学术研究报告：MXene辅助回收废弃纤维素纤维与海藻酸盐纤维制备防火电磁屏蔽复合材料
作者及机构
本研究的通讯作者为Lin Weng（西安交通大学化学工程学院）和Defang Zhao（绍兴大学清洁染整技术浙江省重点实验室），第一作者为Xiaolin Zhang（西安工程大学纺织科学与工程学院）。合作单位包括西安工程大学、绍兴大学等机构。论文发表于期刊*Polymer Degradation and Stability*（2024年8月，卷229，文章编号110955）。
研究领域与动机
纺织废料（textile waste）的快速增长已成为全球环境挑战，仅20%的废弃纺织品被回收，其余通过填埋或焚烧处理，导致二氧化碳、甲烷及重金属污染。为实现循环经济（circular economy），本研究提出一种环保策略：将废弃纤维素纤维（waste cellulose fiber）与海藻酸盐纤维（alginate fiber）复合，通过MXene（二维过渡金属碳化物）改性，制备兼具阻燃性（flame retardancy）和电磁干扰屏蔽（electromagnetic interference shielding, EMI）功能的复合材料。
科学问题与目标
传统化学回收法成本高且不环保，而针刺无纺布技术（needle punching）能耗低、效率高。本研究旨在：
1. 开发一种低能耗工艺，将废弃纤维素纤维与海藻酸盐纤维复合；
2. 通过MXene改性提升阻燃性和EMI性能；
3. 阐明复合材料的阻燃机制及环境效益。
1. 材料制备
- 原料：海藻酸盐纤维（alginate fiber, ALG）、粘胶废纤维（viscose waste fiber）、棉废纤维（cotton waste fiber）、MXene分散液。
- 复合毡制备：将ALG与废纤维按比例（3:1:6至3:4:3）混合，经梳理成网后针刺加固（密度5.2–9.1 punch/cm²），制得ALG-WCV复合毡；再喷涂MXene溶液（2.08–9.39 wt%）获得TALG-WCV改性毡。
2. 表征与测试
- 微观结构：扫描电镜（SEM）观察纤维形貌及MXene涂层分布；X射线衍射（XRD）分析晶体结构。
- 阻燃性能：
- 燃烧测试：依据宾夕法尼亚填充玩具标准（Pennsylvania stuffed toy regulations）评估自熄性；
- 锥形量热（Cone calorimetry, ISO 5660-1）测定热释放速率（HRR）、总热释放（THR）、烟生成率（SPR）；
- 热重分析（TGA）与差示扫描量热（DSC）研究热稳定性。
- EMI屏蔽效能：矢量网络分析仪（8.2–12.4 GHz）测试反射损耗（SER）与吸收损耗（SEA）。
- 阻燃机制分析：
- SEM-EDS与XRD表征残炭元素组成及晶体结构；
- 同步热重-红外-气相色谱/质谱（STA-FTIR-GC/MS）联用解析热解气体产物。
1. 材料性能优化
- 最佳工艺参数：纤维混合比3:3:4（ALG:棉:粘胶）、针刺密度9.1 punch/cm²、MXene浓度6.25 wt%。此条件下，TALG-WCV复合毡的极限氧指数（LOI）显著提高，燃烧后残炭率达16%，且具备自熄性（图2）。
- 阻燃机制：
- 气相阻燃：热解释放大量CO₂和H₂O（非易燃气体），稀释可燃物浓度（图5a-b）；
- 凝聚相阻燃：形成Ca(OH)₂和TiO₂纤维状残炭（图4d-i），隔绝氧气与热量传递。
2. EMI屏蔽性能
MXene涂层赋予复合材料优异的EMI屏蔽效能（SET=20–30 dB），主要源于电磁波吸收（SEA占比>70%）（图S1）。
3. 环境与经济优势
- 低碳工艺：针刺技术能耗低于传统化学回收法；
- 毒性评估：燃烧气体中未检测到显著有毒物质（GC/MS验证）；
- 应用潜力：适用于家具填充、建筑隔热及可穿戴纺织品。
科学价值
1. 提出了一种协同阻燃机制（气相+凝聚相），为废弃纤维素的高值化利用提供新思路；
2. 揭示了MXene在提升复合材料多功能性（阻燃+EMI屏蔽）中的关键作用。
应用价值
1. 实现70%的纺织废料回收率，减少填埋与焚烧污染；
2. 低成本工艺（针刺+MXene喷涂）易于工业化推广。
补充发现
- 针刺密度过高（>9.1 punch/cm²）会破坏纤维结构，需平衡力学性能与阻燃性；
- MXene含量>6.25 wt%时成本效益下降，需优化涂层工艺。
（全文约2000字）