基于回收轮胎橡胶胶体溶液的高热性能LSF系统创新石膏复合材料和硅气凝胶

《Applied Materials Today》：Innovative gypsum composites and silica aerogels based on recycled tyre rubber colloidal solution for high thermal performance LSF systems

　　

首次开发了基于回收橡胶胶体溶液的石膏板。研究人员评估了三种回收橡胶重量百分比（2.5%、5.0%和7.5%）。研究发现热导率显著降低19%（?60?mW/m·K）。首次测试了高性能回收轮胎橡胶-硅气凝胶热断条（thermal break strips, TBS）。在LSF墙中测量到R值（热阻）显著增加41%（+0.669 m²?K/W）。

### 研究背景与问题、研究内容、结论与意义

全球每年约10亿条轮胎被废弃，预计未来十年将持续增长，目前约有40亿条轮胎堆积在垃圾填埋场，到2030年将增至50亿。这些报废轮胎（End-of-Life Tyres, ELTs）不当管理会导致环境污染，占用大量填埋空间，并存在火灾和资源浪费风险。虽然能源回收是一种解决方案，但产生大量CO₂排放。经过良好设计的回收过程后，废旧轮胎可作为二次原材料用于多种工业应用，其中建筑领域已使用橡胶（占ELT的45-47%）、钢纤维（17-25%）和纺织纤维（5.5%）。近年来，基于循环经济原则生产的石膏基建筑材料引起科学界关注，而预制石膏板因其多功能性、良好的湿热调节性能、快速凝固和可回收性，成为高价值选择。非结构应用的石膏产品可容纳更多回收材料，且通过简单的脱水反应（CaSO₄·2H₂O + Heat ? CaSO₄·1/2H₂O + 3/2H₂O）可回收。现有文献中，ELT橡胶加入石膏的研究多采用颗粒形式（粒度0-4 mm），但尚未研究将ELT橡胶以液体分散形式（胶体溶液）加入。因此，本研究首次提出将ELT橡胶作为胶体悬浮液加入石膏板制备中，旨在实现更均匀的废物掺入，生产轻质预制构件，改善操作人体工学，同时保持良好的热性能。此外，本研究将预制石膏板用于轻钢框架（Light Steel Framing, LSF）墙体，并首次测试了基于回收轮胎橡胶-硅气凝胶复合材料的高性能热断条（Thermal Break Strips, TBS）。最终，本研究对石膏复合材料进行了理化、水热和力学表征，并评估其在LSF墙中的热阻性能，为建筑节能和可持续性提供新方案。

### 主要关键技术方法（不超过250字）

研究人员采用以下关键技术：1）通过X射线衍射（XRD）分析晶体结构和尺寸，使用Debye-Scherrer公式计算；2）热重分析（TGA）在空气气氛中测定热分解行为；3）力学性能测试包括抗弯强度（按EN 12859:2011标准）和表面硬度（Shore C，按UNE 102042标准）；4）扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构；5）毛细吸水、开放孔隙率（按EN 1925:1999和EN 1936:2006标准）及水蒸气渗透率测试；6）小型点火、火炬和真实火灾测试；7）热导率测量采用防护热板法，以及使用mini热箱装置（Hot-Box）结合热流计法（HFM）测量墙体热阻，并用THERM软件进行二维稳态模拟。橡胶胶体溶液制备采用过乙酸溶解橡胶颗粒，形成粒径小于1 μm的胶体。所有样品在实验室控温条件下养护。样本来源：橡胶粉末由Biogoma公司提供，水取自科英布拉市饮用水管网。

### 研究结果（保留每个小标题并说明结论）

#### 3.1 理化表征
- **3.1.1 X射线衍射（XRD）**：所有样品显示石膏二水合物特征衍射峰，无半水合物或无水石膏峰，表明粘合良好。含橡胶样品晶粒尺寸较对照略有增大，尤其7.5%S（胶体溶液）样品晶粒尺寸为66.15 nm（对照62.31 nm）。
- **3.1.2 热重分析（TGA）**：RPA（橡胶颗粒）系列总质量损失大于对照（如7.5%P损失24.75% vs 对照21.95%），因橡胶氧化分解；RCS系列总损失与对照相近，因橡胶含量低。200-550°C区间，RPA样品橡胶燃烧导致明显质量损失（2.8%-5.6%），而RCS样品损失很小。

#### 3.2 力学性能
- **3.2.1 抗弯强度/硬度**：所有样品抗弯破坏载荷均高于标准最小值0.18 kN，但随橡胶含量增加强度逐渐降低。7.5%S样品仅0.19 kN（较对照降低67.2%），7.5%P样品0.36 kN（降低37.9%）。表面硬度类似趋势：7.5%S为46 Shore C，7.5%P为65 Shore C，对照为76 Shore C。分析显示RCS对力学性能影响更大，部分原因在于乙醇挥发形成孔隙。
- **3.2.2 SEM分析**：SEM图像显示RCS和RPA颗粒均良好嵌入石膏基体，但RCS样品晶体更短、更分离，结构较不密实，导致抗弯强度较低。

#### 3.3 水性能
- **3.3.1 毛细吸水测试**：RCS样品毛细吸水增高，开放孔隙率增大，因乙醇蒸发产生更多孔隙。RPA样品吸水降低，开放孔隙率下降，与文献一致。
- **3.3.2 水蒸气测试**：RCS样品水蒸气阻力系数（μ_vapour）下降（7.5%S为4.70，对照4.94），而RPA样品增大（7.5%P为5.8），因橡胶疏水性和低渗透性。

