建造聚合物加工绿色低碳化制造新模式

作者：北京化工大学 王建强 杨卫民    来源：CPRJ 中国塑料橡胶

欢迎访问e展厅 展厅 1 工程塑料展厅 聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ... 绿色材料 高分子材料在给人类带来巨大物质文明的同时也对环境造成了严重的污染。传统的处理方法多采用对废旧高分子材料回收焚烧、掩埋及简单的分类回收利用等方法，这种环境末端治理方法不能从根本上解决高分子材料的环境污染问题。更有效的方法必须从源头即材料研究和选择方面入手，在选择材料时应用环境友好、便于回收再利用和可自然降解的绿色材料，达到产品与环境的和谐。 绿色高分子材料包括高分子材料本身与应用及处理方面的内容。前者是指高分子合成的无害化及其对环境的友好，后者是指可降解高分子材料的合成与使用及其对环境稳定型高分子材料的回收与循环使用。面向绿色低碳制造的绿色材料是一种全新的理念和思路，追求的是产品与环境的和谐，它是技术性原则、经济性原则和环境协调性原则的综合与集成。材料选择的环境协调性原则主要考虑材料资源的丰富程度、材料的环境友好性、材料的可回收利用性等方面。 可降解高分子材料是近年来绿色材料研究的热点。所谓可降解是指在一定的使用期内具有与普通塑料相同的使用性能，当达到一定使用期限后其分子结构发生变化，能够在一定条件下自动降解而被自然同化。根据降解方式不同，目前主要包括三种类型：光降解塑料、生物降解塑料和光/生物降解塑料。 目前对生物降解塑料和光降解塑料开发研究较多，但这两种降解塑料还存在着一些问题：首先是成本问题，生物降解塑料的巿场价格比普通塑料的价格高出几倍甚至十几倍，所以靠巿场来推广生物降解材料具有很大阻力。其次是技术问题，降解塑料的降解速度可控性还有待提高，在不同应用领域 对降解塑料的降解速度要求不同，目前对可控降解塑料的研究还需要投入很大的精力。除了这两方面的问题，还有类似于应用的安全性等问题需要解决。 面对生物降解塑料和光降解塑料存在的问题，同时考虑这两种降解塑料的突出特点，科研人员尝试将两者结合，制成生物/光双降解塑料，目前这一方法已经成为降解塑料的主要研究方向之一。 正确认识传统的石化基高分子材料本身的绿色性质也是近年来颇受关注的一个重要方面。合理地选用、应用塑料、橡胶等高分子材料，已为汽车、电子、建筑、食品饮料包装等领域带来显着的节能、减碳效果。通过合理选择材料与改性以实现针对性的用途，兼之塑料本身优异的可回收性，我们应认识到高分子材料的绿色低碳本质，关键在于用好、回收好。 绿色设计 研究表明，产品性能的70~80%是由设计阶段决定的，设计阶段是产品生命周期的源头。 塑料之所以能获得广泛的应用，便在于优异的性能与形状的灵活设计性，以及易于高效地大批量生产的特点。所谓绿色设计就是保护地球绿色环境的设计，是指在产品生命周期全过程的设计中，充分考虑对环境和资源的影响，在考虑功能、质量、开发周期和成本的同时优化设计因素，使产品及制造过程对环境和资源消耗的总体影响减到最小，产品失效后可回收，无废物产生。 与传统设计方法相比，绿色设计是将绿色产品的要求作为设计约束的一部分，从可持续发展的高度审视产品的整个生命周期，提倡无废物、可回收设计，将3R原则（reduce，reuse，recycle）直接引入产品研发阶段。 绿色设计的核心思想在于彻底抛弃传统的“先污染，后治理”的环境治理方式，代之以“预防为主，治理为辅”的环境保护策略。 绿色设计过程中以下的设计原则可以为高分子材料制品的设计提供有益的参考： 1) 慎重选择材料。