高分子材料回收利用进展及力化学技术的应用

中国塑加工工业协会专家委员会成立大会暨2005年塑料新材料、新技术国际研讨会论文集

高分子材料回收利用进展及力化学技术的应用户灿辉王琪

高分子材料回收利用进展及力化学技术的应用

卢灿辉王琪

高分子材料工程国家重点实验室,四川大学高分子研究所成都610065

摘要:本文综述塑料、橡胶、复合材料和其他交联高分子材料回收利用现状和进展,简述了废弃高分子材

料回收利用存在的科学与技术问题及英发展方向,重点介绍了基于应力诱导反应的废弃高分子材料回收利用新技术,利用磨盘形力化学反应器实现了废旧橡胶的固相力化学脱硫、废旧交联聚乙烯电缆的再生和废旧聚氨酯发泡材料的回收利用。

目前全球高分子聚合物的产量已超过2亿吨,高分子材料在生产、处理、循环、消耗、使用、回收和废弃的过程中也带来了沉重的环境负担。聚合物废料的来源主要有:l生产废料:生产过程中产生的废料如废品,边角料等。其特点是干净,易于再生产;2商业废料:一次性用于包装物品,电器,机器等包装材料,如泡沫塑料。3用后废料:指聚合物在完成其功用之后形成的废料,这类废料比较复杂,其污染程度与使用过程,场合等有关,相对而言污染比较严重,回收和利用的技术难度高,是材料再循环研究的主要对象。预计2010年,我国城市垃圾日产量为60.70万吨,年产量达2.5亿吨,紧随美国之后排在第二位,城市垃圾管理压力日益增大。垃圾中塑料约占8--9%,产生的白色垃圾亟待治理。我国每年废弃塑料和废旧轮胎占城市固态垃圾重量的10%,体积30--一40%,难以处理,形成所谓“白色污染”(废弃塑料)和黑色污染(废弃轮胎),影响人类生态环境,也影响高分子产业自身的进一步发展。因此废弃高分子材料的回收利用对建设循环经济、节约型社会意义重大。

1、国内外废弃高分子材料的回收利用研究和发展现状

1.1废弃高分子材料现状

塑料:大部分塑料的自然降解时间长,达到100年以上。塑料不可降解性,导致其废弃物能够长期存在下去,成为了一个越来越突出的环境问题,形成了所谓的“白色污染”。2003年我国的塑料制品产量(规模以上工业企业)达到1651万吨,如果算上小型企业,保守的估计就超过2500万吨。若按塑料制品中有20%为可回收塑料计算,则我国可回收塑料废弃物每年约有400万""500万吨,而这还不包括企业生产中产生的边脚料和没使用过的残次塑料制品回收。废弃塑料大量散落对环境造成严重危害,即使是深埋,也需要200年才能化解,埋入泥土的塑料还会污染地下水源、破坏土壤结构,影响土壤的透气性,阻碍水分的流动,从而影响农作物对水分、养分的吸收,抑制农作物的生长发育,造成农作物的减产,可以使粮食作物减产30%。若牲畜吃了塑料膜,会引起牲畜的消化道疾病,甚至死亡。

橡胶:随汽车工业的发展,废旧轮胎的生成量也越来越多。据世界环境卫生组织统计,世界废旧轮胎积存量已达30亿条,并以每年约10亿条令人惊诧的数字增长,废轮胎和其它废橡胶制品对环境的严重污染是一项世界性难题,以废旧轮胎橡胶为主产生的“黑色污染”正引起人们的关注。我国2001橡胶使用量超过280万吨(不含丁基、丁睛、三元乙丙等特种胶),已超过美国,位居世界第一位,我国是轮胎生产大国,2002年我国轮胎产量达到1.63亿条,居世界第二位,目前我国每年产生废旧轮胎5000379

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多万条,随着轿车进入家庭和汽车拥有量的增加,废旧轮胎的产生量还将大量增加,加上进口,新胎上市近亿条,报废的轮胎也近亿条,再加上胶管、胶带、胶鞋及其它橡胶制品(骨架、炭黑和配合剂等),废胶复合材料将近500万吨。如何有效回收利用,防止对环境造成污染,这既是一个世界性难题,也是我国再生资源回收利用面l临的一个新课题。我国是一个橡胶资源短缺的国家,几乎每年橡胶消耗量的45%左右需要进口,而且短时期内不会有根本的解决办法,所以如何解决橡胶原料来源及代用材料是十分迫切的任务。目前废旧橡胶回收利用项目已列入《中国2l世纪议程》方案中,废旧橡胶的回收利用正发展成为新的环保产业。

复合材料:复合材料以轻质高强,耐腐蚀等优异性能,被广泛应用于各行各业。然而,伴随复合材料的高强、耐腐蚀性,也使复合材料废弃物的处理变得非常棘手。热固性复合材料的废弃物主要来自生产过程中的残次品、边角料及丧失功能的复合材料制品。据统计,全世界的复合材料的年产量超过500万吨,其废弃物达100万吨,回收利用率仅为10%。我国还没有这方面的统计,但从中国玻璃钢工业协会统计的2001年我国玻璃钢/复合材料45万吨的年产量分析,这个数字也不会小,而且我国80%左右的复合材料制品为手糊生产,生产中产生的废弃物更多,其回收利用率几乎为零。欧洲塑料复合材料工业已作好报废汽车(ELV)回收立法准备,2006年将在欧盟实施,欧洲复合材料回收机构(ECRC)2006年将为回收材料寻找更为经济的用途,严格限制废旧复合材料掩埋处理。根据规定,到2006年,制造商必须确保报废汽车85%的复合材料得以回收,其中至少80%被重新使用;2015年时回收率将达到95%,重新使用率必须达到85%。欧盟的这一举措将对进入欧盟市场的汽车及复合材料提供商建立更高的门槛,但也可以鼓励材料生产商在设计时就注意材料的易回收性,从而促进复合材料研究开发和生产技术的进步。

