增加水性粘合剂含量的再生水泥包装袋生物纤维水泥板复合材料的固化性能

《Journal of Composites Science》：Curing Performance of Biofiber Cement Board Composites from Recycled Cement Packaging Bags with Increased Water-Based Adhesive Content Nuchnapa Tangboriboon and Panisara Panthongkaew

　　

本研究探讨了通过利用源自水泥包装袋的再生生物纤维，并结合水性粘合剂，经由胶结 - 固化工艺增强波特兰水泥（Portland cement）的固化效率，从而开发具有增强隔热性能的高强度生物纤维水泥板。该方法通过回收利用减少了水泥包装及其他生物纤维残留物产生的废弃物，从而促进了环境可持续性。此外，该过程无需使用额外的化学药剂来处理或处置纤维废料，也无需焚烧生物纤维废料。主要成分为纤维素（60 wt%）、木质素（15 wt%）和半纤维素（10 wt%）的水泥袋再生生物纤维作为增强相，而水泥与粘合剂的混合物则作为强效粘结基体。利用未受损的水泥袋纤维制备复合材料保留了纤维的完整性，并实现了良好有序的一维（1D）纤维排列，根据混合律，这比二维（2D）或三维（3D）排列能促进更有效的增强作用。此外，掺入水性聚醋酸乙烯酯（PVAc）粘合剂加速了水泥相的固化速率，促进了强互联网络结构的形成，并有助于实现更完全的固化过程。依据相关工业标准，包括 TISI 878:2023、BS 874、ASTM C1185、ASTM D570、ASTM C518、ISO 8301 和 JIS A1412，对生物纤维水泥板的物理、机械、化学及热学性能进行了评估。结果表明，1:2 的最佳水泥砂浆与水性粘合剂比率，结合增加的生物纤维片层数，显著提升了材料性能，特别是在配方 (7) 至 (9) 中。其中，配方 (9) 表现出最低的吸水率（0.0835 ± 0.0102%）、最高的拉伸强度（19.489 ± 0.670 MPa）、最高的弯曲强度（20.867 ± 2.505 MPa）、最高的杨氏模量（5735.068 ± 387.032 MPa）以及较低的热导率（0.152 W/m·K）。与较低的水泥 - 粘合剂比率（1:1 和 1:0）相比，所得板材展现出更强的粘结能力、增强的耐火、耐潮及耐候性，以及更长的使用寿命。这些发现证明了再生生物纤维复合材料与水性粘合剂相结合，作为建筑建设中天花板和墙壁等隔热及结构应用的可持续替代材料的潜力。

随着基础设施的快速扩张和城市化进程，全球对水泥的需求显著增加，导致水泥包装材料（特别是多层纸袋）的消耗量剧增。然而，水泥生产贡献了全球约 7–8% 的二氧化碳（CO₂）排放，且废弃的水泥包装袋若处理不当（如填埋或焚烧）将造成环境污染。尽管木质纤维素生物纤维（主要含纤维素、木质素和半纤维素）具有回收利用价值，但其在碱性水泥环境中的耐久性及其作为增强相的效率仍是挑战。传统水泥基材料虽抗压强度高，但存在脆性大、抗拉强度低及热导率较高等问题。因此，开发一种既能有效利用废弃水泥包装袋中的生物纤维，又能通过改性提升力学性能和隔热性能的复合材料，对于推动建筑行业的可持续发展具有重要意义。本研究发表在《Journal of Composites Science》上，旨在解决上述问题。

研究人员开展了一项关于利用再生水泥包装袋生物纤维制备高性能水泥板复合材料的研究。研究重点在于探究不同比例的水性聚醋酸乙烯酯（PVAc）粘合剂对波特兰水泥固化过程及最终复合材料性能的增强效应。研究结论表明，通过保持生物纤维的一维（1D）排列并结合优化的水泥 -PVAc 基体，可显著提升复合材料的力学强度、降低密度并改善隔热性能。该研究的重要意义在于提供了一种无需额外化学处理或焚烧即可回收水泥包装废弃物的绿色途径，并证实了所得材料在拉伸强度、弯曲强度及隔热性方面优于多种传统建筑材料，具有作为墙体和天花板等建筑构件的巨大应用潜力。

