绿色高分子材料的研究现状和发展

19. 0
862. 36
15. 88
1996 1574. 2 58. 31 32. 6 - 6. 5
186. 14
18. 6
1420. 66
64. 74
1997 1534. 0 - 2. 55 31. 96
1. 4
233. 11
25. 2
1332. 85
- 6. 18
1998 1662. 5 8. 38 28. 95 - 9. 4
料( Green Polymer Materials) 。 2 2 高分子材料生态设计的三大原则
在进行 高分子材料生态 设计时, 至少 可遵循三大原则:
( 1) 在生命周期内应具有对环境冲击负 荷低、生命周期长、低成本的基本特点;
( 2) 由环境材料制得的制品不仅在其生 命周期内应环境友好, 而且作为制品终结生 命后, 应具有多次利用或易再生利用的特点, 应能通过反序加工技术或还原技术还原成原 料;
2
HDPE
牛奶瓶、洗涤剂瓶、油瓶、玩 具、塑料袋
PVC
3
食物包装材料、植物油瓶、 泡罩型包装材料
可收缩 性包 装材 料, 塑料
4
LDPE
袋、衣服 ( 长袍、外套) 包装 袋
PP
5
人造黄油瓶、瓶盖、可取代 玻璃纸的包装材料
PS
6
蛋箱、快餐托盘、可任意处 置的塑料银色包装袋
7
其他树脂 包装容器
图 2 GB/ T16288- 1996 塑料包装制品 回收标记示意图
( 2) 一般高分子材料废弃物在紫外线作
第1期
詹茂盛 . 绿色高分子材料的研究现状和发展
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用、液体溶解或燃烧时, 排放出的 CO、氯乙烯 单体( VCM) 、HCl、甲烷、NOx、SO2、烃类、芳烃、 碱性及含油污泥、粉尘等, 污染着河流和空 气, 严重地威胁着人类的生存环境。
( 3) 制造高分子材料用原材料的 70% 以 上来源于石油, 以生产 1kg 高分子材料平均 消耗石油 3L 估算, 年产 700 万 t 高分子材料 废弃物意味着每年浪费了 21 亿 L 石油。因 此, 进行有机高分子材料生态设计与再生利 用是人类生存环境的需要, 也具有重要的政 治和经济意义。
环 无害( 安全) 境 易回收 友 易废弃 好 制备耗能低
+
传 机械特性 统 物理特性 性 化学特性 能
+
人 性 化
色感 气味
卫生 吸音/ 隔音
使用生态材料 低能耗 材料用量少 用材种类少 易拆卸 部件可回收利用 材料可回收利用 包装用材少
生态制品 设计
使用回收材料 无涂装 无溶剂 低温过程 低能耗 友好加工环境
( 2) 高分子材料制品成型过程中不产生 废品或下脚料 即材料成型加工过程的零 排放。为此, 更多地采用自动化成型技术, 如 尽量采用挤出和注射成型。
( 3) 高分子材料制品完成使用价值后, 废 弃物能就地或异地转变, 无毒地回归大自然 或进入再生工程 即废弃物的零排放。为 此, 开发高分子材料回收利用高新技术和完 全降解技术, 如通过高效溶剂或能吞噬高分 子材料废弃物的物质就地或异地转变; 或如 前所述, 利用容易回收的单纯材料代替多相 体系的材料, 或减少金属嵌件的高分子材料 复合制品。 3 2 有机高分子材料再生利用技术 3 2 1 回收技术
长期消 费后的 废弃物 ( 10年 以 上)
中长期消费后的废弃物 ( 5~ 10 年)
中短期 消费后 的废弃 物 ( 1~ 5 年) 短期消费后的废弃物( 约1年)
即时消费后的废弃物( 1年以下)
飞机内装材料、火车和船舶内装材料、上/ 下水道、 电线、电缆、塑料门窗等
汽车部件、电视机、电冰箱、洗衣机、电话、计算机、 复印机、打印机、传真机、空调、阳光板、橡胶轮胎等
2 4 标识、分类与回收利用 为加强高分子材料废弃物的再生利用, 并
设法使之再资源化。美国塑料协会 ( SPI) 规定 在制品表面印有明确的标识, 如表 3 所示 [6]; 中 国轻工总会 SPI 制订了 GB/ T16288- 1996 塑 料包装制品回收标记 [7], 如图 2 所示。现在也 可用 ISO 标准 [8]来标记塑料零件, 即取消了 SPI 三角箭头符号内的数字, 增添了公认的 聚合物类型缩写字母。
1 概述
