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文/阿瑶说
编辑/阿瑶说
前言由于严格的可持续性标准，建筑行业近几十年来一直致力于减少石化产品消耗和碳排放。为了解决建筑隔热需求，除了使用木材、棕榈、羊毛和纤维素纤维等天然材料作为隔热材料外，还开发了一些具有优化能耗的新系统。
真空绝热板（VIP）和气凝胶是两种具有极低导热性的隔热材料，被认为是最佳选择之一。然而，这两种材料价格昂贵，并且在建筑绝缘应用中存在一些限制。真空绝热板在建筑工地上进行穿孔困难，而VIP的削减也具有技术上的挑战。
此外，由于空气和湿气会穿透VIP的外壳，VIP的真空效率会随时间衰减。气凝胶的制造过程复杂，涉及溶胶形成、凝胶化、表面疏水化和干燥等多个阶段。纯气凝胶的机械稳定性较差，通常需要使用有机或无机粘合剂或外壳来提高其绝缘性能。
因此，需要开发替代的坚固且成本低廉的材料，以显著减少穿过墙壁的热流，以满足建筑隔热需求。
建筑行业生产的废弃聚苯乙烯（PS）板材是建筑保温可持续性的主要挑战之一。聚苯乙烯的发泡（EPS）和挤出（XPS）在每年消耗量达到300至340千吨之间。
然而，目前这些材料中只有大约10%是由回收材料制成的。在旧建筑物翻新过程中产生了大量可回收的聚苯乙烯。每年约有8万吨塑料进入海洋，而聚苯乙烯是其中最常见的聚合物之一，存在于海洋表层水中。
利用纳米纤维静电纺丝技术增加回收废弃EPS的应用是实现其在建筑绝缘中可持续利用的一种方法，与在聚合物泡沫生产中的再利用面临的困难形成了鲜明对比。
目前，高孔材料在隔热应用中引起了极大的兴趣。根据研究，纳米材料的隔热效率主要通过气体传导（62%）来贡献，与固体传导（24%）和辐射（14%）相比。对于在气体中的隔热，小于气体分子平均自由程的孔径会产生克努森效应，由于孔径非常小，这进一步降低了导热系数。
因此，纳米技术被广泛应用于新型隔热材料的开发。此外，研究表明，固体材料中具有连续相和球形孔的材料比具有纤维结构和以空气作为连续相的材料具有更高的导热性能。
纤维绝缘材料（如矿棉、玻璃棉和天然纤维）的广泛使用证明了这一点。为了提高开放孔隙纤维结构的性能，静电纺丝可能是一种成本效益较高的工业规模纳米纤维制备方法之一。
静电纺丝利用电场将聚合物溶液的自由表面带电到较高电压，产生拉伸射流，开始旋转、变薄，并最终在收集器上形成直径为几十纳米到亚微米的聚合物纤维。
静电纺丝制备的材料比表面积通常在13至98平方米/克之间，聚合物纳米纤维在许多领域中得到应用，如过滤、药物输送、组织工程、太阳能电池、锂离子电池，以及作为复合材料中的增强和增韧添加剂，可以较容易地制备充满颗粒（如碳纳米管、炭黑、陶瓷、颜料等）的纳米纤维。
研究表明，静电纺丝聚丙烯腈（PAN）纳米纤维的隔热性能较高，并且可以减轻防护服的重量和尺寸。静电纺丝聚合物纳米纤维的性能差异取决于它们的形态，比如较低的纤维直径会导致较高的剪切模量。通过调整静电纺丝参数，可以实现不同形态的纳米纤维。
调整施加的电场、流速或注射器到集电极的距离会改变纳米纤维的直径或产生珠状结构。纳米纤维的直径差异会影响材料中的纳米纤维包装，直径较大的纳米纤维会形成直径较大的孔隙。
静电纺丝过程中，聚合物-溶剂体系的相互作用会导致纳米纤维形态的变化。使用具有不同沸点或溶解度参数的溶剂可以改变纳米纤维材料的表面形态和孔隙率。
此外，纤维形态还可以通过改变聚合物浓度、温度以及溶剂蒸发和相分离速率的比例来调节。如果聚合物-溶剂体系形成不稳定的两相区域，并且溶剂蒸发速度相对于相分离较慢，纳米纤维的表面就会变得多孔。
