技术因素对腐殖泥/木屑复合材料性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Influence of technological factors on sapropel/wood chips composite

本研究针对传统建筑保温材料环保性不足、界面粘结差等问题，创新性地采用天然有机湖泊腐殖泥作为粘结剂，与木屑结合开发了一种环保型保温复合材料。研究人员通过优化材料配比与工艺，并引入亚麻籽油和石墨烯等添加剂，显著改善了材料的力学性能、隔热性、耐水性和阻燃性，为开发高性能可持续建材提供了新策略。研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》期刊，具有重要的环保应用价值。

　　

随着全球对气候变化和环境保护的日益关注，建筑行业正面临着巨大的转型压力。传统建筑材料，如水泥，在生产过程中会排放大量二氧化碳，加剧全球变暖；而石膏基材料则普遍存在吸水性过强、强度低和抗冻性差等问题。此外，以酚醛树脂为代表的合成高分子粘结剂，虽性能优异，但在高温下可能释放有毒物质，且不易生物降解，容易造成环境污染。因此，开发可再生、环保且性能优良的建筑材料已成为当务之急。在这一背景下，利用天然或废弃资源制备生物基复合材料，成为了一个极具吸引力的研究方向。天然纤维，如木屑，来源广泛、成本低且可生物降解，但其固有的亲水性导致与疏水性聚合物的界面粘结不佳，影响复合材料最终的性能。

针对上述挑战，来自哈萨克斯坦萨特巴耶夫大学和立陶宛维尔纽斯格迪米纳斯技术大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了湖泊底部沉积物——腐殖泥。腐殖泥是湖泊在厌氧条件下形成的富含有机质的胶状污泥，常作为湖泊清理的副产品被开采。作为一种潜在的可再生有机粘结剂，腐殖泥含有腐殖质复合物、多糖、碳和蛋白质聚合物，能提供丰富的结合位点，但其作为建筑复合材料粘结剂的性能尚未被充分研究。本研究的核心目的，就是探索利用有机腐殖泥作为粘结剂，与松木木屑结合，通过优化配比和添加天然改良剂（如亚麻籽油、熟石灰和膨胀石墨），开发出一种兼具良好隔热、力学、耐水和阻燃性能的环保复合材料，并系统评估各种技术因素对其性能的影响。

研究人员为开展此项研究，主要采用了以下几种关键技术方法：首先，对原材料进行预处理，包括将腐殖泥过筛去除杂质并高速搅拌机械活化，以及对木屑进行碳酸钠溶液煮沸处理和干燥。其次，采用混合与模压成型工艺，将活化后的腐殖泥与木屑及各类添加剂按不同比例混合，在模具中加压成型后，置于干燥箱中高温固化。然后，对制备的复合材料样品进行了一系列标准化性能测试，包括密度、热导率、抗压强度、短期吸水率和防火性能测试。最后，利用扫描电子显微镜观察了材料（包括原材料和复合材料）的微观结构，并运用方差分析和回归分析等数学统计方法对实验数据进行了处理和建模。

3.1. 腐殖泥

研究首先分析了腐殖泥本身。微观结构观察发现，未经机械处理和净化的腐殖泥在硬化后存在大量空隙、裂纹和分层，并且其内部的植物种子等杂质与泥体之间形成了接触不良的裂纹。而经过机械活化和净化后，硬化的腐殖泥结构变得均匀致密，无明显裂纹，但接触区仍未有效形成，原因是杂质表面过于光滑。这表明，要获得良好的粘结，填充物的表面必须粗糙且不与腐殖泥排斥。

3.2. 木屑

对松木木屑的分析显示，未处理的木屑含有大量细颗粒。经过热化学处理（碳酸钠溶液煮沸并清洗）后，细颗粒数量显著减少，木屑表面因可溶性物质被洗去而变得更加粗糙，这有助于提高与腐殖泥粘结剂的界面附着力。

3.3. 复合材料

制备了不同腐殖泥含量（8%、32%、72%）的复合材料样品。宏观观察发现，腐殖泥含量越高，样品颜色越深，内部空隙越大。这主要是因为腐殖泥含水量高（>90%），干燥固化时收缩严重所致。微观结构显示，8%的腐殖泥只能形成零星接触点；32%时大部分木屑颗粒未被覆盖；而72%的腐殖泥则可以完全覆盖木屑颗粒，但过多的空隙会损害力学性能。

3.4. 混合料加压水平

研究发现，加压水平与腐殖泥含量密切相关。当腐殖泥含量从8%增加到72%时，样品在成型时能被压缩的高度（初始100mm）从72.3 mm急剧下降到2.0 mm。这意味着，腐殖泥含量越低，可施加的压力越大，材料越密实；反之，含量过高时，轻微加压就会导致腐殖泥从混合物中被挤出。结果表明，40%的加压水平能确保样品被充分填充且无明显缺陷。