其他交联高分子材料:热塑性高分子材料通过物理或化学方法交联后,在耐热、耐化学品和耐气候性以及电绝缘性等方面有特殊优点,如交联聚乙烯(XLPE)电缆、交联聚乙烯热水管等;大多数聚氨酯制品,特别是发泡材料都属于交联体系。但是,当交联高分子材料在变成废物时,其不易溶解、不易熔化的特性反而给再生利用带来极大困难,是目前废旧高分子材料回收利用的难题。随着我国城乡电网改造和通信设施的大面积升级,每年产生大量的废弃电缆,其中电缆中的导电材料,如铜、铝等金属可通过简单的方法回收利用,但是产生大量难以回收的交联聚乙烯,造成环境污染,带来了沉重的环境负担。大量家具更新后产生量大面广的聚氨酯泡沫材料,汽车等交通工具每年由于座垫更换产生的聚氨酯废料更是难以计量,这些材料是最难以回收的部分,造成新的环境污染和资源浪费。

1.2废弃高分子材料回收技术现状:

在美国和欧洲,聚合物的回收已经从20世纪90年代早期的机械回收发展到原料回收和焚烧能量回收一体化。在我国一般采用3种方法,一是物理法回收利用废旧高分子材料,二是化学法综合利用,三是通过燃烧废旧高分子材料回收与利用能量。总体看,物理法回收利用废旧高分子材料仍然是我国在该领域中的主渠道,但还处在综合利用的初级阶段;物理法与化学法综合利用是值得推崇的方法,它可以再次循环利用废旧品,充分发挥材料的使用性能。国内目前聚合物回收利用欠缺的是设备的大型化和规模化。.

填埋处理废料:最简单的方法是填埋,然而填埋意味着失去所有可能利用的资源;况且填埋需要较大的空间,占地面积大;再者填埋会掺出有机物,污染水源,也会逸出有机气体如CI-h,若要避免污染,建造新的高级填埋场需要昂贵的投资;聚合物废料相对密度较小,体积大,且在土中难以分解(完380

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全分解需要200年以上),填埋更不适合。随填埋费用的高涨,填埋场将会越来越少,如美国在1980年有18500个垃圾场,到1990年减少至6000个。许多国家和地区正积极采取措施减少填埋处理,以减少填埋废料对“地下生态环境的影响。

再循环:废弃高分子材料有效的处理废料方法是再循环利用,并得到产业部门、环境保护机构和研究部门的认同,再循环利用不仅使环境污染得到妥善的解决,而且资源得到最有效的节省和利用。聚合物再循环利用的途径有二条:材料循环和化学循环。材料循环(MR)是指废旧聚合物经提纯处理后获得再生料,再次进行加工生产。化学循环(CR)是利用光,热或化学试剂等使聚合物降解成单体或聚合物短链,用作油品或用于制新聚合物和化工原料。

能量回收:利用废旧聚合物作燃料或助燃料,进行加热或发电。对有些高分子材料,不经预处理直接燃烧将产生严重的后果,如聚氯乙烯直接燃烧将产生大量的HCI,对设备造成严重的腐蚀并向大气排放强致癌性物质二嗯英,通常要在预先低温下脱除HCI,使回收成本大幅度增加。焚烧法产生有毒气体,污染大气,焚烧的无毒化处理设备投资大,成本高(建一座大型焚烧厂需20多亿元),目前还局限于发达国家和我国局部地区。

2、废弃高分子材料回收的若干科学和技术问题

当前处理垃圾的国际潮流是“综合性废物管理”,实行3R行动,把垃圾的产生量减少下来。3R的行动口号“减量化(Reduce)、再使用(Reuse)、再循环(Recycle)”。对废弃高分子材料回收利用而言,以下几方面科学和技术问题值得关注并加以深入研究:

(1)在高分子材料的制备方面,采用高分子材料绿色工程概念。在单体的选择、合成、材料的制备阶段即考虑到材料使用后可回收利用性,制备易于解聚、降解、可循环再生利用的高分子材料。研究新的聚合方法,在分子链中引入对热、光、氧、生物酶敏感的基团,为材料使用后的降解、解聚创造条件。注意发展线形热塑性、无毒高分子材料,尤其是聚烯烃材料;采用物理交联替代化学交联,改善材料的热塑性、加工流变性,为材料使用后的回收加工创造条件。发展可生物降解的高分子材料,研究淀粉、纤维素、甲壳素等天然高分子材料的结构、性能和应用。研究天然高分子和合成高分子材料的共混和复合材料的结构与性能,为制备高性能、价廉、可生物降解的高分子材料提供依据。

(2)在废弃高分子材料的回收利用方面,重视绿色加工技术的开发和应用。理想的绿色技术是通过反应性加工(反应性挤出、反应性注射)、反应性增容以及采用高效、无污染的物理方法:如电晕、紫外线、电子束、T.射线、微波辐照及力化学方法等,改善混杂废弃高分子材料的相容性和加工流变性,制备有不同使用价值的废弃再生高分子材料。研究再生高分子材料结构性能及使用历史,为确定能最大限度重复加工利用高分子材料提供依据。

