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  隨著快時(shí)尚行業(yè)迅速擴(kuò)張，全球服裝消費(fèi)和生產(chǎn)增加，產(chǎn)生大量紡織廢料，每年全球約產(chǎn)生4000萬噸新紡織廢料，僅約25%被回收再利用，大部分被填埋或焚燒，嚴(yán)重破壞地球生態(tài)系統(tǒng)平衡。纖維素基紡織廢料（主要含棉和粘膠）是天然纖維紡織廢料中存量最大的；聚酯（PET）廢料因在合成紡織品中廣泛使用而數(shù)量可觀，兩者回收都面臨挑戰(zhàn)�，F(xiàn)有回收利用方法存在局限性，雖有微生物降解、化學(xué)改性和纖維素納米晶生產(chǎn)等回收再利用方法，但主要關(guān)注過程，未充分挖掘材料潛在應(yīng)用，尤其在將纖維素廢料轉(zhuǎn)化為高附加值材料方面。用紡織廢料制備纖維素氣凝膠是不錯(cuò)的回收選擇，其具有輕質(zhì)、高孔隙率、低導(dǎo)熱性和強(qiáng)化學(xué)改性能力等優(yōu)點(diǎn)，在油水分離、保溫隔熱等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。但纖維素氣凝膠機(jī)械性能差，在隔熱場景易因外部壓力結(jié)構(gòu)坍塌導(dǎo)致隔熱性能下降，在吸油應(yīng)用中若無法承受吸收和分離過程中的力則影響可重復(fù)使用性，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

  基于此，西安工程大學(xué)劉呈坤教授團(tuán)隊(duì)以棉和粘膠紡織廢料為原料，LiOH/尿素水溶液為纖維素溶劑，通過冷凍干燥工藝制備纖維素氣凝膠。探究了兩種力學(xué)性能增強(qiáng)策略，一是將廢PET纖維切碎、粉碎后作為增強(qiáng)體摻入純棉或粘膠氣凝膠中，增強(qiáng)氣凝膠力學(xué)性能；二是結(jié)合具有長短纖維素分子鏈的棉和粘膠纖維，改善交聯(lián)點(diǎn)，提高交聯(lián)效率，從而增強(qiáng)機(jī)械性能。然后用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）進(jìn)行疏水改性，使纖維素氣凝膠具備油水分離能力，實(shí)現(xiàn)廢舊紡織材料的高值化利用（圖1）。相比以往研究，本研究擴(kuò)大了纖維素廢料來源，提供了更可行的大規(guī)模處理和高值回收方法；在不犧牲隔熱和吸油等關(guān)鍵性能的前提下實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)增強(qiáng)，機(jī)械增強(qiáng)后的氣凝膠在建筑隔熱和工業(yè)管道隔熱方面有較大應(yīng)用潛力，疏水改性后可有效用于油水混合物分離，減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

圖1 力學(xué)性能增強(qiáng)纖維素基氣凝膠制備流程與應(yīng)用

  如圖2所示，對(duì)于純棉/粘氣凝膠，均呈現(xiàn)多孔網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu)。隨著纖維素含量增加，其孔結(jié)構(gòu)趨向更緊密、均勻分布，孔徑減小且空間均勻性顯著改善；壓縮應(yīng)力和模量、拉伸應(yīng)力和模量增強(qiáng)，而斷裂伸長率降低。

圖2 純棉/粘膠基氣凝膠微觀形貌與力學(xué)性能

  探究了不同PET摻雜量對(duì)氣凝膠力學(xué)性能的影響，并分析了增強(qiáng)機(jī)理（圖3d）。將PET短纖維作為增強(qiáng)體摻入氣凝膠基質(zhì)中，PET短纖維可作為骨架增強(qiáng)氣凝膠機(jī)械性能。研究選取C₁P₁和V₃P₁進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)摻入PET纖維后氣凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持完整，PET短纖維均勻散布在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其連接處被纖維素層狀結(jié)構(gòu)緊密包裹，這種獨(dú)特結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了壓縮和拉伸應(yīng)力。力學(xué)性能測試表明，與3 wt%純粘膠纖維相比，摻入1.5 wt%滌綸后的的壓縮應(yīng)力和模量分別提高了2.7倍和13.2倍。

圖3 滌綸增強(qiáng)纖維素基氣凝膠微觀形貌與力學(xué)性能

  如圖4所示，探究了棉/粘不同組合比例對(duì)氣凝膠力學(xué)性能的影響，并分析了增強(qiáng)機(jī)理。纖維素基材料的機(jī)械性能受纖維素聚合度（DP）影響顯著，高DP棉纖維賦予氣凝膠網(wǎng)絡(luò)機(jī)械強(qiáng)度，低DP粘膠增加纖維素交聯(lián)點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)混合氣凝膠的網(wǎng)絡(luò)比單一的棉/粘氣凝膠更均勻，有利于提高力學(xué)性能；與3 wt%純粘膠纖維氣凝膠相比，棉/粘膠組合氣凝膠（C₂V₁）的壓縮應(yīng)力和模量分別提高了2.3倍和13.1倍。

圖4 棉/粘組合增強(qiáng)纖維素基氣凝膠微觀形貌與力學(xué)性能

  如圖5所示，兩種策略增強(qiáng)后的纖維素基氣凝膠相較于純棉/粘氣凝膠的密度和導(dǎo)熱率略有提高、孔隙率略有下降，但總體變化小，保持了較低導(dǎo)熱率和出色隔熱性能。相較于傳統(tǒng)保溫隔熱材料以及其他文獻(xiàn)中報(bào)道的增強(qiáng)型纖維素基氣凝膠材料，優(yōu)勢顯著。表明這兩種增強(qiáng)策略在增強(qiáng)纖維素基氣凝膠力學(xué)性能的同時(shí)，有效保留了其隔熱能力。

圖5 兩種策略增強(qiáng)纖維素基氣凝膠保溫隔熱性能

  如圖6所示，通過化學(xué)氣相沉積（CVD）對(duì)纖維素基氣凝膠進(jìn)行MTMS表面疏水化處理，使其具備超疏水特性。泵油吸附測試表明，棉氣凝膠比粘氣凝膠的吸附能力更強(qiáng)。添加PET短纖維后，滌棉氣凝膠也比滌粘氣凝膠吸油能力更強(qiáng)。對(duì)C₁、C_0.5V_2.5和C₁P_1.5進(jìn)行不同種類油和有機(jī)溶劑的吸收測試，結(jié)果表明C₁和C₁P_1.5的總體吸附能力較好。綜合評(píng)估氣凝膠力學(xué)性能和吸油性能，選擇C₁P_1.5進(jìn)行在不同溫度下的吸油性能測試，經(jīng)25次吸油-擠壓循環(huán)后仍保持80%以上吸收能力，且具有良好的疏水性、透氣性和快速吸油分離能力。與先前報(bào)道的纖維素基氣凝膠相比，PET增強(qiáng)氣凝膠在有機(jī)溶劑和油的吸收能力上更具優(yōu)勢，為開發(fā)油水分離材料提供了新策略。

圖6 兩種策略增強(qiáng)纖維素基氣凝膠油水分離性能

  該工作以“Reinforcement strategies for cellulose-based aerogels from textile waste and their applications in thermal insulation and oil absorption”為題發(fā)表在期刊《International Journal of Biological Macromolecules》上（二區(qū)top，IF=7.7）。通訊作者為西安工程大學(xué)劉呈坤教授，共同通訊作者為新加坡國立大學(xué)Seeram Ramakrishna教授和西安工程大學(xué)張振方博士。

  該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和陜西省創(chuàng)新能力支持計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.142526