为开展此项研究，研究人员采用的主要关键技术方法包括：首先，收集本地来源的水泥包装袋，将其切割成特定尺寸（7 × 30 cm）的生物纤维片，保留了纤维的原始完整性以实现一维排列；其次，制备不同配比的基体材料，将波特兰水泥与水基 PVAc 粘合剂（含 90–95% 去离子水和 6–11% PVAc）按体积比 1:0、1:1 和 1:2 进行混合；接着，采用层压成型工艺，将 72 层、84 层或 96 层生物纤维片与水泥 - 粘合剂混合物交替堆叠，并通过手工单向加压成型制备出不同配方的原型样品（共 9 种配方，每种 5 个样本）；最后，依据多项国际及工业标准（如 TISI 878:2023, ASTM C1185, ASTM C518 等），利用光学显微镜（OM）、万能试验机（UTM）和热流计等设备对样品的微观结构、物理性能（密度、吸水率）、机械性能（拉伸、弯曲、杨氏模量）及热学性能（热导率）进行了全面表征。

研究结果如下：
生物纤维水泥板的特性与物理性能：研究显示，波特兰水泥与水性粘合剂的比率显著影响样品的外观、尺寸及厚度。配方 (7) 至 (9)（即高纤维层数且水泥与粘合剂比为 1:2 的组别）表现出最佳的外观和物理性能，无翘曲或收缩现象。随着水泥包装袋层数的增加，堆积密度有所上升；但在纤维层数恒定时，增加 PVAc 粘合剂比例反而降低了堆积密度。这是因为 PVAc 中的水分参与了水泥水化，且其分子链与水泥水化产物（如 C-S-H 凝胶和 Ca(OH)₂）形成了聚合物 - 水泥复合网络。配方 (7)-(9) 的堆积密度最低（1.034–1.300 g/cm³），吸水率也极低（0.0835%–0.1239%），符合相关工业标准。

生物纤维水泥板的机械与热学性能：机械性能测试表明，随着水泥与水性粘合剂比率从 1:0 增至 1:2，以及生物纤维层数的增加，拉伸强度、弯曲强度和杨氏模量均呈一致上升趋势。配方 (7)-(9) 性能最优，其拉伸强度高达 19.489 MPa，弯曲强度达 20.867 MPa，杨氏模量达 5735.068 MPa。这些数值约为传统水泥、玻璃等材料的 4–10 倍。热学性能方面，配方 (7)-(9) 的热导率介于 0.149–0.152 W/m·K 之间，远低于普通水泥，归因于生物纤维引入的微孔结构及 PVAc 形成的稳定膜层有效阻碍了热传递，同时 PVAc 的加入还提升了材料的耐火性和耐候性。

总结与讨论部分指出，本研究成功制备了作为结构复合材料的生物纤维水泥板。水泥包装袋生物纤维片作为增强相，波特兰水泥和水性 PVAc 粘合剂作为基体相。增加生物纤维片数量及提高水泥与水性粘合剂的比率（特别是 1:2 比例）能显著改善板材的物理、机械和热学性能。最佳配方 (7)-(9) 的各项指标均符合 ASTM、ISO 及 JIS 等标准要求，其热导率满足装饰应用、天花板及墙体建设的隔热材料标准。水性 PVAc 粘合剂的加入通过加速固化速率和增强界面结合力，有效提升了拉伸强度、弯曲强度及耐热性，并降低了吸水率。相比最低粘合剂含量的参照组，优化后的生物纤维水泥板样品机械强度提高了约 4–10 倍，证明了其作为可持续建筑材料的巨大潜力。