#### 3.4 火灾性能
- **3.4.1 小型点火测试**：所有样品未着火、无火星坠落或质量变化，火焰痕迹长度随橡胶含量增加，但最大仅4.8 cm（7.5%S，较对照增加9.1%）。
- **3.4.2 火炬测试**：RCS样品背火面温度略高但表面燃烧较轻（颜色浅、无裂纹），RPA样品表面更暗、有更多裂纹，但整体完整。
- **3.4.3 真实火灾测试**：RPA样品质量损失最大（-13.1%），RCS样品损失最小（7.5%S为-10.2%），所有样品保持完整。

#### 3.5 热性能
- **3.5.1 热导率和体积密度**：RCS样品热导率显著降低至264.2 mW/m·K（-18.5%），体积密度降至997.6 kg/m³（-7.9%）；RPA样品热导率仅降低2.6%，密度降低3.1%。
- **3.5.2 热箱测量与THERM模拟**：测得热阻（R_cond）与模拟值一致（差异-1.0%至+3.8%）。无TBS时，RCS石膏板可提高R值最多1.3%；使用橡胶TBS时提升最多0.8%，使用硅气凝胶TBS时提升最显著：7.5%S配套气凝胶TBS的R值达2.303 m²?K/W，较对照普通石膏板+无TBS提高0.669 m²?K/W（+40.9%）。

### 讨论与结论总结

讨论部分指出，RCS-石膏复合材料力学性能和水性能不如RPA样品，主要源于胶体溶液中有机物（乙醇）挥发导致的孔隙，但火灾反应性能优于RPA。热性能方面，RCS实现了显著热导率降低（约19%），且与高绝热气凝胶TBS结合后，LSF墙总热阻提升40.9%，突出其在建筑节能中的潜力。最大橡胶含量以7.5%为限，以满足标准力学要求。研究局限包括橡胶燃烧可能产生有毒烟气（CO、SO₂、PAH等），但橡胶含量低且胶体溶液预先氧化降低了毒性，未来需毒理学研究；同时缺乏声学性能表征。未来工作可包括声学评估、节能计算和生命周期评估。结论翻译如下：

本研究首次开发了基于回收报废轮胎橡胶胶体溶液（液态；近期申请专利[53]）的创新石膏复合材料，并实验评估其性能，与含传统回收轮胎橡胶固体颗粒（粉末）的石膏复合材料进行了比较。评估了三种回收橡胶重量百分比（2.5%、5.0%和7.5%，以颗粒或溶液重量计），并与均匀石膏浆料（参比样）进行了比较。本研究的另一个相关创新点在于使用了新型专利[52]的高性能回收橡胶-硅气凝胶复合材料绝热材料（由回收轮胎橡胶胶体溶液制成），该材料由Lamy-Mendes等人[54]先前开发。事实上，这种新型橡胶-硅气凝胶首次作为热断条（TBS）在LSF墙中进行测试。此外，在实验室热箱装置中共测试了21种LSF墙构型。

**主要发现**：
- 含橡胶颗粒（RPA）和胶体溶液（RCS）的样品均呈现石膏二水合物的衍射图案，表明所有化合物中粘合均在混合过程中充分再水化。结果表明，含橡胶样品的晶粒尺寸较参比样稍有增大，尤其添加胶体溶液橡胶时。
- 热重分析显示，两个系列样品中均存在与橡胶氧化热分解相关的放热事件。
- 所有评估的橡胶-石膏复合材料样品的抗弯强度均降低，且RCS-石膏复合材料的强度降低更为显著。尽管如此，所有测试复合材料的抗弯破坏载荷均满足标准最小值（0.18 kN）。
- SEM分析显示RCS和RPA在石膏基体中均良好结合。然而，RCS-石膏复合材料内部结构较不密实，这可能与此类复合材料在抗弯强度测试中表现出的较低机械强度有关。
- 正如预期，RPA-石膏复合材料的毛细吸水降低、水蒸气阻力增大。然而，对于新型RCS-石膏复合材料，这两种趋势相反。
- 火灾性能方面，小型点火测试结果非常相似，均未点火、无火星坠落或质量变化。然而，火炬测试和真实火灾测试使RPA-石膏复合材料样品颜色更深、质量损失更大（相较RCS样品），表明燃烧程度更高。
- 新型RCS-石膏复合材料最有前景的结果在于其较低的热导率值（降低至-18.5%），并显示出较小的体积密度（降低至-7.9%）（相比参比均匀石膏：热导率324.1 mW/m·K，体积密度1083 kg/m³）。
- 关于热箱测量和THERM模拟，两者吻合良好，热阻差异介于-1.0%和+3.8%之间。此外，将新型RCS-石膏复合板和新型橡胶-硅气凝胶TBS结合使用，使LSF墙热阻最多增加了40.9%（+0.669 m²?K/W）。

总之，新型RCS-石膏复合材料未改善力学性能及水性能（毛细吸水和水蒸气阻力），可能归因于养护过程中乙醇截留和蒸发现象。然而，火灾反应性能得到改善。此外，即使在橡胶含量非常低的情况下，热导率也有显著降低（约19%），且将两种新型回收橡胶材料（RCS-石膏板和橡胶-硅气凝胶TBS）结合使用时，LSF墙的热性能提升更为显著（约41%的R值增加）。研究发现，为满足标准要求的力学性能，石膏基体中RCS的最大百分比为7.5%。值得注意的是，该百分比在所有测试中展现出最佳的热性能。