选择生态环境材料，即那些具有良好使用性能和工艺性能，资源和能源消耗少，对生态环境污染小，有利于人类健康，再生利用率高或可降解循环利用，在整个生命周期都与环境友好协调的利于可持续发展的材料。 2) 选择采用节省材料、节约能源的新技术新工艺。 3) 尽可能选用短缺材料资源的替代材料，材料选择时考虑材料资源的丰富程度，考虑可持续发展问题。 4) 减少所用材料的种类。这样有利于产品报废后的回收利用，降低制造加工难度并降低回收处理的成本。 5) 选用可回收利用材料，如产品材料选用时选择相容性好的材料组合，在回收时可以直接作为一个整体回收处理，方便废弃塑料的回收，这样减少了废弃物、节约了资源，有益于环境保护。 6) 设计过程中设计容易拆卸的结构，方便废旧材料的分类回收。 7) 在产品包装设计过程中，设计能够重复利用的包装材料和包装方式，放弃使用超薄塑料，尽可能减少废料产生。 绿色制造工艺 绿色制造工艺是未来工艺技术的发展方向之一，在产品制造过程中采用绿色工艺是实现绿色制造的重要环节。绿色制造工艺是指物料和能源消耗最小化、废弃物最小化、环境污染最小化的加工工艺。 传统制造过程中的工艺选择一般追求3个决策目标：时间T（Time）、质量Q（Quality）和成本C（Cost），其中时间T指产品加工时间和生产周期，也指生产效率；质量Q指产品质量，包括产品性能、使用寿命、可靠性、安全性和经济性；成本C指材料成本、设施设备成本、劳动力成本、能源动力成本、维护和培训成本等。与传统制造过程中的工艺选择相比，绿色制造工艺考虑上述三个决策目标的同时也要考虑制造过程中的资源消耗R（Resource）和环境影响E（Environment）因素。其中资源消耗R指能源动力消耗、原材料消耗和设备资源的消耗等，环境影响E指所选择的工艺对生态环境的影响，包括环境废物对生态环境的破坏，工艺种类对劳动者的健康侵蚀及因故障可能引发的安全隐患等。绿色制造工艺追求的总体目标是缩短时间、提高质量、降低成本、极小的资源消耗、对环境的影响最小，即优质、高效、清洁、低耗、成本低廉。 综合考虑制造过程中的资源消耗问题和环境影响问题，绿色制造工艺应该具有以下特点： 1) 绿色制造工艺的技术先进性，这是实施绿色制造工艺的前提。其中技术先进性是指满足绿色制造要求的先进技术，而非不切实际、不计成本的使用最新技术。 2) 绿色制造工艺的绿色性，资源消耗少和环境污染小是绿色制造工艺的最显着特征，制造过程中不仅对环境和社会的污染小，同时有利于劳动者的安全和身体健康。 3) 绿色制造工艺的经济性是绿色制造工艺必不可少的条件。产品价格如果不能被消费者所接受产品就不能推向巿场，因此必须要考虑绿色制造工艺的成本。 绿色包装 据有关资料统计，包装废弃物的排放量约占城巿固态废弃物重量的1/3，体积的1/2。传统包装产生的包装废弃物对生态环境和人类健康造成了危害，同时造成自然资源的极大浪费。为此绿色包装成为循环经济和绿色制造概念的一个重要组成部分。绿色包装又称无公害包装或环境之友包装，是指不损害自然生态环境和人类健康，能够重复使用和再生，符合可持续发展的包装。包括两个方面的含义：环境保护和节约资源，二者相辅相成，不可分割。 包装同样是塑料工业最重要的组成部分，基本上全球塑料工业35-40%的塑料原料被用于各种包装生产，而这些包装制品中60-70%为一次性包装。因此绿色包装对塑料工业绿色制造而言，同样具有十分重要的意义。 绿色包装不是一个独立的过程，它包括使用包装材料“绿色化”，包装设计“绿色化”，更重要的是绿色消费。 