有机高分子材料主要包括塑料、橡胶和 合成纤维三大类, 其原料主要来源于石油 化学工业, 其比重约是金属材料的 1/ 7, 成 型加工容易, 用途广泛。因此, 自 20 世纪 80 年代起, 高分子材料得到大规模生产。
我国 1999 年塑料产 量为 1960 7 万 t, 表 观 消费塑料量为 1704 91 万 t , 两者连续 5 年 以平均约 20% 的速度增加( 见表 1) [1]。即便 如此, 我国人均年消费量仍不及美国、日 本及欧洲发达国家的 1/ 10。因此, 21 世纪 仍是我国高分子材料工 业高速发展的新 世
3 有机高分子材料零排放和再生利用 技术
3 1 有机高分子材料零排放技术 高分子材料 零排放 主要指三个方面: ( 1) 绿色高分子所用原料应百分之百地
转变成产物, 不产生副产物或废弃物, 实现废 弃物的 零排放 即材料合成过程中的零
排放。为此, 一是开发天然高分子材料的应 用, 如各种植物 ( 如天然橡胶、纤维素等) 、动 物; 二是开发新原料或新工艺, 如环氧丙烷是 生产聚氨酯泡沫塑料的重要原料, 传统上主 要采用二步反应的氯醇法, 不仅使用危险的 氯气, 而且产生大量含氯化钙的废水, 造成环 境污染, 现在国内外均在开发用钛硅分子筛 催化氧化丙烯制备环氧丙烷的新方法; 又如, 国外还开发了由异丁烯生产甲基丙烯酸甲酯 的新合成路线, 取代了以丙酮和氢氰酸为原 料的丙酮氰醇法。
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塑料助剂
2003 年第 1 期( 总第 37 期)
绿色高分子材料的研究现状和发展
詹茂盛
( 北京航空航天大学材料学院, 北京, 100083)
摘 要 本文介绍了绿色高分子材料的定义及分类、各种塑料再生技术及可降解高分子 材料的分类和定义及其特性。
关键词 绿色高分子材料 塑料再生技术 降解高分子材料
生态加工 设计
生态高分子 材料
生态高分子 材料制品
图 1 环境友好的绿色高分子材料制品设计
第1期
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表 3 塑料制品的 SPI 标识
标识符号 树脂种类 树脂种类及使用范围
1
PET
饮料( 汽水、茶、酒) 瓶, 可煮 沸牛奶包装袋, 加工贮藏肉
类食物包装膜、保鲜膜
263. 32
13. 2
1427. 63
7. 11
1999 1960. 7 17. 94 31. 4
5年平均
20. 02
表观消费量= 产量+ 进口量- 出口量
8. 5 - 0. 28
287. 71
8. 9 16. 98
1704. 91
19. 42 20. 19
高分子材料的大量生产与消费, 同时也 带来大量废弃物的产生, 世界每年产生的塑 料废弃物约是其产量的 60% ~ 70% , 橡胶废 弃物约是其产量的 40% , 我国每年的橡胶废 弃物和塑料废弃物共计约 700 万 t。这些高分 子材料废弃物带来三方面的严重问题:
有机高分子材料生态制品与生态生产是
指用生态设计的材料进行生态制品的生产。
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塑料助剂
2003 年第 1 期( 总第 37 期)
表 2 高分子材料制品寿命与种类
种类
寿命与使用周期
制品 种 类
生产中的废弃物 ( 工企废弃物)
成型制品过程中的不合格品 加工和应用中的边角料
Байду номын сангаас
消费后的 塑料废弃物
( 社会废弃物)
( 1) 绝大部分不能自然降解、水解和风 化, 即使是淀粉/ 聚合物共混物的降解制品要
降解到对生态环境无害化的程度, 至少也需 要 50 年。特别是年复一年残留于耕地的农膜 和地膜, 不仅造成土地板结、妨碍作物根系呼 吸和吸收养分、使作物减产, 而且残膜中的某 些有毒添加剂和聚氯乙烯, 会先通过土壤富 集于蔬菜、粮食及动物体, 人食用后直接影响 人类健康。
