掺入瓶坯再生PET的循环石膏基复合材料：力学、热学与环境性能

《Sci》：Circular Gypsum-Based Composites Incorporating Recycled PET from Bottle Preforms: Mechanical, Thermal and Environmental Performance

　　

塑料废物体积的不断增长是本世纪主要的全球环境问题之一。在每年废弃的塑料中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废物占很大比例，因此迫切需要建立新的回收和循环利用方法。本研究涉及利用来自瓶坯的PET废物制造和表征新型石膏复合材料。具体而言，通过用再生PET（rPET）按体积比7.5%、15.0%和22.5%部分替代原始石膏，制备了不同系列。随后对所得复合材料进行了力学、热学和环境特性表征。所有分析材料均超过法规设定的最低力学强度值，抗弯强度和抗压强度分别超过2 MPa和8 MPa。此外，导热系数降低了最多10%，当用作住宅建筑内隔墙的预制砌块时，热阻达到0.77 (m²·K)/W。此外，涵盖从摇篮到现场的生命周期环境影响分析显示，在所有评估类别中影响均有所降低，其中CO₂当量排放最多减少22%。这些结果支持在石膏基预制构件的制造中使用塑料废物的适宜性，并表明该替代方案在技术和环境上都是可行的解决方案。

**论文解读：利用瓶坯再生PET制备循环石膏基复合材料**

塑料废物是当前全球面临的主要环境问题之一。塑料因其轻质、耐久和低成本而被广泛使用，全球年产量已超过4亿吨，但回收率仍然偏低。其中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废物在包装废物中占比显著，每年产生量巨大，且自然降解极为缓慢。尽管欧盟设定了回收目标，但仍有大量PET废物进入填埋或焚烧，造成严重环境负担。建筑行业因原材料需求量大，为塑料回收提供了潜在途径。石膏基材料具有防火性、调湿性和可完全回收等优点，但掺入塑料往往导致强度下降。此前已有研究将PET废料用于石膏复合材料，但利用瓶坯生产过程中产生的工业后再生料（PIR）尚未见报道。瓶坯rPET具有纯度高、性能均一、需要较少清洗和去污处理的优势。因此，本研究旨在系统评估瓶坯rPET部分替代石膏制备复合材料的力学、热学及环境性能，为其在预制非承重构件中的应用提供科学依据。

研究人员以体积比7.5%、15.0%和22.5%的rPET替代原始石膏，制备了系列复合材料，并进行了力学、热学和环境性能表征。结果表明，所有配方的抗弯强度均超过2 MPa，抗压强度超过8 MPa，满足相关标准要求；最高掺量下热导率降低9.6%，墙体热阻提高5.7%；生命周期评估显示二氧化碳当量排放最多减少22%。该研究证明了瓶坯rPET应用于石膏基预制构件的可行性。论文发表于《Sci》。

关键技术方法包括：采用Iberyola E-30石膏（Saint-Gobain Placo Ibérica公司提供）和来自Plásticos Duarte公司的瓶坯rPET（粒径0.063–4 mm），按EN 13279-2标准制备复合材料，水灰比固定为0.7。力学性能通过Shore C硬度、三点弯曲及压缩试验测定；微观结构利用扫描电子显微镜（SEM）观察；热导率采用护热板法按EN 12664:2001测定；墙体热阻利用THERM v7.8有限元软件模拟；环境性能按照ISO 14040/44开展生命周期评估（LCA），采用ecoinvent v3.12数据库和Footprint 3.1方法，系统边界为A1–A4模块，功能单元为具有等效热阻的预制砌块。

**力学性能**：通过三点弯曲和压缩试验发现，随着rPET掺量增加，抗弯和抗压强度逐渐下降，但22.5%配方仍达到2.23 MPa和8.58 MPa，高于标准EN 13279-2的最低要求。表面硬度则随掺量增加而上升，22.5%样品达83 Shore C，比参考样高6.4%。SEM观察显示，rPET颗粒表面光滑，石膏水化产物二水硫酸钙（CaSO₄·2H₂O）晶体难以在其表面生长，导致界面结合较弱，可见孔隙和脱粘区域。

**热学行为**：体积密度随rPET掺量增加而增大，22.5%样品比参考样高6.8%，主要因为rPET密度较高。热导率在低掺量下略有上升，但在高掺量下显著下降，22.5%配方的热导率为251 mW/m·K，较参考样降低9.6%。THERM模拟结果表明，采用该复合材料预制砌块的隔墙系统热阻为0.7682 (m²·K)/W，较传统石膏砌块提高5.7%。

**环境影响**：以等效热阻为功能单元计算，传统石膏砌块需11 cm厚才能达到10 cm厚22.5% rPET砌块的热阻。LCA结果显示出22.5% rPET复合砌块在所有影响类别中均低于参考样，其中全球变暖潜能值（GWP）降低15.8%。从阶段贡献看，原料供应与生产（A1）是主要影响来源，但其相对贡献随rPET掺入而下降，运输环节（A2和A4）的重要性相对上升。

**关键讨论**：与已有石膏-塑料复合材料研究相比，本研究的抗压强度处于较高水平，表面硬度也有竞争力。讨论指出，通过表面处理增加rPET粗糙度可改善界面粘结。同时，政策激励和利益相关方合作对于推动rPET回收利用至关重要。研究局限性在于样本量较小，影响了统计稳健性，未来需增加样本数量，并开展耐水性、声学性能和抗冲击性能测试。

研究结论表明，利用瓶坯PET废料部分替代石膏制造复合材料是可行的。在力学方面，rPET掺入提高了表面硬度，但降低了强度，即便如此，22.5%配方的抗弯和抗压强度仍超过标准要求；在热学方面，高掺量可降低热导率并提升墙体热阻；在环境方面，所有评估类别中环境影响均有所降低。因此，该复合材料为塑料废物提供了具有技术经济和环保价值的回收途径，同时减少了石膏消耗，符合循环经济原则。