(3)在废弃高分子材料的回收利用新技术方面,应侧重低成本回收利用新原理、新技术和设备的研究。废弃高分子材料的分类是材料回收过程中流程复杂,成本高的环节,如在HDPE废料中掺混l%的PP将使用回收材料制备的HDPE塑料瓶的冲击性能大幅度下降;在PET废料中掺混lppm的PVC将使二次加工后的产品颜色变深、性能下降。因此不经分类(分离)的混杂废旧高分子材料回收技术、原理和设备的研究非常重要。高分子废弃物的粉碎是回收利用的重要环节,利用聚合物固体粉碎过程的力化学效应开发高分子废弃物循环利用的新技术是这一领域颇具经济和环保优势的途径。聚合物固体在粉碎过程中除了颗粒微细化还伴随着多种力化学效应,如力降解、力合成、结晶结构转变或消失、381

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玻璃化转变温度下降等现象,这些效应的有效利用可以改善聚合物的加工性质,提高材料的力学性能,制备新型高分子复合材料,因此,研究不同高分子废弃物组分间的力化学反应、以及粉碎过程中结构与形态的变化,为通过力化学方法实现废高分子材料的循环使用,建立环保,节能、高效的废弃高分子回收新方法具有重要意义。

(4)注重热固性高分子材料、后交联高分子材料(如XLPE等)、高分子发泡材料、高分子复合材料和废弃轮胎橡胶回收利用的研究。热固性高分子材料、高分子复合材料和废弃轮胎橡胶的回收利用是废弃高分子回收利用中难度大的课题。如废弃轮胎的大量堆积至今仍然是个难于解决的问题,化学或物理手段脱硫和机械粉碎制备胶粉是目前橡胶回收利用的主要研究方向,其中废旧橡胶的常温超微粉碎和低成本、无污染脱硫技术已成为该领域研究的热点。

3、力化学技术在废弃交联高分子材料再生利用中的应用

力化学是研究在各种凝聚状态下的物质因机械力影响而发生化学或物理化学变化的一门边缘和交叉学科。力化学是一种简单有效的材料制备技术,有关理论和技术是当今材料科学和粉体加工过程中最为活跃的研究方向之一,超细粉碎是为适应现代化工、电子、生物及其它新材料、新工艺对原料的细度要求而发展起来的一项新的粉磨工艺技术,其应用领域基金涉及到金属、无机材料、有机物、高分子材料等各个领域。以力化学和粉碎为基础的废弃高分子材料回收利用近年来得到人们的重视。

固相剪切粉碎(S3P)回收废旧塑料技术:S3P粉碎过程在废弃高分子材料循环利用也已取得进展。将未经分类的、含有各种聚烯烃的回收塑料经S3P粉碎得到的粉末注射成型,其力学性能如拉伸强度、伸长率、冲击强度和弯曲强度与回收料直接成型对比力学性能甚至超过了用相应的新树脂原料经传统方法加工所得的材料;对回收LLDPE而言,S3P粉料制成试件的伸长率比回收料直接成型试件高5-6倍,解决了回收料使用时伸长率大幅度下降的难题。含有PP、PE、PVC、PET等多组分的回收塑料经S3P工艺处理后,制品拉伸强度、硬度、弯曲模量和弯曲强度相当高,可以与由HDPE和LLDPE新树脂原料经传统方法加工所得的材料媲美。S3P工艺在废塑料回收利用的另一个非常有意义的例子是,含PVC和PET两组分的回收塑料经S3P处理后,可获得均匀的、可熔融加工的粉末,这是回收技术的一大进步,因为含有PVC和PET的共混物不能用传统的方法熔融加工,因PET的熔点高,在远低于PET的熔点时PVC即发生热分解。该技术所得粉体粒度为200.1700um,再细化有难度,不能实现高分子材料的超细粉碎,也不能粉碎强韧性或温度敏感性聚合物和刚性材料,目前还未实用化。

Arastoopour等开发的固相剪切挤出粉碎(solid.stateshearextrusionpulverization,S3E),其原理是利用压力场.剪切力场.温度场的共同作用使聚合物材料发生弹性形变和破碎,在挤出过程中必须设置40 ̄135口多个温区,并快速冷却,冷却水温度为8口,在温度梯度场和应力场共同作用下,促使橡胶在高压状态下发生弹性形变,存储的弹性势能在剪切变形作用下爆发式的释放而引起橡胶内部微裂纹的迅速扩展、贯通,并最终转化为新生裂纹表面的自由能,颗粒细化。用S3E技术通常得到的橡胶粉末的粒度为40一1700tam,以200~500pm的粒径占多数,在制备精细胶粉有较大限制,经济可行性须进一步研究。

Koch等采用金属材料机械合金化原理提出的低温冷冻机械合金化(cryogenicmechanicalalloying,CMA)技术,将废橡胶和PMMA或PET用液氮冷却使其脆化,然后高能球磨粉碎,得到分散性较好的复合粉体,是机械合金化技术在废旧高分子材料回收利用的新应用,但是存在需液氮冷却、制备量只有几克或几十克,能耗高,不能连续生产,实用性不大等问题。