回收 主要指废弃物的集中、运输、分 类、洗涤、干燥等处理过程, 任意节省其中的 某一阶段, 均会影响再生材料或再生制品的 质量。不同高分子材料之间的相容性、热稳 定性、加工性能及化学性能差别很大。对于 不同种类单纯高分子材料可根据所具有的不 同塑化温度 ( 熔点、软化点) 、燃烧性能 ( 火焰 的颜色、难易度、气味) 、外观( 硬度、光泽、透 明度) 、密度、溶解性等, 分别采用不同的分离 方法。最简单的分离方法是根据厂家在制品 上刻印的高分子材料代号或外观, 进行人为 识别和手工分拣。该法简单、易行、效率高, 但准确度难以保证。较为复杂的分离方法有
2 有机高分子材料生态设计原则
2 1 生态高分子材料的概念 由于 生态高分子材料 不仅涉及 生态
化学 ( 主要指原料和高分子聚合过程) , 而且 涉及 生态生产 ( 主要指生产环境) 、生态使 用 、 生态回收和再生利用 , 以及残留在生 态环境中可能产生的 深远影响 等。日本、 美国、欧洲认为生态高分子材料是使用性能 与普通高分子材料制品一样、用后能通过自 然界微生物和酶分解为水和 CO 2的高分子材 料, 即定义生物降解高分子材料是生态高分 子材料, 因此称 生物降解塑料 是 生态塑 料 者居多[ 2, 3]。英国 Gerald[ 4]把有机高分子对 环境的冲击、再生利用、降解作为 生态高分 子 的研究内容。然而, 理想的生态高分子 材料 不只是克服 高分子材料不能自然降 解 的问题, 而应包括采用无毒、无害的原料、 进行无害化( 废气、废水、废渣) 材料生产( 即 零排放) 、制品成型作业和使用周期中无环境 污染、废弃后易回收和再生利用、以及消费得 起的高分子材料。鉴于这些考虑, 我们把从 生 ( 即原料的选择、合成与成型加工过程) 到 死 ( 即使用过程、最终的焚烧) 的整个生 命周期中节约资源和能源、零排放 、易回收 再生利用、不对生态环境中产生负面 深远影 响 的高分子材料称为生态高分子材料 ( Ecological Polymer Materials) 或绿色高分子材
纪。
表 1 我国塑料制品产量与进出口概况
年份
产量 / 万t
增减 /%
进口 数量/ 万t 增减/ %
出口
表观消费量
数量 / 万t 增减 / %
/ 万t
增减 /%
1994 842. 7 26. 1 33. 35
131. 87
744. 18
1995 994. 4 18. 00 34. 89
4. 6
156. 93
( 3) 应具有低成本回收或低成本再生资 源化的特点。
依据这三条原则, 现有的大部分热塑性 有机高分子 ( 除 PVC 外) 材料及其制品基本 属于生态材料类型; 而高分子合金与共混物 制品因材料成分复杂, 回收分类困难; 热固性 树脂基复合材料制品在成型过程中要挥发有 机分, 不同程度地影响工厂环境, 不利于人体 健康和动、植物生长。设计原则( 2) 主要力求 回收和分离系统的低成本。为此, 应尽量使 用易回收的纯材料制作制品。在家用电器方
面, 日本正在研究用 PS 替代 ABS、用 PP 替代 PS, 特别是在汽车和家用电器两方面, 正试图 用单一 PP。日本制作所确定耗能、污染程度、 回收利用的难易、材料物性( 抗冲击和耐热) 、 价格等五大指标为生态制品设计原则, 提出 高分子材料使用级别, 即: PP、PS、PE、PET、 PMMA 和 POM 等为优先使用类型, ABS、AS、 PC、PBT、PF、AAS 和 PPO 等为可使用类型, 而 PA、PES、PPS、PI、PFA、PC/ ABS、EP、MF、UF、 UP、HIPS、EPU 和 PU 涂料等为慎用类型或由 其他材料取代, 特别是 PVC 及其涂料、PP/ PS/ ABS 等含有氯原子和复杂成分的材料最 好不用。另外, 生态制品设计应根据其用途 设计成相应的寿命周期, 如表 2 所示。 2 3 有机高分子材料生态制品与生态生产
自行车胎、农用输水管材、周转箱、各种容器、盆、日 用塑料制品等
饮料瓶、牛奶瓶、大型购物袋、包装袋等
地膜、快餐盒、一次性医疗卫生用品、一次性塑料包 装制品等
为此, 可用热塑性弹性体代替橡胶材料, 用热 塑性高分子代替热固性高分子, 而代替 PVC 的是其他通用塑料, 选用生态高分子材料, 进 行生态制品和生态加工工艺设计、制备生态 制品。另外, 对于成型塑料制品过程中不合 格品和边角料, 应立即粉碎, 在线按比例参合 到新材料中用于制品成型。日本三菱电机公 司进行高分子材料生态制品设计和加工情况 如图 1 所示 [ 5]。