面向可持续建筑应用的马尾藻-甘蔗渣-残余HDPE混合刨花板

《Buildings》：Hybrid Particleboards from Sargassum, Sugarcane Bagasse and Residual HDPE for Sustainable Building Applications

　　

在巴西、墨西哥和加勒比沿海地区，大规模且周期性发生的马尾藻（Sargassum）搁浅事件，因生物质积累与分解，造成了显著的环境、社会和经济挑战。同时，将未被充分利用的废物流转化为复合材料可推动循环经济战略。研究人员在先前关于马尾藻基刨花板研究的基础上，考察了提高热压温度和掺入残余高密度聚乙烯（HDPE）作为改善尺寸稳定性的策略。采用生物基蓖麻油聚氨酯树脂，以马尾藻生物质和甘蔗渣为原料，添加或不添加残余HDPE，制造了中密度刨花板。对板材的物理、机械和热性能进行了表征，以评估其用于非结构应用的适用性。含HDPE配方将24 h厚度膨胀率从21%降低至15%，但表现出整体机械性能的下降，尤其是在弯曲和内结合强度方面。尽管存在这种权衡，所开发的刨花板仍展现出用于家具和室内建筑应用的潜力，同时实现了对海洋、农工和塑料残余物的增值利用。这些发现支持马尾藻生物质作为刨花板生产的可持续原料，并表明残余HDPE可改善24 h厚度膨胀性能，有助于循环经济战略和建筑环境领域应用的低影响材料开发。

# 论文解读

## 1. 研究背景与问题

北大西洋海域存在以漂浮大型藻类集合体形式出现的远洋马尾藻（Sargassum），主要物种为Sargassum fluitans和Sargassum natans，在自然生态系统中具有提供栖息地、参与养分循环等作用。然而近十年来，受气候变化、洋流变化和海洋污染等因素影响，墨西哥、加勒比国家及巴西沿海地区频繁发生大规模马尾藻搁浅事件。藻体堆积和分解带来严重的环境、社会与经济问题，其分解过程释放甲烷、硫化氢和氨气等有害气体，且马尾藻可能富集砷等金属元素，对生态和人体健康构成风险。与此同时，木质刨花板产业高度依赖松木和桉树等原生木材，资源压力大。将农业和工业残余物，如甘蔗渣和塑料废弃物，用于制造复合材料成为循环经济的重要方向。先前研究已分别证实马尾藻可用于刨花板、残余高密度聚乙烯（HDPE）可改善植物纤维基板材的尺寸稳定性，但二者尚未结合到一种多层刨花板体系中。因此，本研究旨在将马尾藻、甘蔗渣和残余HDPE三种废物流整合，并采用更高热压温度，以解决马尾藻基刨花板厚度膨胀率过高的关键问题。

## 2. 研究内容与意义

研究人员采用蓖麻油基聚氨酯（PU）树脂作为胶粘剂，制备了含或不含残余HDPE的马尾藻/甘蔗渣多层中密度刨花板，并系统评估其物理、机械和热性能。结果表明，含HDPE配方将24 h厚度膨胀率从21%降至15%，同时机械性能有所下降，但所有配方仍满足相关标准对非结构应用的要求。这项研究的意义在于证明马尾藻生物质可作为可持续的刨花板原料，同时实现海洋废弃物、农工残余物和塑料废弃物的协同增值，为受马尾藻搁浅影响地区提供了循环经济路径。

## 3. 主要技术方法

研究人员从巴西圣保罗州Pirassununga附近糖厂获取甘蔗渣，从巴西帕拉州Salinópolis的Atalaia海滩收集马尾藻，鉴定到S. natans VIII（70%）、S. natans I（20%）和S. fluitans III（10%）三种形态型；残余HDPE来自Pirassununga当地回收公司。采用氦气比重瓶测定原料密度，热重分析（TGA）评估热稳定性；压板工艺为5 MPa、热压10 min，目标密度750 kg/m^-3，制备SBS150、SBS175、SBSP20、SBSP10四种配方。按ASTM D1037-12测定厚度膨胀（TS）、静曲强度（MOR）、弹性模量（MOE）和内结合强度（IB），按NBR 14810-2进行握螺钉力测试，采用热电偶记录芯层温度梯度，扫描电镜（SEM）观察微观形貌，并按ASTM E1530-11测量导热系数；统计采用单因素方差分析和Tukey检验（p<0.05）。

## 4. 研究结果

### 3.1 原料密度与热重分析结果

通过氦气比重瓶测得甘蔗渣平均密度为1.33 g cm^-3，马尾藻为1.54 g cm^-3，均高于残余HDPE的0.95 g cm^-3。TGA曲线显示甘蔗渣主要降解起始于230–250 °C，最高失重率温度约355 °C；马尾藻降解起始温度较低，约200–220 °C，最高失重率约265 °C。在175 °C最高热压温度下两者质量损失有限，证明所选加工条件与原料热稳定性相容。

### 3.2 物理机械性能

所有配方平均密度接近750 kg m^-3。无塑料配方SBS150和SBS175的MOR和MOE显著高于含HDPE的SBSP10和SBSP20（Tukey检验，p<0.05），且均高于先前100 °C压制板材约16 MPa的水平；SBS175的IB显著高于SBS150，而混合板的IB显著低于无塑料板，其中SBSP20的IB最低。厚度膨胀方面，含HDPE配方的TS较无塑料配方降低约32%，即从21%降至15%，而提高热压温度本身对TS无显著影响。握螺钉力测试表明，SBS175的边缘握螺钉力高于SBSP10，但两者均超过旧版NBR 14810-2（2006）的参考最低值，说明塑料掺入未损害紧固性能。

### 3.3 热压过程中芯层温度梯度

利用热电偶监测热压全程（600 s）芯层温度，发现所有配方在前三分之一阶段升温较快，含HDPE配方的最终芯层温度更高，超过120 °C。这一温度条件有利于HDPE软化和表面熔化，进而与木质纤维颗粒形成锚固作用，与改进的尺寸稳定性一致。

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