以色列Daren开发了一种结构简单、粉碎效率高的设备,用于多组分塑料废弃物的再生回收利用382

中国塑加工工业协鲁专煮委员舍威立太会暨2005年靼料新材蚪、新技术国际研讨会论文董

高分子材料回收利用进展及力化学技术的应用自灿辉王理

的新工岂一均一微细化(homomlcmnization).二次加工制品具有稳定的相结构,力学性能好4、磨盘形力化学反应器在废弃交联高分子材料中的应用

本着实现资源亢分利用、环境保护和发展循环经济的Lq标,高分子材料工程同家重点实验室,四JI大学高分子研究所利用自主研制的设备一磨盘形力化学反麻器建市了基于应力诱导同相力化学原理的废弃高分子材料回收利用新技术,在难回收废弃高分子材料一一废旧轮胎、废旧交联聚乙烯电缆和废旧聚氨酯发泡材料的回收利用取得重要进展,研究成果已在有咒企业应用,产生重要的经济效益和社会效益,为节约型社会和埘民经济可持续发展的关键需求提供行之有效的新技术。其丰要原理足利用力化学反应器强大的粉碎、混台和力化学作用将空联高分了腹料在强的剪切作用F,使交联键选择性断开,把不可回收的交联废料变成可阿收的材料,形成县有自主知识产权的难回收高分子材料再生利Hj新技术。

建立基于磨盘碾磨的聚台物粉碎和】应力诱导反应废j口轮胎橡胶回收利用新技术,实现废弃橡胶的常温超细粉碎和力化学活化、脱硫,磨盘形力化学反应器的作用特点是碾磨使胶粒缂受,高压缩下的剪切、拉伸、摩擦、变形等作用,巾于受到强大的剪切应力作用,碾麝过程一s—s键将破裂(s-s-键的键能小丁Cc键,故ss键首先破裂),发生力化学脱硫,赋予废旧橡胶微粉町再加工性。因此通过j£碾磨产生的力化学效应可改善腔粉的二敬加丁性能和与其它聚合物的相窖性。实验结果表明通过调控选择合适的碾麝条件.通过改变剪切力、压力,上苎到促进脱硫、控制降解的目的,获得力学性能和加工性能良好的脱硫胶粉和橡胶制品。奉技术将为废旧橡胶回收利用的低成奉化提供节能、环境友好、易于工业化,具有市场竞争力的、燕成化关键技术。

交联聚乙烯电缆料通过过氧化物或硅烷交联制造而成.含有交联结构,不溶、不熔.难以用般的方法回收,是目6i废弃塑料回收的难题。通过力化学反应器进行微细化和均一化处理,利用剪切应力产生的能量选择性地切断o_o键,si_一0键,使交联键断开.增加热可塑性和熔融流动性,达到再生之目的,从而把不叮回收的交联废料童成可回收的材料。成功地利用废弁电缆塑料制备得到综合力学性能良好的回收塑料制品。图I为废弃XLPE电缆碾磨6Ⅱ后以及用]00%废料制成的片材.其扯伸强度可达到I8.6Mpa.断裂身长率达到350%,。采用的再牛过程中尤需漆加任何助剂。获得的废XLPE超细粉末活性高,与其他聚合物材料、橡胶具肯良好的相容性.宴现变联聚乙烯电缆废料的可再加工性,为交联高分子废料的回收利用提供新一代的技术路线。采用通过碾磨制备的XLPE废料代替25~30%聚乙烯,呵用于PE排水管制造。

最近,我们利用建成的磨盘形力化学反应器示范生产线粉碎聚氨酯发泡材料(汽车顶棚内饰用,生产成奉3.2万元鹏)边角料和废弃汽车座垫Pu泡株得到超细Pu粉末.将Pu粉未再次用于Pu拄泡材料的生产,为废弃Pu筮泡材料的回收利用提供行之肓效的新方法,为难回收Pu发泡材料的再生利用丌辟新的技术路线。

废弃叟联聚£烯屯缆皮碾磨7次粉末l00%废XLPE制琏片材目1为废弃XLPE自埋碾磨前后U殛用100%鹰料制成的片材

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5、结束语

废旧高分子回收利用已经和环境保护、资

源循环利用和建设节约型社会的国民经济可持

续发展战略联系在一起,同时也成为促进塑料

工业健康持续发展的重要新生力量,其中蕴藏

的巨大的经济性利益已引起了关注。我国应把

提高高分子材料资源的利用水平、提高资源产

出率作为循环经济发展的突破口和重点,重视

废弃高分子材料回收利用新技术和新原理、提

高资源利用率的研究,优先发展低成本、高效、无二次污染的废弃高分子材料回收新技术、新原理。

参考文献

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2.徐僖。王填废弃高分子材料回收处理与再生利用新技术,工程塑料应用,1999,27(3):30~31

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5.W.Udo.S.Steglich,S.Wiessner

237~245沙伊斯著,纪奎江,陈占勋等译,化学工业出版社,北京,2004Rubberpowder—aprospectivefillerforthermoplastics,Macrom01.Symp.2005,221,

Advancesinpolymerrecyclingandtheapplicationofmechanochemical

technologyinpolymerreclamation

CanhuiLu

StateKeyLaboratoryofPolymerMaterialsQiWangEngineering,PolymerResearchInstituteofSichuan

University,Chengdu610065,China

ABSTRACT:The仃endsofpolymerrecyclingincludingthereclamationofpost-consumerplastics。wasterubber,polymercomposites

recycling

de-linking

paper.andothercrosslinkedpolymerarereviewed,andsomescientificandtechnologicalproblemsexistinginintroduced.Afeasibletechnologybasedonpolymeraremeehanoehemicalroutefordevulcanizationofvulcanizedrubber,asofcrosslinkedpolyethylenefromwastecable,aswellrecyclingofpolyurethanefoamispresentedinpresent

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作者:

作者单位:卢灿辉, 王琪高分子材料工程国家重点实验室,四川大学高分子研究所 成都 610065

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摘要:本文综述塑料、橡胶、复合材料和其他交联高分子材料回收利用现状和进展,简述了废弃高分子材

料回收利用存在的科学与技术问题及英发展方向,重点介绍了基于应力诱导反应的废弃高分子材料回收利用新技术,利用磨盘形力化学反应器实现了废旧橡胶的固相力化学脱硫、废旧交联聚乙烯电缆的再生和废旧聚氨酯发泡材料的回收利用。

目前全球高分子聚合物的产量已超过2亿吨,高分子材料在生产、处理、循环、消耗、使用、回收和废弃的过程中也带来了沉重的环境负担。聚合物废料的来源主要有:l生产废料:生产过程中产生的废料如废品,边角料等。其特点是干净,易于再生产;2商业废料:一次性用于包装物品,电器,机器等包装材料,如泡沫塑料。3用后废料:指聚合物在完成其功用之后形成的废料,这类废料比较复杂,其污染程度与使用过程,场合等有关,相对而言污染比较严重,回收和利用的技术难度高,是材料再循环研究的主要对象。预计2010年,我国城市垃圾日产量为60.70万吨,年产量达2.5亿吨,紧随美国之后排在第二位,城市垃圾管理压力日益增大。垃圾中塑料约占8--9%,产生的白色垃圾亟待治理。我国每年废弃塑料和废旧轮胎占城市固态垃圾重量的10%,体积30--一40%,难以处理,形成所谓“白色污染”(废弃塑料)和黑色污染(废弃轮胎),影响人类生态环境,也影响高分子产业自身的进一步发展。因此废弃高分子材料的回收利用对建设循环经济、节约型社会意义重大。

1、国内外废弃高分子材料的回收利用研究和发展现状

1.1废弃高分子材料现状

塑料:大部分塑料的自然降解时间长,达到100年以上。塑料不可降解性,导致其废弃物能够长期存在下去,成为了一个越来越突出的环境问题,形成了所谓的“白色污染”。2003年我国的塑料制品产量(规模以上工业企业)达到1651万吨,如果算上小型企业,保守的估计就超过2500万吨。若按塑料制品中有20%为可回收塑料计算,则我国可回收塑料废弃物每年约有400万""500万吨,而这还不包括企业生产中产生的边脚料和没使用过的残次塑料制品回收。废弃塑料大量散落对环境造成严重危害,即使是深埋,也需要200年才能化解,埋入泥土的塑料还会污染地下水源、破坏土壤结构,影响土壤的透气性,阻碍水分的流动,从而影响农作物对水分、养分的吸收,抑制农作物的生长发育,造成农作物的减产,可以使粮食作物减产30%。若牲畜吃了塑料膜,会引起牲畜的消化道疾病,甚至死亡。

橡胶:随汽车工业的发展,废旧轮胎的生成量也越来越多。据世界环境卫生组织统计,世界废旧轮胎积存量已达30亿条,并以每年约10亿条令人惊诧的数字增长,废轮胎和其它废橡胶制品对环境的严重污染是一项世界性难题,以废旧轮胎橡胶为主产生的“黑色污染”正引起人们的关注。我国2001橡胶使用量超过280万吨(不含丁基、丁睛、三元乙丙等特种胶),已超过美国,位居世界第一位,我国是轮胎生产大国,2002年我国轮胎产量达到1.63亿条,居世界第二位,目前我国每年产生废旧轮胎5000379

中国塑加工工业协会专家委员会成立大会暨2005年塑料新材料、新技术国际研讨会论文集

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多万条,随着轿车进入家庭和汽车拥有量的增加,废旧轮胎的产生量还将大量增加,加上进口,新胎上市近亿条,报废的轮胎也近亿条,再加上胶管、胶带、胶鞋及其它橡胶制品(骨架、炭黑和配合剂等),废胶复合材料将近500万吨。如何有效回收利用,防止对环境造成污染,这既是一个世界性难题,也是我国再生资源回收利用面l临的一个新课题。我国是一个橡胶资源短缺的国家,几乎每年橡胶消耗量的45%左右需要进口,而且短时期内不会有根本的解决办法,所以如何解决橡胶原料来源及代用材料是十分迫切的任务。目前废旧橡胶回收利用项目已列入《中国2l世纪议程》方案中,废旧橡胶的回收利用正发展成为新的环保产业。

复合材料:复合材料以轻质高强,耐腐蚀等优异性能,被广泛应用于各行各业。然而,伴随复合材料的高强、耐腐蚀性,也使复合材料废弃物的处理变得非常棘手。热固性复合材料的废弃物主要来自生产过程中的残次品、边角料及丧失功能的复合材料制品。据统计,全世界的复合材料的年产量超过500万吨,其废弃物达100万吨,回收利用率仅为10%。我国还没有这方面的统计,但从中国玻璃钢工业协会统计的2001年我国玻璃钢/复合材料45万吨的年产量分析,这个数字也不会小,而且我国80%左右的复合材料制品为手糊生产,生产中产生的废弃物更多,其回收利用率几乎为零。欧洲塑料复合材料工业已作好报废汽车(ELV)回收立法准备,2006年将在欧盟实施,欧洲复合材料回收机构(ECRC)2006年将为回收材料寻找更为经济的用途,严格限制废旧复合材料掩埋处理。根据规定,到2006年,制造商必须确保报废汽车85%的复合材料得以回收,其中至少80%被重新使用;2015年时回收率将达到95%,重新使用率必须达到85%。欧盟的这一举措将对进入欧盟市场的汽车及复合材料提供商建立更高的门槛,但也可以鼓励材料生产商在设计时就注意材料的易回收性,从而促进复合材料研究开发和生产技术的进步。

