从城市废弃物到环保涂层：废弃食用油衍生物/聚苯乙烯相变涂层在泡沫混凝土中的应用

《Journal of Cleaner Production》：From urban waste to environmentally friendly coating-waste cooking oil derivative/polystyrene phase change coating for foamed concrete

基于废油衍生物和聚苯乙烯的环保相变涂层在发泡混凝土中的应用研究。通过SEM、FT-IR、TG和DSC表征证实涂层具有稳定球状微结构、良好热稳定性和疏水性能，20% PCMC涂层在模拟阳光下实现9.1℃降温效果，吸水率低于1%，经20次机械磨损后接触角仍保持92.6°。该技术有效实现了城市固体废物资源化利用，为建筑节能材料开发提供新方案。

　　全球建筑行业作为能源消耗和碳排放的重要来源，正面临着日益严峻的可持续发展挑战。为了应对这一问题，研究人员致力于开发新型环保建筑材料，以提高建筑能效并减少其对环境的负面影响。在这一背景下，本研究提出了一种基于废食用油衍生物和聚苯乙烯（PS）的环保型相变涂层（PCC），旨在增强泡沫混凝土（FC）的热性能和耐久性。该涂层不仅能够有效利用城市废弃物，还具备成本低廉和环境友好的特点，为可持续建筑提供了新的思路。

泡沫混凝土作为一种轻质、多孔的无机水泥基材料，因其优良的隔热、隔音和轻量化特性，近年来受到广泛关注，并逐渐成为建筑节能领域的重要材料。然而，其独特的多孔结构也带来了显著的挑战。在高湿度或雨季环境下，泡沫混凝土容易吸水，导致其内部结构发生变化，进而影响其整体稳定性和耐久性。水分的侵入不仅会增加材料的密度和重量，还可能引发热传导性能的下降，特别是在低温环境下，水分结冰会导致体积膨胀，从而对材料内部结构造成破坏。此外，吸水后的泡沫混凝土在使用过程中还可能受到化学腐蚀，进一步削弱其性能。因此，提升泡沫混凝土的防水性能成为延长其使用寿命和提高其在实际应用中可靠性的重要方向。

为了应对上述问题，研究人员开发了多种防水技术，包括内部防水和外部防水。内部防水是指在泡沫混凝土的配制过程中加入防水材料，而外部防水则是在材料表面涂覆防水涂层。外部防水技术因其不改变泡沫混凝土的配制和养护过程，且涂层易于修复，成为当前研究的重点。特别是，具有疏水特性的涂层不仅能保持泡沫混凝土的轻质和隔热性能，还能有效防止有害化学物质的侵入，从而降低化学侵蚀的风险。因此，表面防水技术在提高泡沫混凝土的耐久性和功能性方面具有重要意义。

随着环保意识的增强和对不可再生资源开采的担忧，绿色材料的研发需求不断增长。废聚苯乙烯（PS）作为城市废弃物中的一种常见材料，因其低降解性而被广泛堆积在土地、河流和海洋中，对生态环境造成严重威胁。然而，将废PS转化为疏水涂层，为解决这一问题提供了新的可能性。例如，已有研究将溶解在丁基醋酸酯中的废PS用于混凝土表面的疏水涂层，或者利用丙酮作为溶剂制备废PS涂层。尽管这些方法在一定程度上提升了泡沫混凝土的防水性能，但所使用的溶剂往往具有较高的毒性和易燃性，限制了其大规模应用。

为了克服这一障碍，研究人员开始探索更加环保的溶剂。柠檬烯作为一种广泛存在于柑橘果皮中的萜烯类化合物，被认为是一种绿色、安全的替代品。柠檬烯和聚苯乙烯均为非极性物质，根据“相似相溶”原理，柠檬烯分子能够渗透到聚苯乙烯的聚合物链中，导致其结构膨胀或肿胀。这种特性使得柠檬烯成为一种理想的溶剂，能够与聚苯乙烯结合，制备出具有疏水特性的涂层。此外，研究表明，柠檬烯处理后的聚合物在溶解过程中不会导致聚合物链的降解，从而确保了涂层的稳定性和安全性。

