《Journal of Engineered Fibers and Fabrics》：Solution blow spinning of expanded polystyrene waste for acoustic nonwovens: Process optimization and sound absorption comparison with virgin polystyrene
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本研究探讨了采用溶液吹纺技术将废弃发泡聚苯乙烯（expanded polystyrene，EPS）转化为吸声非织造材料的可行性，并将其作为一种塑料废弃物可持续利用的途径。研究人员从各类废弃物容器中收集废弃EPS板材以反映真实应用场景，同时采用原生通用级聚苯乙烯
本研究探讨了采用溶液吹纺技术将废弃发泡聚苯乙烯（expanded polystyrene，EPS）转化为吸声非织造材料的可行性，并将其作为一种塑料废弃物可持续利用的途径。研究人员从各类废弃物容器中收集废弃EPS板材以反映真实应用场景，同时采用原生通用级聚苯乙烯（general-purpose polystyrene，GPPS）颗粒作为对照。研究采用Box–Behnken设计（Box–Behnken Design，BBD）考察聚合物浓度、工作距离和溶液流速对非织造材料结构与声学性能的影响，并确定获得最大吸声性能的最优工艺条件。结果表明，较高的聚合物浓度、较短的工作距离和较低的流速有利于形成更致密、更厚的非织造结构，从而提升吸声性能。BBD分析确定20%聚合物浓度、50 cm工作距离和6 ml/h流速为最优工艺参数，实验验证在该条件下获得了最高的吸声性能。凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography，GPC）分析表明，与EPS相比，GPPS具有更长更重的分子链及更宽的分子量分布，这些特征促进了GPPS基非织造材料中更粗纤维的形成，该结论得到了扫描电子显微镜（SEM）分析的证实。GPPS基纤维直径大多集中在1–1.5 μm，而EPS基非织造材料主要由亚微米纤维构成。尽管EPS基非织造材料具有更轻、更薄的结构，但由于其超细纤维形态，其声学性能与GPPS基材料相当。此外，所开发的PS非织造材料的吸声系数优于商用玻璃棉和再生聚酯绝缘毡。总体而言，研究结果证明了溶液吹纺技术在将废弃EPS转化为高性能声学材料方面的有效性，证实了废弃EPS作为可持续原材料的潜力。此外，当EPS不可获得时，GPPS仍可作为性能相当的替代选择。
一、研究背景与问题提出
塑料因其质轻、耐用、成本低廉等特性在全球各行业广泛应用，其中聚苯乙烯（polystyrene，PS）凭借优异的物理性能成为常用塑料品种之一。发泡聚苯乙烯（expanded polystyrene，EPS）泡沫作为PS的重要形态，具有低导热系数和良好的阻尼性能，广泛用于保温隔热产品和防护包装材料。然而，根据OECD（2022）报告，PS废弃物每年在全球产生数百万吨，其回收率明显低于聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等主要塑料品种。EPS废弃物的大量堆积不仅造成资源浪费，也带来显著的环境负担。因此，探索废弃EPS的高附加值再利用途径具有重要的环境和经济意义。
溶液吹纺技术作为一种新兴的纤维制备方法，能够生产超细纤维、高比表面积、高孔隙率和蓬松结构的非织造材料，这些结构特征正是高效吸声材料所需的关键要素。已有研究表明，采用溶液吹纺和静电纺丝技术制备的PS基纤维材料在吸油、油水分离、传感、过滤和组织工程等领域展现出良好的应用潜力，但将废弃EPS通过溶液吹纺技术转化为吸声非织造材料的研究尚属空白。基于此，本研究旨在利用废弃EPS制备高性能吸声非织造材料，系统考察工艺参数对纤维结构和吸声性能的影响，并与原生PS材料进行对比评估，为废弃EPS的可持续利用开辟新途径。
二、研究内容与主要结论
研究人员采用溶液吹纺技术，以废弃EPS为原料制备吸声非织造材料，并以原生GPPS颗粒为对照。研究通过Box–Behnken设计（BBD）系统考察了聚合物浓度、工作距离和溶液流速三个关键工艺参数对非织造材料结构特性和吸声性能的影响。结果表明，较高的聚合物浓度、较短的工作距离和较低的流速均有利于提升吸声性能，其中聚合物浓度的影响最为显著。BBD分析预测的最优工艺条件为20%聚合物浓度、50 cm工作距离和6 ml/h流速，在该条件下实验获得的平均吸声系数达到最大值0.549，验证了二次模型预测的准确性。废弃EPS基非织造材料虽然比GPPS基材料更轻更薄，但由于其以亚微米纤维为主的结构特征，两者吸声性能相当。更重要的是，所制备的PS非织造材料的吸声性能优于商用玻璃棉和再生聚酯绝缘毡，展示了良好的工业应用前景。该研究证实了废弃EPS作为可持续声学材料原料的可行性，为塑料废弃物资源化利用提供了新思路。