绿色包装材料常见的种类有：可重复再用和再生的包装材料类；可食性包装材料类，如可食性包装膜，包括多糖类可食性包装膜、蛋白质类可食性包装膜、微生物共聚酯可食性包装膜和复合型可食性包装膜等；可降解材料类，如生物降解塑料、光降解塑料和生物/光双降解塑料等；纸质材料类，纸的原材料是天然植物纤维，可回收且与自然地融合性强。（编者注：考虑每种材料的绿色性同样需要从整个材料的产品生命周期考虑对环境的影响，因此这些绿色包装材料的概念也随着人们认识的发展与提高而不断变化。） 包装设计“绿色化”则是要在包装设计方面从材料选择、结构功能、制造工程、包装方式、储运方式、产品使用和后处理等方面综合考虑，遵循设计的减量化原则、单一化原则、轻量化原则、无害化原则和清洁生产的原则。 包装材料“绿色化”和包装设计“绿色化”能够减少环境污染和资源损耗，但是只有在消费理念上实现绿色消费，绿色包装才能得到巿场运行机制的支撑而成为一种必然，才能在根本上解决包装产生的问题。 绿色使用及用后处置 对绿色使用的研究主要集中在两个领域：一是延长产品生命周期。延长产品的生命周期可最终减少产品报废后的各种处置，从而提高资源利用率，减少对环境的负面影响。要延长产品的生命周期，就要增加产品的可维护性，实行面向可维护性的设计。 二是面向节省能源的设计。德国联邦环境署的研究表明，德国家庭和办公室消耗的电力中，至少11%被处于待机状态的设备消耗。据美国能源部估计，美国每年要为关机的电视机和录像机支付大约10亿美元的电费。 实现产品使用的绿色化十分重要，产品用后的处理不当对环境的冲击性往往更大。目前，对高分子聚合物材料制品用后的处理包括：简单再生利用、改性再生利用以及资源化处理等。 其中废塑料改性生产新的高附加值材料最为重要，这是当前废旧塑料回收技术研究的热门领域，如PET瓶到瓶回收、废旧塑料通过改性处理生产高性能工程塑料等等。对废塑料进行改性再利用后不仅消除其对环境的不良作用，而且还变废为宝，弥补了紧缺材料的需求缺口。 不同废弃物的再生利用也已在越来越多的领域发挥更广泛的应用，如废塑料再生用于改性沥青，可在减少环境污染的同时改善道路沥青的性能，减轻道路维护压力。利用废旧塑料制备的保温砖筑砂浆能够起到良好的保温效果，利用废旧聚苯乙烯泡沫生产的粘接剂耐酸碱、耐冻。将再生塑料粉碎成不同粒径的颗粒加入混凝土材料中制成再生塑料改性混凝土，改善混凝土的性能。将植物秸秆和木材下脚料等木质纤维材料与塑料混合在一起，将混合好的物料置于模具内，在高温高压下经过一定的加工工艺即可形成新型的木塑材料。 塑料废弃物资源化，既可以节省和利用资源，降低处理费用，又可消除或减轻废塑料对环境的影响，也是近年来废塑料资源化研究的焦点。资源化方法包括：油化再生、高炉喷吹、与煤共焦化和垃圾衍生燃料技术(RDF)等。 现代制造业快速推动着人类社会的物质文明发展。具有优良性能的高分子材料制品给人们的生活带来了非常多的便利，但同时也造成了严重地生态影响，人与自然地关系空前紧张，人类社会追求短期利益的行为造成的严重后果已经开始威胁着人类的生存和经济、社会的持续发展。因此，发展绿色低碳制造模式是非常必要的措施，在高分子材料领域实施绿色制造与循环利用也是必然趋势。 在高分子材料领域采用生态环境友好的绿色制造模式，通过资源的综合利用，短缺资源的代用，二次资源的利用，减缓资源的消耗，达到节能的目的；减少废弃物和污染物的排放，达到生产、消费的工业产品与自然环境相容，实现人类社会、经济的可持续发展。(end)

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