其他交联高分子材料:热塑性高分子材料通过物理或化学方法交联后,在耐热、耐化学品和耐气候性以及电绝缘性等方面有特殊优点,如交联聚乙烯(XLPE)电缆、交联聚乙烯热水管等;大多数聚氨酯制品,特别是发泡材料都属于交联体系。但是,当交联高分子材料在变成废物时,其不易溶解、不易熔化的特性反而给再生利用带来极大困难,是目前废旧高分子材料回收利用的难题。随着我国城乡电网改造和通信设施的大面积升级,每年产生大量的废弃电缆,其中电缆中的导电材料,如铜、铝等金属可通过简单的方法回收利用,但是产生大量难以回收的交联聚乙烯,造成环境污染,带来了沉重的环境负担。大量家具更新后产生量大面广的聚氨酯泡沫材料,汽车等交通工具每年由于座垫更换产生的聚氨酯废料更是难以计量,这些材料是最难以回收的部分,造成新的环境污染和资源浪费。

1.2废弃高分子材料回收技术现状:

在美国和欧洲,聚合物的回收已经从20世纪90年代早期的机械回收发展到原料回收和焚烧能量回收一体化。在我国一般采用3种方法,一是物理法回收利用废旧高分子材料,二是化学法综合利用,三是通过燃烧废旧高分子材料回收与利用能量。总体看,物理法回收利用废旧高分子材料仍然是我国在该领域中的主渠道,但还处在综合利用的初级阶段;物理法与化学法综合利用是值得推崇的方法,它可以再次循环利用废旧品,充分发挥材料的使用性能。国内目前聚合物回收利用欠缺的是设备的大型化和规模化。.

填埋处理废料:最简单的方法是填埋,然而填埋意味着失去所有可能利用的资源;况且填埋需要较大的空间,占地面积大;再者填埋会掺出有机物,污染水源,也会逸出有机气体如CI-h,若要避免污染,建造新的高级填埋场需要昂贵的投资;聚合物废料相对密度较小,体积大,且在土中难以分解(完380

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全分解需要200年以上),填埋更不适合。随填埋费用的高涨,填埋场将会越来越少,如美国在1980年有18500个垃圾场,到1990年减少至6000个。许多国家和地区正积极采取措施减少填埋处理,以减少填埋废料对“地下生态环境的影响。

再循环:废弃高分子材料有效的处理废料方法是再循环利用,并得到产业部门、环境保护机构和研究部门的认同,再循环利用不仅使环境污染得到妥善的解决,而且资源得到最有效的节省和利用。聚合物再循环利用的途径有二条:材料循环和化学循环。材料循环(MR)是指废旧聚合物经提纯处理后获得再生料,再次进行加工生产。化学循环(CR)是利用光,热或化学试剂等使聚合物降解成单体或聚合物短链,用作油品或用于制新聚合物和化工原料。

能量回收:利用废旧聚合物作燃料或助燃料,进行加热或发电。对有些高分子材料,不经预处理直接燃烧将产生严重的后果,如聚氯乙烯直接燃烧将产生大量的HCI,对设备造成严重的腐蚀并向大气排放强致癌性物质二嗯英,通常要在预先低温下脱除HCI,使回收成本大幅度增加。焚烧法产生有毒气体,污染大气,焚烧的无毒化处理设备投资大,成本高(建一座大型焚烧厂需20多亿元),目前还局限于发达国家和我国局部地区。

2、废弃高分子材料回收的若干科学和技术问题

当前处理垃圾的国际潮流是“综合性废物管理”,实行3R行动,把垃圾的产生量减少下来。3R的行动口号“减量化(Reduce)、再使用(Reuse)、再循环(Recycle)”。对废弃高分子材料回收利用而言,以下几方面科学和技术问题值得关注并加以深入研究:

(1)在高分子材料的制备方面,采用高分子材料绿色工程概念。在单体的选择、合成、材料的制备阶段即考虑到材料使用后可回收利用性,制备易于解聚、降解、可循环再生利用的高分子材料。研究新的聚合方法,在分子链中引入对热、光、氧、生物酶敏感的基团,为材料使用后的降解、解聚创造条件。注意发展线形热塑性、无毒高分子材料,尤其是聚烯烃材料;采用物理交联替代化学交联,改善材料的热塑性、加工流变性,为材料使用后的回收加工创造条件。发展可生物降解的高分子材料,研究淀粉、纤维素、甲壳素等天然高分子材料的结构、性能和应用。研究天然高分子和合成高分子材料的共混和复合材料的结构与性能,为制备高性能、价廉、可生物降解的高分子材料提供依据。

(2)在废弃高分子材料的回收利用方面,重视绿色加工技术的开发和应用。理想的绿色技术是通过反应性加工(反应性挤出、反应性注射)、反应性增容以及采用高效、无污染的物理方法:如电晕、紫外线、电子束、T.射线、微波辐照及力化学方法等,改善混杂废弃高分子材料的相容性和加工流变性,制备有不同使用价值的废弃再生高分子材料。研究再生高分子材料结构性能及使用历史,为确定能最大限度重复加工利用高分子材料提供依据。

