植物源残余物用于生物基建筑材料的筛选：比较物理化学表征

《Fibers》：Screening Plant-Derived Residues for Bio-Based Construction Materials: A Comparative Physicochemical Characterisation

　　

植物源残余物是生物基建筑材料可行的可再生原料来源，但其适用性取决于结构、热物理、燃烧相关及矿物学特性。本研究对十种植物残余物——玉米秸秆（CS）、大麻秆（HS）、丝瓜络（Lu）、橄榄枝（OB）、橄榄核（OP）、波喜荡草（PO）、稻壳（RH）、稻草（RS）、向日葵秆（SS）和麦秆（WS）——进行了表征，以建立面向轻质建筑应用的第一阶段筛选框架。研究人员通过形态学、密度相关、微观结构、热物理、热重及微尺度燃烧分析评估了原材料，并通过灰分产率测定、X射线荧光（XRF）和X射线衍射（XRD）考察了其煅烧组分。表观堆积密度变化约30倍，从RS的0.0275 g·cm^?3到OP的0.8279 g·cm^?3，而热导率范围为0.0436至0.1204 W·m^?1·K^?1。大多数残余物保持在轻质保温相关范围内，而OP表现出最高热导率。峰值热释放速率（PHRR）从PO的45.7 W·g^?1到Lu的145.5 W·g^?1，SS也显示出较低的热释放参数。灰分产率从1.66%到26.23%不等，并伴随富硅、钙质、富碱、无定形及结晶矿物特征。研究结果为面向轻质保温应用或矿物相关增值的残余物分类和优先排序提供了初步标准，为未来复合材料的开发和应用级验证奠定了基础。

本研究建立了十种植物源残余物的第一阶段比较筛选框架。研究背景在于建筑行业对全球能源消耗和碳排放贡献显著，迫切需要资源高效且循环的材料策略；植物源残余物虽被视为可再生原料，但其适用性高度依赖于各自的结构、热物理、燃烧及矿物特征，而现有比较研究多局限于单一材料或单一性能。为此，研究人员选取了十种形态差异显著的残余物，在保持其最低加工形态的前提下，通过多技术联合表征来区分材料固有的物理、热、燃烧和灰分矿物谱图，并据此优先排序候选材料。研究发现，除橄榄核外，其余九种残余物均具有低表观堆积密度（0.0275–0.1703 g·cm^?3）和窄范围热导率（0.0436–0.0505 W·m^?1·K^?1），符合轻质保温材料的基本区间；其中波喜荡草、稻草和向日葵秆在保温与低燃烧热释放参数方面表现较平衡。灰分矿物分析显示，稻壳灰富含无定形SiO₂，而波喜荡草灰富钠钙并含氯盐相，提示后续需针对胶凝体系进行特定兼容性验证。该研究的意义在于：通过统一框架对多种残余物进行多属性对比，可减少后续复合材料研发中因原料、胶凝剂和工艺组合带来的巨大实验空间，并为新材料开发提供初步筛选依据。

方法上，研究人员主要采用了如下关键技术：数字图像分析（ImageJ 2.9.0）测定颗粒尺寸分布；表观堆积密度和氦气比重瓶法估算孔隙率；扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）观察微观结构和元素分布；热流法热分析仪（ISOMET 2114）测量热导率和热扩散率；热重分析（TGA）评估热稳定性与残余质量；微尺度燃烧量热（MCC）按ASTM D7309测定峰值热释放速率、总热释放和热释放容量；傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定有机官能团；煅烧残余物通过灰分产率、X射线荧光（XRF）和X射线衍射（XRD）分析氧化物组成和矿物相。材料来源方面，玉米秆和向日葵秆来自SAVASCO项目提供的粉碎形态，大麻秆由KANABAT以商业化粉碎形态提供，麦秆在实验室经锤式粉碎机处理，其余材料以自然收集或工业供应形态使用。

### 3.1 形态与物理表征

通过颗粒图像分析、表观堆积密度、骨架密度和SEM观察发现，稻草的表观堆积密度最低（0.0275 g·cm^?3），橄榄核最高（0.8279 g·cm^?3），两者相差约30倍。多数低密度残余物（如丝瓜络、稻草、波喜荡草）具有极高的估算孔隙率（0.96–0.98），表明其低堆积密度主要来自颗粒间开放排列。橄榄核则因紧凑颗粒堆积而孔隙率显著较低（0.41）。SEM进一步显示了从致密木质碎块（橄榄核）到长纤维网络（波喜荡草）和蜂窝状结构（丝瓜络）的广泛形貌差异，证明所选材料在形态上并非均一颗粒集。