已经通过使用二甲基甲酰胺（DMF）-PS体系成功地制备具有预期表面孔隙率的纳米纤维。作者通过环境湿度的影响来解释了这一现象，环境湿度作为非溶剂，凝固过程发生得更快，形成高度多孔的结构。因此，PS纳米纤维片可以替代EPS材料。
本研究评估了三种废弃PS纳米纤维材料：单一（DMF）、混合（DMF：二氯甲烷（DCM））以及填充了碳黑（CB）和多壁碳纳米管（MWNTs）的PS纳米纤维。
通过调整静电纺丝条件制备了这两种材料，并证明纳米纤维形貌对其绝缘性能的影响。根据材料在作为独立材料或与传统建筑材料结合使用时的效果，对纳米纤维的形貌和孔隙率进行了深入评估。
总的来说，本研究介绍了废弃PS纳米纤维材料的制备和评估方法，重点关注纳米纤维形貌对其绝缘性能的影响。该研究的结果表明，利用静电纺丝技术制备的PS纳米纤维片在建筑隔热中具有潜力，并可以替代传统的EPS材料。然而，进一步的研究和测试仍然需要进行，以验证这些纳米纤维材料的实际应用潜力及其与传统建筑材料的兼容性。
静电纺丝废料PS将PS分别溶解到DMF和DMF/DCM（w：w 15：1）中，制备相同浓度为3 wt%的PS溶液。将溶液剧烈搅拌24小时，然后进一步使用。
将5%CB（w/w）通过尖端超声波仪SONOPULS HD3200（班德林有限公司）分散在DMF中，并与聚合物溶液混合。MWCNT通过使用Acronal S720（1%wt）在水中分散在DMF中，干燥并在DMF中重新分散。
PS和PS-CB纤维的制造是在配备四个注射头的市售YFlow工业静电纺丝设备上进行的。在一个典型的实验中，将PS溶液装入四个20ml注射器中，这些注射器通过电缆连接到带有20个钢针的四个注射器。
在X-Y运动模式下以恒定流速4 ml/h和电压40 kV静电纺丝每种溶液，得到每1600 mm2000个，厚度为1 mm的纳米纤维片，将其收集在不锈钢板上。所有实验均在22°C，相对湿度45%下进行，收集器和喷油器之间的距离被调整并固定为30厘米。
使用光学显微镜（尼康Eclipse LV 100）对纤维形成进行快速测试。然后将静电纺丝材料的纳米纤维片在烘箱中以70°C干燥。
形态学研究使用Micromeritics AccuPyc 1340进行气体置换比重瓶（GDP）测量以研究静电纺丝样品的密度。分析温度为267 K，以氦气为置换介质。
在涡轮分子泵真空下将样品在3K下脱气12小时后，使用Micromeritics 303Flex表面分析仪进行氮吸附实验。
测量温度为77 K.使用BET模型计算比表面积，施加在0.07至0.3的相对压力范围内。使用BJH模型计算孔径分布，以哈尔西厚度曲线为参考和Faas校正应用于解析分支。汞侵入孔隙度测定法（MIP）使用Micromeritics AutoPore V 9620在真空至293 MPa的418 K下进行。
样品在测量前原位脱气。汞的接触角为140°，表面张力为485达因/厘米，扫描速率为2.5·10?3施用S·mL/g。
透射电子显微镜（TEM）在加速电压220 kV下运行的FEI Tecnai G160 S-Twin机器上进行。在静电纺丝过程中，纤维样品直接沉积在铜栅上。
扫描电子显微镜（SEM）是使用蔡司梅林KMAT仪器在非常低的加速电压和电流下进行的。因此，可以避免非导电表面的典型金属涂层，因此可以接触到原始的表面结构。尽管如此，还是出现了轻微的充电伪影。
然而，通过在蔡司猎户座Nanofab仪器中使用氦离子束显微镜（HIM）可以避免这些。氦气原子在仅由三个（三聚体）组成的尖锐尖端电离气体原子。只有原子用于成像，实现1nm以下的光斑尺寸。从样品表面逸出的二次电子被检测并形成图像，而引入的正电荷可以通过电子泛光枪进行补偿。这允许对非导电样品进行高分辨率成像。
