采用材料挤出增材制造（MEAM）技术定制无规聚苯乙烯（aPS）隔热组件：一种面向建筑节能的高性能、可定制化制造新途径

《Macromolecular Materials and Engineering》：Additive Manufacturing and Characterization of Polystyrene for Thermal Insulation Applications

本研究针对建筑领域对高效、定制化隔热材料的迫切需求，创新性地采用材料挤出增材制造（MEAM）技术，以无规聚苯乙烯（aPS）为原料制备具有可控内部晶格结构的隔热部件。通过优化床温和打印速度等关键工艺参数，成功提升了层间粘附性并获得了优异的机械性能。研究揭示了热导率与填充密度之间的非线性关系，在25%填充密度下获得了低至0.03 W/(mK)的极低热导率。该工作为制造形状复杂、性能可定制且可回收的隔热材料提供了一条极具潜力的新路径，其性能可媲美甚至超越传统泡沫材料。

　　

在能源消耗巨大的建筑领域，降低供暖和制冷能耗是减少温室气体排放、实现可持续发展的关键。其中，高性能隔热材料扮演着至关重要的角色。聚苯乙烯（PS）因其较低的热导率和良好的加工性，已成为广泛应用的隔热材料。然而，传统的泡沫制造工艺（如挤出发泡、泡沫注塑成型）存在明显的局限性：它们通常只能生产标准几何形状的部件，且难以精确控制决定隔热性能的核心——内部泡孔结构。这就像用固定形状的模具批量生产饼干，难以满足对复杂、异形隔热构件的定制化需求。同时，这些传统工艺曾使用的某些发泡剂对环境有害。那么，能否找到一种方法，像3D打印一样自由“塑造”隔热材料，并精确设计其内部“骨架”，从而获得更优的性能呢？

材料挤出增材制造（MEAM），即通常所说的3D打印，为这一挑战带来了曙光。这项技术能够逐层堆积材料，直接制造出具有复杂几何形状和精心设计内部结构（如晶格）的部件，这恰恰是传统方法难以实现的。本研究正是将MEAM技术应用于无规聚苯乙烯（aPS），旨在探索其制造定制化、高性能隔热部件的可行性，并建立“工艺-结构-性能”之间的内在联系。该研究成果发表在《Macromolecular Materials and Engineering》期刊上。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用基于螺杆挤出的WASP 3D打印机直接处理aPS颗粒，通过专业切片软件设定并优化了打印速度、喷嘴温度、床温和火帽温度等一系列工艺参数，成功打印了方形和圆柱形测试样品。其次，利用扫描电子显微镜（SEM）和偏光光学显微镜对打印样品的层间粘合情况及分子取向进行了细致表征。再者，通过动态热机械分析（DMA）和差示扫描量热法（DSC）评估了样品的机械性能和热行为。最后，研究构建了一套基于热流分析仪的双板测试系统，用于精确测量样品的热导率，并采用COMSOL Multiphysics软件对热量传递过程进行了包含空气自然对流的数值模拟，以深入理解其隔热机理。

3.1 3D打印

研究发现，打印工艺参数对部件质量有显著影响。提高床温（尤其是高于aPS的玻璃化转变温度T_g≈ 96°C）能有效增强底部区域的层间粘附，但也会导致部件收缩变形加剧。打印速度则需平衡：速度过快会增加材料内应力，加剧变形；速度过慢则会使沉积层过快冷却，不利于层间融合。综合来看，适中的打印速度（如2200 mm/min）能在控制变形的同时获得较好的机械性能。

3.2 表征

微观表征揭示了工艺的影响机制。SEM图像显示，靠近打印床的区域在较高床温下层间结合更紧密，而远离床层的顶部区域则容易出现层间分离。DMA分析证实，在100°C床温和2200 mm/min打印速度下制备的样品表现出更高的储能模量，表明其机械性能更优。DSC结果进一步揭示了打印过程产生的热梯度效应：从部件顶部（冷却快）切取的样品在玻璃化转变区呈现“双台阶”变化，表明其分子结构更为无序；而靠近床层（经历更长时间高温）的样品则表现出与原料颗粒相似的单一步骤转变，说明分子链得到了更好的松弛。

3.3 3D打印aPS圆柱体

在确定了较优工艺参数（床温100°C，打印速度4200 mm/min）后，研究重点考察了填充密度和内部晶格结构对隔热性能的影响。密度测试表明，即使设定100%填充，打印部件的实际密度（约770 kg/m³）仍低于纯aPS材料密度（1050 kg/m³），这归因于逐层沉积必然引入的孔隙。热导率测试得出了关键发现：对于八面体晶格结构，热导率与填充密度并非线性关系，而是在20%-25%填充密度附近出现最低值，最低可达0.03 W/(mK)。相比之下，具有开放孔结构的螺旋二十四面体（Gyroid）晶格，由于其内部空气连通便于对流，热导率普遍更高。这证实了封闭的细胞结构能更有效地限制空气对流，从而提升隔热效果。

3.4 模拟

数值模拟成功复现了实验测得的瞬态热流变化，验证了模型的可靠性。通过分析杰弗里斯数（Jeffreys' number），研究量化了内部空气自然对流对传热的贡献。模拟显示，在低填充密度下，尽管空气含量高（本身导热差），但较大的细胞尺寸导致杰弗里斯数很高（~10⁵），自然对流显著，反而增加了热传递。随着填充密度增加，细胞尺寸变小，杰弗里斯数降低，对流贡献减弱，但固体材料（aPS）的导热贡献增加。这两种机制的竞争导致了热导率随填充密度先降后升的非单调变化。模拟预测的热导率值略高于实验值，研究人员认为这是因为模拟采用的理想CAD模型未完全计入实际打印中存在的层间微小缺陷和孔隙，而这些缺陷进一步降低了有效热导率。

3.5 讨论

研究对上述发现进行了深入讨论。部件变形与材料在T_g附近的体积收缩行为及打印过程中的分子取向松弛密切相关。DSC观察到的“双T_g”现象可能与打印后aPS的不稳定熵和焓状态有关，这暗示着打印部件在使用中可能发生物理老化，从而影响长期机械性能。通过工艺优化（如适当提高沉积温度）可以获得更稳定的分子结构。研究指出，对于八面体结构，存在一个约23%的填充密度阈值，低于此值时空腔对流主导传热，高于此值时固体传导主导传热。通过MEAM制备的aPS部件达到了与商用隔热板相近的极低热导率，且无需任何发泡剂或添加剂，具备可回收潜力，有利于推动循环经济和可持续发展。

本研究成功论证了MEAM技术用于制造高性能、可定制aPS隔热部件的可行性。核心结论是，通过优化打印参数（床温略高于T_g、采用适中打印速度）可以获得良好的层间粘合与机械性能；通过精细设计内部晶格结构（如采用八面体封闭孔）和填充密度（约25%），可以显著降低热导率至0.03 W/(mK)的优异水平。这项工作的重要意义在于，它突破了传统泡沫制造技术在几何形状和内部结构控制上的局限，为生产轻量化、形状复杂、且隔热性能可针对特定应用进行空间梯度设计的定制化组件开辟了一条全新的技术途径。这不仅在建筑节能领域具有直接的应用前景，其“设计-制造-性能”一体化的研究思路也为其他功能性聚合物材料的增材制造提供了重要参考。