基于绿色共溶剂体系的废弃可发性聚苯乙烯静电纺丝研究

《Polymer》：Electrospinning of Waste Expanded Polystyrene Using a Green Co-Solvent System

　　

来自电子包装的可发性聚苯乙烯（Expanded Polystyrene, EPS）废弃物因回收率极低成为严峻的环境挑战。本研究提出一种基于物理回收（溶解）的简易方案，通过静电纺丝技术制备微米级纤维实现其升级再造。研究人员首次采用低毒性的乙酸乙酯（Ethyl Acetate, EA）/二甲基亚砜（Dimethyl Sulfoxide, DMSO）共溶剂体系制备聚苯乙烯（Polystyrene, PS）纤维。该体系利用EA作为挥发性良溶剂，DMSO作为极性非溶剂，通过调节两者比例精确控制溶液性质与纤维成型行为。研究人员系统考察了聚合物浓度（10–28 wt.%）、DMSO含量（0–50 wt.%）、流速（1–15 mL/h）及电压-接收距离比（0.65–3.5 kV/cm）对最终纤维形貌与直径的影响。结果表明，增加DMSO含量可提升溶液粘度、表面张力与电导率，增强分子链缠结并促进连续纤维形成。当DMSO含量为25 wt.%时获得光滑圆柱形纤维，而50 wt.% DMSO则诱导相分离驱动的非圆柱形形貌。基于所有实验结果，研究人员发现纤维直径与各参数（浓度、粘度、电压-距离比）均遵循幂律标度关系，为未来预测与控制纤维结构提供了理论依据。

研究背景与意义

可发性聚苯乙烯（EPS）因其轻质、优异的隔热性能被广泛应用于电子包装等领域，但全球年产量约1000万吨的EPS仅有不到10%被回收，其低密度与化学稳定性导致传统机械、热化学回收面临高能耗与材料降解的瓶颈，大量废弃物堆积引发“白色污染”并持续释放微塑料。针对这一现状，研究人员探索了基于溶液法的物理回收路径，利用静电纺丝（Electrospinning）技术将废弃EPS转化为具有高附加值的三维多孔纤维材料，替代传统高毒性溶剂体系，为塑料废弃物的闭环循环提供了新策略。该研究发表于《Polymer》期刊。

主要技术方法

研究人员收集电子包装废弃物EPS，经清洗后分别溶解于不同配比的乙酸乙酯（EA）/二甲基亚砜（DMSO）共溶剂体系中，制备浓度范围为10–28 wt.%的均质纺丝液。采用落球式粘度计、吊片法表面张力仪与电导率仪系统表征溶液流变与电学性质。通过静电纺丝设备，在固定温湿度条件下调控聚合物浓度、溶剂组成、流速与电场强度制备纤维膜。利用扫描电子显微镜（SEM）观察纤维微观形貌，结合凝胶渗透色谱（GPC）、差示扫描量热法（DSC）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）与X射线衍射（XRD）验证材料化学结构与热性能，并通过接触角测量评估表面润湿性。

研究结果

3.1 纺丝液性质

溶剂组成显著调控溶液物理化学性质。随着DMSO占比从0 wt.%提升至50 wt.%，溶液粘度由0.459 mPa·s增至0.929 mPa·s，表面张力由23.70 mN/m升至29.81 mN/m，电导率由0.001 μS/cm提升至0.4 μS/cm。聚合物浓度升高进一步强化这些效应，且在DMSO50体系中，22 wt.%浓度处观测到电导率突变，对应分子链缠结临界阈值。粘度分析显示，所有体系均符合半稀溶液标度律：在低缠结区η_sp∝ c^1.25，而在高缠结区η_sp∝ c^4.25–4.8，证实DMSO作为非溶剂压缩高分子链构象，促进缠结网络形成。

3.2 EPS静电纺丝性能与形貌观察

3.2.1 溶剂与浓度效应

纯EA体系因低介电常数（ε=6.02）与高挥发性导致射流不稳定，仅在≥25 wt.%浓度获得扁平带状纤维，且表面因快速蒸发产生多孔结构。引入25 wt.% DMSO后，溶液电导率显著提升，纺丝稳定性大幅改善，在10–28 wt.%浓度范围内均可获得连续纤维。浓度低于13 wt.%时出现串珠结构，16–22 wt.%为均匀纤维，25–28 wt.%纤维直径增大至7.1±1.4 μm。DMSO50体系因接近液-液相分离边界，在19 wt.%浓度即形成双叶状中空纤维，22 wt.%浓度则因高粘度限制拉伸形成带状形貌。纤维直径与浓度、粘度符合幂律关系：D_f∝ c^0.5与 D_f∝ η^0.33，归一化后呈现线性相关性（R²=0.988）。

3.2.2 流速效应

流速增加普遍导致纤维直径增大且均匀性下降。在DMSO25体系中，流速从1 mL/h增至15 mL/h使纤维表面由光滑转变为高度褶皱。DMSO50体系则表现出更复杂的形态演变：低流速下为纵向沟槽纤维，中流速为双股融合结构，高流速下完全转变为扁平带状。定量分析表明，纤维直径对流速的敏感性随聚合物浓度变化，在25 wt.%浓度与1–5 mL/h区间增幅达150%，而高浓度（28 wt.%）体系因缠结过度增幅受限。

3.2.3 电压-距离比效应

有效电场强度（V/x）与纤维直径呈非单调幂律关系：D_f∝ (V/x)^-1.1。在0.65–2.5 kV/cm范围内，电场增强促进射流拉伸使直径由5.54 μm降至1.83 μm；超过2.5 kV/cm后因射流加速导致溶剂挥发不充分，直径回升至3 μm。

3.3 潜在应用与展望

所有纤维膜水接触角达125–140°，呈现优异疏水性，适用于空气过滤、油水分离及防护涂层。该技术使用相对低毒的EA/DMSO体系，较传统N,N-二甲基甲酰胺（DMF）/四氢呋喃（THF）体系显著降低环境风险。未来需通过多针头或无针纺丝提升规模化生产能力，并集成溶剂回收系统以实现工业化应用。

讨论与结论

本研究首次证实EA/DMSO共溶剂体系可有效将废弃EPS转化为功能性微米纤维。DMSO作为非溶剂通过调控相分离行为与溶液导电性，解决了单一EA体系纺丝不稳定的难题。研究建立了纤维直径与工艺参数的定量标度模型，实现了形貌可控合成。该工作为废弃聚苯乙烯的高值化回收提供了兼具科学创新与环境可持续性的解决方案，推动了绿色静电纺丝技术的发展。