独立式纳米纤维片材的热传输使用热盘瞬态平面源TPS 2500S热导率分析仪（R = 5501.6 mm的4传感器）分析了独立式纳米纤维片的热传输性能。对于每个样品，至少进行了20次评估，平均测量误差为2%。对于所有分析，温度保持在23°C，湿度在42至45%范围内。
在热导率测量期间，通过在分析表面顶部施加定义的压力（每 60 毫米 100 个）来进行压力依赖性研究。在测量前10分钟固定压力，以稳定对纤维间孔隙率的压缩效应。
建筑材料样品的制备
通过将NIM夹在石灰砂岩、地质聚合物、薄层砂浆、砖、隔热石膏、加气混凝土和泡沫地质聚合物的两块建筑材料之间，评估了纳米纤维保温材料（NIMs）与传统建筑材料相结合的效率。样品按照以下程序生产。
石灰砂岩
商用石灰砂岩板被切割出来，其表面随后平行研磨。
地质聚合物
活化剂溶液是固体含量为36重量%的水玻璃和氢氧化钠的混合物，通过以下步骤制备。将NaOH颗粒以11.3的比例加入到水玻璃杯（pH = 0.233）中。将混合物充分混合24小时以完全溶解NaOH。
然后，将活化剂溶液与粉煤灰以1：2的质量比混合。将石英砂加入混合物中，进一步混合以实现沙子的均匀分布。混合后，将物料倒入相应的模具中，在85°C下48小时，同时形成铝硅酸盐网络。从模具中取出后，将样品湿磨，然后重新干燥。
薄层砂浆和保温石膏
薄层砂浆和保温石膏按用户手册混合，倒入硅胶模具中形成板坯。脱模和14天的固化时间后，将试样切割成一定尺寸，地平面平行，然后重新干燥。
砖块
使用不含进一步添加剂的传统砖粘土来生产砖板。将粘土调整至21重量%的含水量，并在一周内老化。然后将粘土挤出成板（图1A），然后将其干燥并在最高烧制温度为950°C下烧制。 然后将砖板切割并平行研磨至精确的尺寸 L x W = 10.0 cm x 10.0 cm，样品厚度可变（图 1B）。
通常在隔热材料中，多孔材料起着重要作用。公式1简单地描述了通过多孔材料的等效导热系数，即：
其中 λ绝缘是绝缘材料的表观导热系数;λ固体是通过材料中固体部分的热传导;λ对流是气体粒子的宏观运动;λ流体是通过孔隙传导的气体;和 λ辐射是穿过材料的热辐射。
如前所述，通过高孔材料固体成分的传热仅占总传热的四分之一。材料的堆积密度越低，固体导电性对通过绝缘体的总传热的影响就越小。
形态学研究
通过TEM研究探讨不同溶剂和添加CB对纳米纤维尺寸的影响。将单根PS纳米纤维直接在TEM网格上静电纺丝.图3显示了三个PS样品的TEM图像。
PS-DMF纳米纤维的平均直径保持在250至500nm的范围内。在图3A中，可以看到该样本显示了暗度强度的差异。这种差异是由纤维中PS密度的差异引起的，可能是由于外部和/或内部孔隙率。
与PS-DMF相比，DMF-DCM混合物的静电纺丝使我们能够增加极易挥发性溶剂的比例，导致与DCM混合物中的纤维直径从2.2μm增加到2.3μm（1：3）。快速蒸发溶剂浓度的增加增加了凝固速率，导致纤维产生更高的直径。
Reneker的团队通过增加水溶液中聚环氧乙烷纤维静电纺丝过程中的相对湿度来研究类似的行为。湿度增加导致水分蒸发率降低，从而显著减小纳米纤维直径。
由于静电纺丝溶液的粘度和电导率的变化以及射流表面上的电荷密度，将CB嵌入纳米纤维结构中会导致纳米纤维直径略微减小（200至350nm）。
为了确认形态变化，TEM研究与极低电压下的SEM和HIM的结果相关联。这两种技术都对表面形貌非常敏感，并且在没有任何表面修饰（如溅射镀膜）的情况下应用。SEM图像是在500 V及以下的加速电压和50至100 pA的探头电流下拍摄的。
