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

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）和意大利都靈理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近日在期刊 Chem Circularity 上正式發(fā)表的一項(xiàng)科研成果。他們開發(fā)出一種全新的綠色化學(xué)工藝，將鋸末與一種名為“鳥糞石”的礦物結(jié)合，制成了既阻燃又高強(qiáng)度的復(fù)合材料——而整個(gè)過程中最關(guān)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(huì)產(chǎn)生大量鋸末。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，2025年我國(guó)木屑需求量達(dá)到4005.8萬噸，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)154.54億元。這些鋸末的主要去向包括生物質(zhì)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(dāng)一部分最終被直接焚燒用于能源回收。這種“降級(jí)回收”方式不僅導(dǎo)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(zhì)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(tǒng)板材通常使用甲醛基樹脂、聚烯烴等有機(jī)粘合劑，它們不僅來源于化石資源、難以回收，在火災(zāi)中還會(huì)助長(zhǎng)火勢(shì)蔓延。

那么，能不能用無機(jī)礦物來替代有機(jī)樹脂，既環(huán)保又防火？這正是研究團(tuán)隊(duì)思考的問題。

鳥糞石：一種會(huì)“主動(dòng)滅火”的礦物

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

此前，Guo等研究者在2019年和2020年先后發(fā)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(yōu)于傳統(tǒng)的硼基和水溶性磷酸銨基阻燃劑。為什么？因?yàn)轼B糞石在加熱時(shí)會(huì)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(fā)物還能稀釋可燃?xì)怏w，同時(shí)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(dòng)滅火”。

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

西瓜籽“上場(chǎng)”：用酶精準(zhǔn)控制結(jié)晶

研究團(tuán)隊(duì)的思路非常巧妙：與其讓鳥糞石“野蠻生長(zhǎng)”，不如請(qǐng)一位“指揮官”來精準(zhǔn)調(diào)控結(jié)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(dāng)作農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的西瓜籽。

數(shù)據(jù)顯示，脲酶約占西瓜籽重量的0.5%。我國(guó)西瓜籽年產(chǎn)量超過100萬噸，其中新疆占全國(guó)總產(chǎn)量近一半。研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)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(qiáng)度條件下仍能保持穩(wěn)定的酶活性。

有了脲酶這個(gè)“指揮官”，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jié)晶為鳥糞石——這個(gè)過程叫“溶液介導(dǎo)的相轉(zhuǎn)變（SMPT）”。

最關(guān)鍵的是，研究團(tuán)隊(duì)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(jié)晶誘導(dǎo)時(shí)間，使得晶體長(zhǎng)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(jìn)鋸末細(xì)胞壁上的微觀孔隙（具緣紋孔）中。

這種“微觀鎖扣”效應(yīng)，是復(fù)合材料獲得高強(qiáng)度的物理基礎(chǔ)。 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(shí)甚至出現(xiàn)細(xì)胞壁的“內(nèi)聚破壞”——這說明礦物和木材之間的結(jié)合強(qiáng)度，已經(jīng)超過了木材自身細(xì)胞壁的強(qiáng)度。

性能實(shí)測(cè)

光說“結(jié)合得好”還不夠，數(shù)據(jù)最有說服力。

力學(xué)性能：在密度約780 kg/m3的條件下，復(fù)合材料在垂直于壓實(shí)方向上的抗壓強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)度（約4.2 MPa）。研究團(tuán)隊(duì)還做了拉伸和三點(diǎn)彎曲測(cè)試，結(jié)果表明力學(xué)性能穩(wěn)定，且與鋸末粒徑大小基本無關(guān)。

阻燃性能： 在可燃性測(cè)試中，材料對(duì)直接火焰暴露幾乎不燃——火焰接觸區(qū)域只出現(xiàn)炭化，火焰移除后沒有蔓延，整體質(zhì)量損失不到1%。在錐形量熱儀的強(qiáng)制燃燒測(cè)試中，復(fù)合板材的點(diǎn)燃時(shí)間長(zhǎng)達(dá)51 ± 1秒，而未經(jīng)處理的云杉木材大約15秒就會(huì)被點(diǎn)燃——點(diǎn)燃時(shí)間延長(zhǎng)了3倍以上。點(diǎn)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(hù)性炭層，使火焰自行熄滅。產(chǎn)煙量也極低，總煙釋放量?jī)H為74 ± 4 m2/m2。

研究團(tuán)隊(duì)還做了一個(gè)直觀的實(shí)驗(yàn)：用丁烷火焰噴槍持續(xù)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(xù)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(píng)估表明，這種材料有望達(dá)到歐洲防火等級(jí)Euroclass B級(jí)，與當(dāng)前廣泛用于內(nèi)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(yuǎn)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(huán)”回收

對(duì)于綠色建材來說，除了“造得好”、“用得好”，還有一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：“拆得掉”——材料在使用壽命結(jié)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(xiàng)研究的最大亮點(diǎn)之一。研究團(tuán)隊(duì)證明，鳥糞石粘合劑可以在非常溫和的條件下實(shí)現(xiàn)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(fù)合材料

用回收的鎂磷石制成的新復(fù)合材料，抗壓強(qiáng)度為4.45 ± 0.30 MPa，與原始材料的4.71 ± 0.37 MPa在統(tǒng)計(jì)上沒有顯著差異。

這意味著什么？理論上，這種材料可以反復(fù)循環(huán)使用，性能幾乎不衰減。 分離出來的鋸末可以焚燒發(fā)電（恢復(fù)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(jìn)入生產(chǎn)循環(huán)。

更有趣的是，如果材料最終不再適合循環(huán)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)，還有多遠(yuǎn)？

當(dāng)然，任何一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室成果走向?qū)嶋H應(yīng)用，都有一段路要走。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)優(yōu)化和放大生產(chǎn)工藝。制約其市場(chǎng)推廣的核心因素，可能包括：鳥糞石前體的規(guī)模化供應(yīng)成本（目前可從工業(yè)廢水處理設(shè)施中回收鳥糞石沉淀物作為替代來源）、酶提取工藝的經(jīng)濟(jì)性、大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)的穩(wěn)定性，以及需要通過更大規(guī)模的阻燃測(cè)試以獲得各國(guó)建筑規(guī)范認(rèn)證。

但方向已經(jīng)非常清晰。在木材綜合利用率仍偏低的背景下——我國(guó)目前木材綜合利用率僅約65%，與發(fā)達(dá)國(guó)家80%以上的水平相比仍有明顯差距——這類能夠?qū)⒌蛢r(jià)值廢棄物“高值化”利用的技術(shù)，無疑具有巨大的發(fā)展空間。

結(jié)語(yǔ)

這項(xiàng)研究的動(dòng)人之處，在于它用一種極其“樸素”的方式，回應(yīng)了可持續(xù)材料領(lǐng)域最核心的幾個(gè)命題：

原料從哪來？鋸末（木材加工廢棄物）+ 西瓜籽提取物（農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品）+ 鳥糞石（可從廢水中回收）。

制造過程環(huán)保嗎？室溫下水相合成，無需高溫?zé)Y(jié)，酶催化條件溫和。

產(chǎn)品性能過硬嗎？抗壓強(qiáng)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(huán)利用不降性能，最終還能當(dāng)肥料。

當(dāng)鋸末不再是被一燒了之的“廢料”，當(dāng)西瓜籽不再是被丟棄的“下腳料”，當(dāng)建筑板材不再是使用壽命結(jié)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(huán)材料”從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)。