### 3.2 热与热物理表征

热导率测量显示，除橄榄核（0.1204 W·m^?1·K^?1）外，其余九种残余物的热导率处于0.0436–0.0505 W·m^?1·K^?1的窄区间，符合轻质生物基保温材料常用范围。热重分析（TGA）显示所有材料均呈典型三阶段降解，但水分损失和残余质量差异明显：波喜荡草第一阶段质量损失最高（16.1%），且800 °C残余质量最高（37.1%），而大麻秆残余质量仅2.1%。微尺度燃烧量热（MCC）表明，波喜荡草和向日葵秆的PHRR最低（45.7和46.4 W·g^?1），丝瓜络最高（145.5 W·g^?1）；橄榄枝虽然PHRR中等，但总热释放（12.6 kJ·g^?1）和热释放容量（106.0 J·g^?1·K^?1）最高。

### 3.3 化学与矿物表征

FTIR光谱确认了所有材料的木质纤维素本底，并显示波喜荡草在羟基区吸收更强，与较高吸湿性一致。灰分产率从橄榄核的1.66%到波喜荡草的26.23%不等。XRF分析将灰分分为富硅型（稻壳、稻草、麦秆）、钙质/硅钙型（橄榄枝、橄榄核）和富碱型（大麻秆、向日葵秆、波喜荡草）；其中稻壳灰SiO₂含量达91.96%。XRD结果表明，稻壳灰以无定形相为主，稻草、麦秆等为无定形与结晶混合，而波喜荡草、橄榄枝、橄榄核、玉米秆和向日葵秆在600 °C下已形成清晰结晶相，波喜荡草中鉴定出方解石（calcite）、石盐（halite）和磷酸钠，其含氯盐相对水泥基体系可能构成兼容性限制。

### 3.4 比较综合

综合所有表征结果，轻质保温应用的最优均衡候选者是波喜荡草、稻草和向日葵秆，它们在低热导率的基础上同时具有相对较低的燃烧热释放或较高残留分数；丝瓜络在保温方面极佳但燃烧热释放较高；稻壳兼具低热导和高残余质量，但热释放参数相对偏高；橄榄核因高密度和高热导率，在轻质保温领域潜力最低。矿物质谱图进一步提示不同材料可适用于不同增值路径，但需后续在复合材料中验证。

讨论部分表明，没有任何单一性质可以充分预测残余物的适用性；低热导率并不自动对应低燃烧风险，而灰分矿物组成也彼此独立变化。因此，多属性联合筛选是识别“平衡型”候选材料的关键。本研究的灰分矿物学结果，特别是含氯化物相的出现，提示了后续与胶凝材料相容性测试的必要性，但尚不能直接推断产品级耐火性能。

结论部分翻译如下：这项研究为十种植物源残余物建立了一个第一阶段的比较筛选框架，它们均以与潜在生物基建筑材料应用相关的供应形态或最低加工形态被考察。这些差异的幅度证实，植物源残余物不能被视作单一均质材料类别。表观堆积密度在稻草和橄榄核之间相差约30倍，而橄榄核的热导率约为稻草的2.7倍。对于本研究所考虑的轻质保温应用，兼具低表观堆积密度和低热导率的残余物尤为重要，因为它们可能同时降低材料质量和通过材料的热传递。燃烧相关响应也强烈依赖材料：丝瓜络的PHRR约为波喜荡草的3.2倍，而波喜荡草的TGA残余质量几乎是大麻秆的18倍。较低的MCC热释放参数提供了额外的有利筛选标准，因为它们表明在受控试验条件下燃烧危害较低，但并不代表产品尺度防火性能。联合结果还显示，没有单一性质足以筛选候选材料。低热导率并不一定伴随低热释放参数，丝瓜络即为实例，而波喜荡草、稻草和向日葵秆在轻质保温导向开发中表现出更均衡的谱图。因此，这些残余物尤其适合作为后续低密度保温复合材料开发中优先排序的候选者；而特征更为分化的材料仍可能适用于其他建筑功能，或需要特定的配方策略。无机组分同样具有分化性，灰分产率从橄榄核的1.66%到波喜荡草的26.23%不等。稻来源残余物和麦秆的灰分更富硅，波喜荡草则表现出独特的富钠、富钙氧化物谱图，并伴有XRD鉴定的含氯相石盐，表明不同矿物特征应在后续材料开发或灰分增值中加以考虑。此处进行的表征并未证明成品建筑构件的最终适用性或性能，其贡献在于通过识别具有差异化和潜在互补特征谱图的候选材料，缩小了由大量可能的残余物、胶凝剂、配方和制造条件所构成的实验空间。后续工作必须通过复合材料制造和应用级评估来验证这些发现，包括胶凝剂兼容性、可加工性、尺寸和湿度稳定性、力学性能、生物耐久性以及产品尺度防火行为。