然而，单一功能的疏水涂层往往难以满足现代建筑对多功能材料日益增长的需求。因此，开发集热调节、疏水性和自清洁功能于一体的多功能涂层成为当前研究的热点。热调节功能可以通过相变材料（PCM）或被动式日间辐射冷却技术实现，这些技术能够通过吸收或释放热量来调节建筑表面温度，从而降低空调和采暖系统的能耗。疏水性和光催化功能则赋予涂层自清洁能力，减少灰尘和污染物的积累，提高建筑表面的清洁度和维护效率。这种多功能涂层不仅能够提升建筑的功能性，还能降低运营成本，并符合日益严格的可持续发展标准。

在此基础上，本研究引入了相变微胶囊（PCMC）作为涂层的关键组成部分。通过将废食用油衍生物（WCOD）封装在聚苯乙烯微胶囊中，研究人员成功制备出一种新型的相变涂层（PCC），该涂层与泡沫混凝土结合后，能够更好地平衡室内舒适度、能源消耗和环境影响。已有研究表明，此类涂层能够有效防止泡沫混凝土内部微裂缝的扩展，减少水分渗透，从而提升其整体性能。此外，相变微胶囊的引入还能够改善涂层的热储存能力，使其在温度变化时具备良好的吸热和放热特性。

为了验证这一新型涂层的性能，研究人员对PCC的微观结构、化学成分和热稳定性进行了系统分析。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，相变微胶囊具有球形结构，尽管部分微胶囊之间存在一定的粘附现象。进一步的水解处理使得硅烷溶液中的二氧化硅纳米颗粒与微胶囊表面的WCOD相互连接，形成了不规则的聚集体。这种结构不仅有助于提高涂层的热稳定性，还能增强其在复杂环境下的耐久性。此外，热重分析（TG）和差示扫描量热法（DSC）的结果表明，涂层在20% PCMC含量下表现出良好的热稳定性，其相变焓、相变温度和分解温度分别为64.27 J/g、21.22°C和252.7°C。这表明，该涂层能够在较宽的温度范围内有效调节热量，同时保持较高的耐热性能。

在防水性能方面，研究人员通过接触角测试评估了PCC对泡沫混凝土的疏水效果。结果表明，即使经过20次机械磨损，涂层的静态接触角仍保持在92.6°，显示出良好的疏水性和耐磨性。这一特性归因于聚苯乙烯的低表面能和非极性结构，使其能够有效排斥水分。此外，涂层的疏水性能不仅能够防止水分渗透，还能减少化学物质的侵蚀，从而延长泡沫混凝土的使用寿命。

在实际应用中，研究人员还测试了不同PCMC含量的PCC对泡沫混凝土在模拟直射阳光下的冷却效果。结果显示，20% PCMC含量的涂层能够实现高达9.1°C的降温效果，显著提升了泡沫混凝土的热调节能力。这一性能使得涂层在高温环境下能够有效降低建筑表面温度，减少空调系统的负荷，从而降低整体能源消耗。同时，涂层的疏水性和热稳定性也确保了其在长期使用中的可靠性，使其成为一种具有广泛应用前景的环保型建筑材料。

综上所述，本研究通过将废聚苯乙烯和废食用油衍生物相结合，并利用柠檬烯作为环保溶剂，成功开发出一种新型的相变涂层（PCC）。该涂层不仅具备良好的疏水性和热稳定性，还能有效调节建筑表面温度，提升泡沫混凝土的耐久性和功能性。通过系统的实验分析，研究人员验证了该涂层在实际应用中的可行性，并展示了其在建筑节能领域的巨大潜力。这一研究成果不仅为建筑行业提供了更加环保和高效的材料选择，也为城市废弃物的再利用开辟了新的途径。未来，随着对环保材料需求的不断增长，这种基于城市废弃物的多功能涂层有望在更多建筑场景中得到应用，为实现可持续发展目标做出贡献。