因此，充电效果可以大大降低，但是，它们并没有被完全压制。在HIM的情况下，用于电荷补偿的电子泛光枪允许对非导电样品进行成像，而不会产生电荷伪影。
为了获得最佳成像，使用了30 kV的加速电压，成像电压约为36 kV，探头电流约为0.3 pA。因此，可以使用SEM和HIM彻底研究表面粗糙度或表面孔隙率（图4）
静电纺丝纤维的所有样品的形貌受生产条件的影响，即使用单溶剂或混合溶剂系统。发现PS-DMF和PS-CB的表面形貌演变相似。
纳米纤维看起来像一束细纤维，具有明显的粗糙度。在PS-（DMF-DCM）中观察到显着不同的趋势。当加入DCM作为溶剂时，纤维直径增加，甚至形成类似的纱状结构。
较大的纤维直径会导致形成光滑的外表面。这些发现表明，对于所有PS样品，在溶剂挥发性，溶剂性质和溶剂比例等影响因素方面可以得出相同的结论。
孔隙率评估
采用氦气比重瓶法研究了废EPS静电纺丝产生的1种绝缘垫的骨架密度。两种纯PS纳米纤维垫的骨架密度均为06g/cm3，而PS-CB样品的骨架密度为1.15 g/cm3，纯PS样品（PS-DMF和PS-（DMF-DCM））的观测值略高于PS报告的典型密度值（1.04至1.05 g/cm）。
纤维结构中PS的密度值较高，可以通过在复杂的力条件下可能的聚合物链拉伸和致密堆积来解释：电场，表面电荷，快速溶剂蒸发，搅打不稳定等。在PS-CB样品的情况下，观察到的密度明显高于其他两种材料。但是，包括密度为 2.0 g/cm 的 CB3增加生产材料的密度。
为了检验静电纺丝PS材料对气体电导率的有效性，我们评估了被测样品的孔隙率，了解其孔径分布。图5显示了三种PS片的汞侵入曲线。实验从3.5·10?3兆帕高达 418 兆帕。总入侵量从PS-CB的4.13毫升/克到PS-（DMF-DCM）的6.54毫升/克不等。
传热
为了突出静电纺废PS材料在建筑保温等应用中的纤维形态优势，我们研究了它们作为独立材料的热传输性能以及不同建筑材料之间的夹层结构。已经使用了几种实验技术来评估绝缘材料中的导热系数。
然而，由于静电纺丝纳米纤维片材对压力的敏感性，评估静电纺纳米纤维片中的绝缘电位是一项巨大的挑战，这改变了材料中的孔隙率和包装纳米纤维。一般来说，研究人员主要关注沿单个纤维长度的热导率测量，与散装材料相比，显示出极高的导热率。
在我们的早期研究中，我们还发现静电纺丝薄膜的导热性具有高各向异性：这些材料在平面方向上具有高导电性，但垂直于平面具有极端的绝缘行为。瞬态平面源技术是热盘法的基础，是测量聚合物纳米纤维基材料最可接受的方法之一。
热盘法的主要优点是在分析中消除了接触电阻效应。因此，它不需要特定的表面处理，这是材料不希望的步骤。PS-DMF、PS-（DMF-DCM）、PS-CB 材料和 PS-MWNT 具有出色的绝缘性能。样本之间的差异不显著。
在这项研究中，通过静电纺丝技术，从建筑部门回收的EPS制备了高性能的纳米纤维基建筑保温材料。研究表明，通过调整混合溶剂的浓度可以控制纳米纤维片的表面和纤维间孔隙率。制备的纳米纤维片在宏观上均匀，并具有出色的绝缘性能，如极低的导热性。
研究使用汞孔隙度法、BET测量、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率离子显微镜（HIM）对纳米纤维片的孔隙率和形貌进行了评估。
将纳米纤维保温板应用于各种建筑材料的夹层结构中，显示出显著增强的建筑结构保温潜力。因此，该制备方法提供了一种简单的制造智能纳米纤维板的方法，可广泛应用于技术领域，作为独立的建筑绝缘材料和/或与来自废弃EPS的传统建筑材料结合使用。
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