零碳科技：用鋸末和西瓜籽制造新型低碳防火建筑材料

https://doi.org/10.1016/j.checir.2025.100004

蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）和意大利都靈理工大學研究團隊近日在期刊 Chem Circularity 上正式發表的一項科研成果。他們開發出一種全新的綠色化學工藝，將鋸末與一種名為“鳥糞石”的礦物結合，制成了既阻燃又高強度的復合材料——而整個過程中最關鍵的一步，由西瓜籽中提取的脲酶蛋白體來完成。

鋸末的困境

木材加工會產生大量鋸末。據行業統計，2025年我國木屑需求量達到4005.8萬噸，市場規模達154.54億元。這些鋸末的主要去向包括生物質顆粒燃料、人造板、造紙、食用菌栽培等。

然而，盡管鋸末有這些“出路”，仍有相當一部分最終被直接焚燒用于能源回收。這種“降級回收”方式不僅導致大量碳排放，也意味著寶貴原材料資源的永久流失。

更大的問題在于：鋸末的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素，本身極易燃燒。即便將其制成刨花板等人造板，防火安全仍然是一大隱患——傳統板材通常使用甲醛基樹脂、聚烯烴等有機粘合劑，它們不僅來源于化石資源、難以回收，在火災中還會助長火勢蔓延。

那么，能不能用無機礦物來替代有機樹脂，既環保又防火？這正是研究團隊思考的問題。

鳥糞石：一種會“主動滅火”的礦物

在化學上，鳥糞石（struvite）的學名是磷酸銨鎂（MgNH?PO?·6H?O）。它的名字聽起來有點“原生態”，但它的阻燃能力卻相當硬核。

此前，Guo等研究者在2019年和2020年先后發表論文，證明鳥糞石可以作為塊狀木材的阻燃處理劑，其效果優于傳統的硼基和水溶性磷酸銨基阻燃劑。為什么？因為鳥糞石在加熱時會吸熱分解，釋放出水蒸氣和氨氣，不僅帶走熱量、降低材料表面溫度，揮發物還能稀釋可燃氣體，同時在材料表面形成一層致密的介孔磷酸鎂炭層，隔絕火焰和氧氣。

換句話說，鳥糞石不是“扛燒”——它是“主動滅火”。

但問題來了：如果用傳統方法將鳥糞石和鋸末結合，沉淀過程不受控制，晶體太小、分布不均，最終形成的復合材料強度極差——一碰就碎。

西瓜籽“上場”：用酶精準控制結晶

研究團隊的思路非常巧妙：與其讓鳥糞石“野蠻生長”，不如請一位“指揮官”來精準調控結晶過程。

他們選中了脲酶——一種能夠催化尿素水解、緩慢釋放銨離子和升高pH值的天然酶。而脲酶的來源，竟然是被很多人當作農業副產品的西瓜籽。

數據顯示，脲酶約占西瓜籽重量的0.5%。我國西瓜籽年產量超過100萬噸，其中新疆占全國總產量近一半。研究團隊用丙酮從磨碎的西瓜籽中提取出脲酶蛋白體（UPBs），得到一種自由流動的粉末。與分離后的純脲酶相比，這種蛋白體在高濃度尿素和高離子強度條件下仍能保持穩定的酶活性。

有了脲酶這個“指揮官”，研究團隊設計了一條精妙的工藝路線：先制備鎂磷石（鳥糞石的前體礦物）懸浮液，在西瓜籽脲酶的催化下，尿素緩慢水解釋放銨離子，鎂磷石逐漸溶解并重新結晶為鳥糞石——這個過程叫“溶液介導的相轉變（SMPT）”。

最關鍵的是，研究團隊在體系中加入了硫酸鈉（Na?SO?），鈉離子和硫酸根離子的存在延緩了鳥糞石的結晶誘導時間，使得晶體長得更大、更完整，能夠緊密貼合鋸末表面的粗糙形貌，甚至“爬”進鋸末細胞壁上的微觀孔隙（具緣紋孔）中。

這種“微觀鎖扣”效應，是復合材料獲得高強度的物理基礎。 從電子顯微鏡照片中可以清晰看到，鳥糞石晶體將鋸末顆粒緊緊包裹、橋接在一起，斷裂時甚至出現細胞壁的“內聚破壞”——這說明礦物和木材之間的結合強度，已經超過了木材自身細胞壁的強度。