3.5. 复合材料压缩试验

抗压强度测试分为两组样品：一组仅含木屑和腐殖泥；另一组额外添加了熟石灰和亚麻籽油。对于第一组，抗压应力随材料密度的变化呈先升后降的趋势，在密度约230.8 kg/m³（对应约32%的腐殖泥含量）时达到峰值114 kPa。当密度继续增加（腐殖泥含量更高）时，强度反而下降，这可能与过多空隙产生有关。对于第二组（添加石灰和油），抗压强度随密度增加而持续上升，最高可达373.8 kPa。这表明添加熟石灰和亚麻籽油能显著改善复合材料的力学性能。

3.6. 复合材料热导率

热导率测试表明，复合材料的导热系数与密度呈线性正相关。密度越高，导热性越强。同时，腐殖泥含量对密度有决定性影响：腐殖泥含量越高，复合材料密度越低。当腐殖泥含量从8%增加到72%时，密度从约403 kg/m³降至192 kg/m³，降幅约52.4%。相应地，导热系数从0.0724 W/(m·K)降至0.0530 W/(m·K)，降幅约26.8%。这意味着，提高腐殖泥含量虽然会牺牲部分强度，但能显著提升材料的保温隔热性能。

3.7. 添加剂对复合材料性能的影响

3.7.1. 吸水率

为降低复合材料的吸水性，研究了亚麻籽油以及石灰-油混合物（石灰/油比例）的影响。仅添加亚麻籽油时，吸水量随油含量增加而减少，在油含量达到10%后趋于稳定。当同时调整石灰与油的比例时，降低吸水率的效果更为显著。当石灰/油比例达到4:1时，复合材料的短期吸水率从最初的11.2 kg/m²大幅降至1.79 kg/m²，降幅高达84%。微观结构显示，石灰形成了方解石晶体，而亚麻籽油则在复合材料内部形成了疏水涂层，两者协同作用，极大地阻碍了水分渗透。

3.7.2. 可燃性

为提升复合材料的阻燃性，添加了膨胀石墨（一种阻燃剂）。实验表明，火焰高度随石墨含量增加而急剧降低。当石墨含量从0%增加到5%时，火焰高度从250 mm骤降至23 mm，降幅超过90%。超过5%后，火焰高度基本稳定。燃烧后观察发现，膨胀石墨薄片在高温下显著膨胀，覆盖在材料表面形成多层致密的隔热屏障，有效隔绝了氧气并阻止了火焰蔓延。

3.7.3. 添加剂对复合材料结构的影响

微观分析直观展示了添加剂的作用机制。膨胀石墨薄片均匀分散在硬化的腐殖泥基体中，燃烧时发生剧烈膨胀。熟石灰的加入促进了方解石晶体的形成，增加了结构的连接性。亚麻籽油则形成了覆盖在颗粒表面的连续疏水涂层。当石灰和油共同使用时，会形成更细小的晶体，其尺寸和分布受油的影响。

本研究系统探讨了技术因素对腐殖泥/木屑复合材料性能的影响，并得出了一系列关键结论。首先，原材料的预处理至关重要：机械活化和净化腐殖泥能获得更均匀的结构和更好的接触区；热化学处理木屑能去除粉尘、增加表面粗糙度，从而改善界面粘结。其次，腐殖泥的含量是决定复合材料性能的核心变量。它直接调控着材料的密度、抗压强度和热导率。增加腐殖泥含量会降低密度、改善隔热性能，但会引入更多孔隙，影响力学强度。研究发现，在不添加其他物质时，存在一个最优密度点（约230.8 kg/m³，对应约32%腐殖泥），此时抗压强度最高（约114 kPa），热导率较低（约0.0586 W/(m·K)）。此外，成型时的加压水平需根据腐殖泥含量精确控制，以防止粘结剂被挤出并确保样品填充完整。

更重要的是，本研究成功通过添加天然改良剂，在保持环保性的同时，全面提升了复合材料的综合性能。添加熟石灰和亚麻籽油能显著提升抗压强度（最高可达373.8 kPa），并通过形成疏水涂层和晶体结构，将材料的短期吸水率从11.2 kg/m²大幅降低至1.79 kg/m²，降幅超过80%。添加5%的膨胀石墨即可使复合材料获得优异的阻燃性能，火焰高度从250 mm降至23 mm以下，形成有效的耐火屏障。

这项研究的意义在于，它开创性地将湖泊沉积物——腐殖泥，作为一种主流的、可持续的有机粘结剂应用于建材领域，为解决传统建材的高碳足迹和污染问题提供了一种富有前景的“变废为宝”方案。通过系统的配方和工艺优化，并结合天然添加剂（亚麻籽油、石灰、石墨）的协同改性，研究人员成功开发出一种性能均衡、环境友好的新型保温复合材料。该材料在密度（251 kg/m³）、抗压强度（141 kPa）、导热系数（0.0586 W/(m·K)）、低吸水率和良好阻燃性之间取得了良好平衡，展示了其在建筑隔热、非承重结构等领域的应用潜力。该工作不仅为生物基复合材料的开发提供了新思路和详实的数据支持，也为推动建筑行业的绿色可持续发展贡献了有价值的科学依据。