(3)在废弃高分子材料的回收利用新技术方面,应侧重低成本回收利用新原理、新技术和设备的研究。废弃高分子材料的分类是材料回收过程中流程复杂,成本高的环节,如在HDPE废料中掺混l%的PP将使用回收材料制备的HDPE塑料瓶的冲击性能大幅度下降;在PET废料中掺混lppm的PVC将使二次加工后的产品颜色变深、性能下降。因此不经分类(分离)的混杂废旧高分子材料回收技术、原理和设备的研究非常重要。高分子废弃物的粉碎是回收利用的重要环节,利用聚合物固体粉碎过程的力化学效应开发高分子废弃物循环利用的新技术是这一领域颇具经济和环保优势的途径。聚合物固体在粉碎过程中除了颗粒微细化还伴随着多种力化学效应,如力降解、力合成、结晶结构转变或消失、381

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卢灿辉王琪高分子材料回收利用进展及力化学技术的应用

玻璃化转变温度下降等现象,这些效应的有效利用可以改善聚合物的加工性质,提高材料的力学性能,制备新型高分子复合材料,因此,研究不同高分子废弃物组分间的力化学反应、以及粉碎过程中结构与形态的变化,为通过力化学方法实现废高分子材料的循环使用,建立环保,节能、高效的废弃高分子回收新方法具有重要意义。

(4)注重热固性高分子材料、后交联高分子材料(如XLPE等)、高分子发泡材料、高分子复合材料和废弃轮胎橡胶回收利用的研究。热固性高分子材料、高分子复合材料和废弃轮胎橡胶的回收利用是废弃高分子回收利用中难度大的课题。如废弃轮胎的大量堆积至今仍然是个难于解决的问题,化学或物理手段脱硫和机械粉碎制备胶粉是目前橡胶回收利用的主要研究方向,其中废旧橡胶的常温超微粉碎和低成本、无污染脱硫技术已成为该领域研究的热点。

3、力化学技术在废弃交联高分子材料再生利用中的应用

力化学是研究在各种凝聚状态下的物质因机械力影响而发生化学或物理化学变化的一门边缘和交叉学科。力化学是一种简单有效的材料制备技术,有关理论和技术是当今材料科学和粉体加工过程中最为活跃的研究方向之一,超细粉碎是为适应现代化工、电子、生物及其它新材料、新工艺对原料的细度要求而发展起来的一项新的粉磨工艺技术,其应用领域基金涉及到金属、无机材料、有机物、高分子材料等各个领域。以力化学和粉碎为基础的废弃高分子材料回收利用近年来得到人们的重视。

固相剪切粉碎(S3P)回收废旧塑料技术:S3P粉碎过程在废弃高分子材料循环利用也已取得进展。将未经分类的、含有各种聚烯烃的回收塑料经S3P粉碎得到的粉末注射成型,其力学性能如拉伸强度、伸长率、冲击强度和弯曲强度与回收料直接成型对比力学性能甚至超过了用相应的新树脂原料经传统方法加工所得的材料;对回收LLDPE而言,S3P粉料制成试件的伸长率比回收料直接成型试件高5-6倍,解决了回收料使用时伸长率大幅度下降的难题。含有PP、PE、PVC、PET等多组分的回收塑料经S3P工艺处理后,制品拉伸强度、硬度、弯曲模量和弯曲强度相当高,可以与由HDPE和LLDPE新树脂原料经传统方法加工所得的材料媲美。S3P工艺在废塑料回收利用的另一个非常有意义的例子是,含PVC和PET两组分的回收塑料经S3P处理后,可获得均匀的、可熔融加工的粉末,这是回收技术的一大进步,因为含有PVC和PET的共混物不能用传统的方法熔融加工,因PET的熔点高,在远低于PET的熔点时PVC即发生热分解。该技术所得粉体粒度为200.1700um,再细化有难度,不能实现高分子材料的超细粉碎,也不能粉碎强韧性或温度敏感性聚合物和刚性材料,目前还未实用化。

Arastoopour等开发的固相剪切挤出粉碎(solid.stateshearextrusionpulverization,S3E),其原理是利用压力场.剪切力场.温度场的共同作用使聚合物材料发生弹性形变和破碎,在挤出过程中必须设置40 ̄135口多个温区,并快速冷却,冷却水温度为8口,在温度梯度场和应力场共同作用下,促使橡胶在高压状态下发生弹性形变,存储的弹性势能在剪切变形作用下爆发式的释放而引起橡胶内部微裂纹的迅速扩展、贯通,并最终转化为新生裂纹表面的自由能,颗粒细化。用S3E技术通常得到的橡胶粉末的粒度为40一1700tam,以200~500pm的粒径占多数,在制备精细胶粉有较大限制,经济可行性须进一步研究。

Koch等采用金属材料机械合金化原理提出的低温冷冻机械合金化(cryogenicmechanicalalloying,CMA)技术,将废橡胶和PMMA或PET用液氮冷却使其脆化,然后高能球磨粉碎,得到分散性较好的复合粉体,是机械合金化技术在废旧高分子材料回收利用的新应用,但是存在需液氮冷却、制备量只有几克或几十克,能耗高,不能连续生产,实用性不大等问题。