三、关键技术方法
研究人员主要采用了以下关键技术方法：溶液吹纺技术用于制备非织造纤维材料，该装置由液体泵、0.3 mm直径喷嘴和以3 rpm恒速旋转的纤维收集器组成，通过3 bar压缩空气将聚合物溶液喷纺成纤；Box–Behnken设计（BBD）作为响应面法的一种，用于实验设计、工艺参数优化和建立二次回归模型；阻抗管法依据ASTM E 1050-12标准在1–6.1 kHz频率范围内测定吸声系数；三重检测凝胶渗透色谱（TD-GPC）用于测定聚合物的分子量及其分布；热重分析（TGA）用于评估材料的热降解行为；扫描电子显微镜（SEM）用于观察纤维形貌并统计纤维直径分布。废弃EPS板材从各类废弃物容器中随机收集以反映真实回收条件，原生GPPS 525颗粒由ASCHEM石化公司提供。
四、研究结果
4.1 工艺参数对非织造材料结构特征和吸声性能的影响
研究人员通过BBD方法进行了15组实验，以平均吸声系数为主要响应，同时考察了克重、厚度和透气率等结构参数。方差分析（ANOVA）表明所有选用的响应面模型均高度显著（p ≤ 0.0002），失拟项不显著（p > 0.05），校正决定系数（Adj-R2）均大于0.96，信噪比远大于4，说明模型能够可靠地反映实验数据。研究发现，增加聚合物浓度显著提高了非织造材料的克重和厚度，这是因为高浓度溶液含有更多溶解的PS聚合物，溶剂蒸发后产生更多纤维堆积在收集器上。缩短工作距离同样增加了克重和厚度，因为较长的距离会导致纤维更广泛地分散，而较短的距离使收集器更有效地收集纤维。空气渗透率随浓度增加而急剧下降，高纤维含量促进了更致密的沉积结构；流速降低也使透气率下降，但影响程度小于浓度。三个工艺参数对吸声性能均有显著影响，其中聚合物浓度的影响最大（p < 0.0001），流速的影响相对较弱（p = 0.0418）。基于二次模型，BBD分析预测在20%浓度、50 cm工作距离和6 ml/h流速下可获得最大平均吸声系数。该参数组合未出现在原始实验方案中，研究人员据此制备了新样品进行验证，实测平均吸声系数达到0.549，证实了模型的预测能力。
4.2 废弃EPS与原生PS非织造材料吸声性能对比
在最优工艺条件下，研究人员对废弃EPS和原生GPPS制备的非织造材料进行了系统对比。TGA分析显示EPS样品存在4.8%的残留质量，表明含有添加剂成分，且EPS在降解过程中表现出更高的热稳定性。TD-GPC分析表明GPPS具有更高的重均分子量（Mw）和Z均分子量（Mz），分子链更长更重，分子量分布更宽（Mw/Mn = 4.56 vs. 3.208），特性粘度也更高，表明GPPS溶液在吹纺过程中更易产生较粗的射流。SEM图像证实GPPS基非织造材料的纤维明显更粗，平均纤维直径分别为EPS基的1.22 μm和GPPS基的1.43 μm。纤维直径分布统计显示，EPS基非织造材料以亚微米纤维为主，而GPPS基材料主要集中在1–1.5 μm范围。物理性能测试表明，GPPS基非织造材料具有更高的克重（207.03 g/m2 vs. 163.51 g/m2）、更大的厚度（4.19 mm vs. 4.00 mm）和更高的固体体积分数（4.71% vs. 3.90%）。值得注意的是，尽管EPS基材料的固体体积分数更低，但其透气率反而更低（12.45 cfm vs. 15.88 cfm），这表明EPS基材料中更细的纤维形成了更小的孔隙通道，增加了气流阻力，这种细纤维小孔隙结构有利于吸声。因此，尽管EPS基非织造材料更轻更薄，其吸声性能与GPPS基材料相当。与商用材料的对比显示，所制备的PS非织造材料在吸声性能上优于经切割调整至相近克重（212.21 g/m2）的商用玻璃棉（厚度5.2 mm）和克重达834.19 g/m2的再生聚酯绝缘毡（厚度6.37 mm）。
五、结论
本研究证明，通过溶液吹纺技术可以将废弃发泡聚苯乙烯成功转化为吸声非织造材料。提高聚合物浓度、缩短工作距离和降低流速均能通过形成更厚更密的纤维网络来增强吸声性能。Box–Behnken设计分析确认了三个参数对声学性能的显著影响，其中聚合物浓度的影响最强。二次模型预测的最优条件为20%聚合物浓度、50 cm工作距离和6 ml/h流速，在该条件下实验获得的平均吸声系数达到最大值0.549，验证了模型的预测能力。废弃EPS与原生GPPS制备的非织造材料对比评估显示，EPS基样品尽管更轻更薄，但由于其超细纤维结构而实现了与GPPS基材料相当的吸声性能。EPS基非织造材料主要含有亚微米纤维，而GPPS基材料的纤维大多在1–1.5 μm左右。这些结果强调了废弃EPS作为可持续声学应用原料的潜力，同时表明在EPS不可获得时，GPPS可以作为性能不损失的替代方案。此外，所开发的PS非织造材料相比商用玻璃棉和rPET毡等商用材料具有更高的吸声性能，进一步证明了其工业应用的显著潜力。
