研究结果部分保留小标题并简述如下。3.1 拉伸性能（Tensile Properties）：通过狗骨试样拉伸测试，PP/RDF拉伸强度33.90?MPa、断裂伸长2.14%，PLA/RDF为20.16?MPa、1.06%；PP/RDF延展性更强，PLA/RDF模量更高。3.2 拉伸强度独立样本t检验：t=?39.308、p<0.05，PP/RDF强度显著优于PLA/RDF。3.3 弯曲性能（Flexural Properties）：三点弯曲显示PLA/RDF弯曲强度约28?MPa、PP/RDF约12–13?MPa；PLA/RDF刚度高、抗弯强，PP/RDF变形能力大。3.4 弯曲强度t检验：t(8)=44.901、p<0.001，Cohen's d=28.417，PLA/RDF弯曲性能优势极显著。3.5 夏比冲击性能（Charpy Impact Performance）：PLA/RDF冲击强度约22.56?kJ/m2、PP/RDF约22.41?kJ/m2；PLA/RDF平均冲击能0.8513?J更高，刚性基体促应力传递，PP ductility靠塑性变形耗能，总体接近。3.6 冲击强度Mann–Whitney U检验：U=32.50、p=0.48，两组无显著差异。3.7 吸湿性能（Moisture Absorption）：3周内地PLA/RDF达约21.5%，PP/RDF约12.1%；PLA相对亲水、纤维素羟基成氢键，PP疏水故吸湿少。3.8 吸湿Friedman检验：χ2(2)=6.00、p=0.050，浸水时间对吸湿影响显著。3.9 密度与孔隙率（Density and Void Content）：PLA/RDF密度1.228?g/cm3、孔隙6.8%；PP/RDF密度1.002?g/cm3、孔隙2.6%；PLA/RDF纤维体积分数25.65%，PP/RDF为20.04%。3.10 光学显微镜（Optical Microscopy）：PLA/RDF包覆更致密均匀，PP/RDF纱线边界明显、界面孔隙更多。3.11 扫描电镜（SEM）：断口见纤维拔出、基体开裂、纤维束拔出、分层与粗糙断面；界面黏结不全，多机制共同耗能。

讨论部分总结：研究人员指出，无化学改性下基体类型主导性能——PLA提供刚度、弯曲强度与较高冲击能，PP提供拉伸强度、延展与较好耐湿性；光学与电镜证据支持界面黏结和孔隙影响载荷传递与吸水。吸湿由纤维素—PLA亲水性与界面扩散控制，PP疏水基体能提升尺寸稳定性。冲击相近源于PLA刚性促裂纹起始耗能、PP延性促裂纹尖端钝化耗能，二者互补。未来可做Fickian/非Fickian扩散建模、长期老化与生命周期评价（LCA）。

结论部分翻译：本研究制备并表征了以消费后再利用牛仔织物（RDF）增强PLA与PP基体的可持续热塑性纺织复合材料。采用工业适用的热压（压缩成型）技术，未使用化学表面改性 nor 相容剂。拉伸结果显示PP/RDF具更高拉伸强度（33.9?MPa）与延展性，PLA/RDF更刚但更脆且弹性模量更高。弯曲中PLA/RDF弯曲强度更高，PP/RDF变形能力更大。冲击中两体系吸能接近，PLA/RDF平均冲击能略高。吸湿显示两体系随时间的吸水上升，PLA基体亲水故吸湿高于PP，源于纤维素羟基与水分子氢键及PLA相对亲水。研究表明，仅靠基体选择与纺织增强结构设计即可获得可持续且具竞争力的复合材料，无需化学表面处理。从可持续性看，再利用牛仔织物增强有助于废物增值与减少原生增强材料需求；PLA与PP热塑性本质支持服役后机械回收与再加工，符合循环经济。虽量化LCA、能耗与CO?足迹超出本文范围，但该体系是资源高效工程材料的有前景路径。