以色列Daren开发了一种结构简单、粉碎效率高的设备,用于多组分塑料废弃物的再生回收利用382

中国塑加工工业协鲁专煮委员舍威立太会暨2005年靼料新材蚪、新技术国际研讨会论文董

高分子材料回收利用进展及力化学技术的应用自灿辉王理

的新工岂一均一微细化(homomlcmnization).二次加工制品具有稳定的相结构,力学性能好4、磨盘形力化学反应器在废弃交联高分子材料中的应用

本着实现资源亢分利用、环境保护和发展循环经济的Lq标,高分子材料工程同家重点实验室,四JI大学高分子研究所利用自主研制的设备一磨盘形力化学反麻器建市了基于应力诱导同相力化学原理的废弃高分子材料回收利用新技术,在难回收废弃高分子材料一一废旧轮胎、废旧交联聚乙烯电缆和废旧聚氨酯发泡材料的回收利用取得重要进展,研究成果已在有咒企业应用,产生重要的经济效益和社会效益,为节约型社会和埘民经济可持续发展的关键需求提供行之有效的新技术。其丰要原理足利用力化学反应器强大的粉碎、混台和力化学作用将空联高分了腹料在强的剪切作用F,使交联键选择性断开,把不可回收的交联废料变成可阿收的材料,形成县有自主知识产权的难回收高分子材料再生利Hj新技术。

建立基于磨盘碾磨的聚台物粉碎和】应力诱导反应废j口轮胎橡胶回收利用新技术,实现废弃橡胶的常温超细粉碎和力化学活化、脱硫,磨盘形力化学反应器的作用特点是碾磨使胶粒缂受,高压缩下的剪切、拉伸、摩擦、变形等作用,巾于受到强大的剪切应力作用,碾麝过程一s—s键将破裂(s-s-键的键能小丁Cc键,故ss键首先破裂),发生力化学脱硫,赋予废旧橡胶微粉町再加工性。因此通过j£碾磨产生的力化学效应可改善腔粉的二敬加丁性能和与其它聚合物的相窖性。实验结果表明通过调控选择合适的碾麝条件.通过改变剪切力、压力,上苎到促进脱硫、控制降解的目的,获得力学性能和加工性能良好的脱硫胶粉和橡胶制品。奉技术将为废旧橡胶回收利用的低成奉化提供节能、环境友好、易于工业化,具有市场竞争力的、燕成化关键技术。

交联聚乙烯电缆料通过过氧化物或硅烷交联制造而成.含有交联结构,不溶、不熔.难以用般的方法回收,是目6i废弃塑料回收的难题。通过力化学反应器进行微细化和均一化处理,利用剪切应力产生的能量选择性地切断o_o键,si_一0键,使交联键断开.增加热可塑性和熔融流动性,达到再生之目的,从而把不叮回收的交联废料童成可回收的材料。成功地利用废弁电缆塑料制备得到综合力学性能良好的回收塑料制品。图I为废弃XLPE电缆碾磨6Ⅱ后以及用]00%废料制成的片材.其扯伸强度可达到I8.6Mpa.断裂身长率达到350%,。采用的再牛过程中尤需漆加任何助剂。获得的废XLPE超细粉末活性高,与其他聚合物材料、橡胶具肯良好的相容性.宴现变联聚乙烯电缆废料的可再加工性,为交联高分子废料的回收利用提供新一代的技术路线。采用通过碾磨制备的XLPE废料代替25~30%聚乙烯,呵用于PE排水管制造。

最近,我们利用建成的磨盘形力化学反应器示范生产线粉碎聚氨酯发泡材料(汽车顶棚内饰用,生产成奉3.2万元鹏)边角料和废弃汽车座垫Pu泡株得到超细Pu粉末.将Pu粉未再次用于Pu拄泡材料的生产,为废弃Pu筮泡材料的回收利用提供行之肓效的新方法,为难回收Pu发泡材料的再生利用丌辟新的技术路线。

废弃叟联聚£烯屯缆皮碾磨7次粉末l00%废XLPE制琏片材目1为废弃XLPE自埋碾磨前后U殛用100%鹰料制成的片材

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卢灿辉王琪高分子材料回收利用进展及力化学技术的应用

5、结束语

废旧高分子回收利用已经和环境保护、资

源循环利用和建设节约型社会的国民经济可持

续发展战略联系在一起,同时也成为促进塑料

工业健康持续发展的重要新生力量,其中蕴藏

的巨大的经济性利益已引起了关注。我国应把

提高高分子材料资源的利用水平、提高资源产

出率作为循环经济发展的突破口和重点,重视

废弃高分子材料回收利用新技术和新原理、提

高资源利用率的研究,优先发展低成本、高效、无二次污染的废弃高分子材料回收新技术、新原理。

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237~245沙伊斯著,纪奎江,陈占勋等译,化学工业出版社,北京,2004Rubberpowder—aprospectivefillerforthermoplastics,Macrom01.Symp.2005,221,

Advancesinpolymerrecyclingandtheapplicationofmechanochemical

technologyinpolymerreclamation

CanhuiLu

StateKeyLaboratoryofPolymerMaterialsQiWangEngineering,PolymerResearchInstituteofSichuan

University,Chengdu610065,China

ABSTRACT:The仃endsofpolymerrecyclingincludingthereclamationofpost-consumerplastics。wasterubber,polymercomposites

recycling

de-linking

paper.andothercrosslinkedpolymerarereviewed,andsomescientificandtechnologicalproblemsexistinginintroduced.Afeasibletechnologybasedonpolymeraremeehanoehemicalroutefordevulcanizationofvulcanizedrubber,asofcrosslinkedpolyethylenefromwastecable,aswellrecyclingofpolyurethanefoamispresentedinpresent

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高分子材料回收利用进展及力化学技术的应用

作者:

作者单位:卢灿辉, 王琪高分子材料工程国家重点实验室,四川大学高分子研究所 成都 610065

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7064796.aspx


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