性能實測

光說“結合得好”還不夠，數據最有說服力。

力學性能：在密度約780 kg/m3的條件下，復合材料在垂直于壓實方向上的抗壓強度達到4.71 ± 0.37 MPa，超過了塊狀挪威云杉在橫向方向上的抗壓強度（約4.2 MPa）。研究團隊還做了拉伸和三點彎曲測試，結果表明力學性能穩定，且與鋸末粒徑大小基本無關。

阻燃性能： 在可燃性測試中，材料對直接火焰暴露幾乎不燃——火焰接觸區域只出現炭化，火焰移除后沒有蔓延，整體質量損失不到1%。在錐形量熱儀的強制燃燒測試中，復合板材的點燃時間長達51 ± 1秒，而未經處理的云杉木材大約15秒就會被點燃——點燃時間延長了3倍以上。點燃后的熱釋放速率峰值也僅有118 ± 2 kW/m2，燃燒過程中迅速形成保護性炭層，使火焰自行熄滅。產煙量也極低，總煙釋放量僅為74 ± 4 m2/m2。

研究團隊還做了一個直觀的實驗：用丁烷火焰噴槍持續灼燒板材表面，表面溫度升至約900°C，但背面溫度始終保持在30°C以下，且持續超過5分鐘——這意味著即使一面被烈火炙烤，另一面依然觸手不燙。

初步評估表明，這種材料有望達到歐洲防火等級Euroclass B級，與當前廣泛用于內墻防火的水泥刨花板處于同一水平——但鳥糞石鋸末板的粘合劑重量占比僅約40%，遠低于水泥刨花板的60%–70%，重量更輕，碳足跡也更小。

不只防火，還能“無限循環”回收

對于綠色建材來說，除了“造得好”、“用得好”，還有一個關鍵指標：“拆得掉”——材料在使用壽命結束后能不能被回收利用，而不是變成新的建筑垃圾。

這正是這項研究的最大亮點之一。研究團隊證明，鳥糞石粘合劑可以在非常溫和的條件下實現完全回收，回收流程大致如下：

粉碎 → 103°C低溫加熱（鳥糞石分解為無定形磷酸鎂） → 篩分分離鋸末和礦物粉末 → 硫酸溶解 → 過濾去除殘留木纖維 → NaOH滴定至pH 7 → 鎂磷石重新沉淀出來 → 再次用于制備復合材料

用回收的鎂磷石制成的新復合材料，抗壓強度為4.45 ± 0.30 MPa，與原始材料的4.71 ± 0.37 MPa在統計上沒有顯著差異。

這意味著什么？理論上，這種材料可以反復循環使用，性能幾乎不衰減。 分離出來的鋸末可以焚燒發電（恢復其原本的用途），也可以再次用于制造新板材；回收的鳥糞石則重新進入生產循環。

更有趣的是，如果材料最終不再適合循環使用，鳥糞石本身就是一種緩釋氮磷肥料，可以被用作土壤改良劑，釋放植物生長所需的氮和磷——從建材到肥料，一條完整的“從搖籃到搖籃”路徑清晰可見。

從實驗室到市場，還有多遠？

當然，任何一項實驗室成果走向實際應用，都有一段路要走。

研究團隊計劃繼續優化和放大生產工藝。制約其市場推廣的核心因素，可能包括：鳥糞石前體的規模化供應成本（目前可從工業廢水處理設施中回收鳥糞石沉淀物作為替代來源）、酶提取工藝的經濟性、大規模連續化生產的穩定性，以及需要通過更大規模的阻燃測試以獲得各國建筑規范認證。

但方向已經非常清晰。在木材綜合利用率仍偏低的背景下——我國目前木材綜合利用率僅約65%，與發達國家80%以上的水平相比仍有明顯差距——這類能夠將低價值廢棄物“高值化”利用的技術，無疑具有巨大的發展空間。

結語

這項研究的動人之處，在于它用一種極其“樸素”的方式，回應了可持續材料領域最核心的幾個命題：

原料從哪來？鋸末（木材加工廢棄物）+ 西瓜籽提取物（農業副產品）+ 鳥糞石（可從廢水中回收）。

制造過程環保嗎？室溫下水相合成，無需高溫燒結，酶催化條件溫和。

產品性能過硬嗎？抗壓強度超過原木，阻燃性能媲美水泥刨花板。

能回收嗎？100°C出頭就能回收，循環利用不降性能，最終還能當肥料。

當鋸末不再是被一燒了之的“廢料”，當西瓜籽不再是被丟棄的“下腳料”，當建筑板材不再是使用壽命結束后只能填埋的“垃圾”——我們或許正在見證一種真正意義上的“循環材料”從實驗室走向現實。