聚合物材料的绿色评价体系研究恒温烤箱

聚合物材料的绿色评价体系研究

聚合物材料的绿色评价体系研究 2011年12月04日 来源： 随着产量的增加，聚合物已经成为主要的废弃物源之一，对环境产生了巨大的影响。目前很多国家陆续制定了产品的环境指令和法规，要求生产者负责实现废弃产品的3R（再利用，回收及减少废弃：reuse, recycle and reduce）处理，其中聚合物占据了相当大的比重。日本在2001年实施了家用电器回收法（HARL），欧盟在2005年4月实施了WEEE指令，并将在2006年7月实施RoHS指令。中国的类似指令也正在制定中，预计很快即将实施。 所有这些指令法规都要求生产者实现产品较高的循环再利用比率，并降低产品最终的废弃量。图1显示了欧洲目前常用电器产品所实现的不同材料的回收重利用比率。从中可以很明显地看出，聚合物材料的回收，已经成为制约产品整体环境指令匹配度的瓶颈。这就要求在聚合物的开发和生产过程中，除了考虑材料本身的性能和成本外，还要充分考虑到材料的可回收性及环境影响。本文把材料的可回收性和环境影响统称为绿色度，但很多时候材料的可回收性和环境影响并不完全一致，这在金属材料中尤其明显。金属材料具有很好的可回收性，但在加工和回收过程中却会产生很大的环境污染影响。

图1 欧洲电器产品中不同材料的回收现状

由于聚合物材料对环境的重要影响，聚合物材料的绿色评价体系也成为近年来产品生命周期研究领域的重点之一。K.G. Snowdon建立了基于聚碳酸酯材料环境影响的聚碳酸酯/ABS的含铝面板制品生命周期评价体系。H. Terho对PBT/LDPE材料的Nokia电缆进行了LCA (Life Cycle Assessment)分析，并对比了选用LDPE、LLDPE和HDPE等材料对环境的不同影响。G. Lewis等对United Solar Systems Corporation 的UPM-880产品中的光电感应组件，其中主要材料是Tefzel (一种聚四氟乙烯基树脂)和EVA，进行生命周期分析和模拟。 D. Pollock等人对喷墨印刷墨盒产品中的PE、PP和聚酯等材料进行了LCA研究。H. Tomita等人对紧凑型录音带和袖珍磁盘（主要材料是PS、聚碳酸酯和PC）的材料回收和循环利用进行了LCA研究。J. A. Stuart对产品生命周期设计中的材料选择模型进行了分析和总结。R.Kulkarni建立基于环境评价(Environmental Assessment：EIA)软件系统的电子组件环境影响的评价体系。这些研究都是针对某一类具体的产品及聚合物材料，主要是对产品中的材料进行环境影响分析。而在产品的环境指令实施后，便需要以聚合物本身作为研究分析的对象。通过对聚合物材料的生命周期分析，预测模拟聚合物材料的3R状况，建立反映聚合物特点的绿色评价体系。 基于3R的聚合物生命周期 3R表示为增加重利用（Reuse）和回收（Recycle）的比例，减少（Reduce）最终废弃。对于产品来说，重利用表示产品部件直接投入新产品的生产或旧产品的维护；回收表示材料的循环再利用；而废弃表示不能进入下一阶段生产的部分材料。而从聚合物材料的角度说，这个概念则需要重新设定：重利用是指材料可以不需要增加其它组分直接投入下一阶段生产；回收是指材料增加了其它组分进行改性后投入下一阶段生产；而废弃是指回收聚合物的性能已经不能满足再生产的需要。在此一阶段，如何减少最终的固体废弃物是减少（Reduce）的关键。聚合物的生命周期过程如图2（a）所示，图2（b）显示了聚合物在生命周期过程中的性能变化。其中时间点Tm表示聚合物进入回收（Recycle）阶段的时间，时间点Tn表示聚合物进入废弃阶段的时间。

图2 聚合物的生命周期过程

从增强聚合物的环境友好度考虑，一方面是尽量延长Tm和Tn，延长材料进入废弃阶段之前的时间。另一方面就是尽量减少材料的废弃量，以及减少废弃物对环境的影响。根据ASTM (American Society for Testing Material) D0883-92标准，聚合物最终处理可以分为：降解、生物降解、氧化降解、光降解、焚烧等方法。在进行材料的最终处理时，尽量避免填埋处理而实施再能源化，是减少环境不良影响的较好途径。 聚合物绿色度评价的关键指标聚合物的绿色度评价包括以下几个关键指标。这些指标并不是相互孤立的，而是互相联系、互相影响的。基于这些指标的分析，可以为聚合物材料绿色度的定量评价建立一个框架体系。 材料本身包含附加危险物含量 为了增强聚合物的应用性能及开发新材料，通常需要对聚合物进行添加材料改性。但是RoHS及同类法律的实施，对聚合物的添加材料提出了限制。要求生产者在研制、生产聚合物材料时，必须限制在材料中使用铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚等有害物质。即使由于原材料原因或生产过程中导致了有害物质残留，也要严格将含量控制在规定的百分比内。从增加材料的可循环使用性能角度考虑，不仅要考虑到当前材料的危险物含量，还要考虑到回收再使用时材料的危险物含量，以保证材料能够达到法令要求而投入再生产。材料回收导致的性能变化 回收再利用的聚合物材料性能必然产生变化，把这种变化控制在较小范围，是延长材料循环使用周期的有效手段。这不仅和材料本身有关，也和加工方法、使用环境及回收方法有重要关系。表1是三种聚合物回收材料与新材料的性能对比。从评价体系来说，一种材料回收后的性能和新材料相比变化越小，这种材料的循环利用可能性越大，从而绿色度越好。

表1 PET、PVC及HCM回收材料与新材料的性能对比

材料的残留附加物含量 在聚合物生产使用中，除考虑有害物质控制以外，还要考虑到其它附加物质残留。由于这些残留物质无法在回收处理中和聚合物本体分离，将进入下一个生产过程，所以残留附加物的含量同样是产品绿色度评价的一个重要指标。这些残余附加物的来源可以分为三类，一类是为了聚合物改性增强而加入的添加剂，其次是使用中产生的污染，最后是降解产生的物质。表2列出了几种回收聚合物的残留附加物。

表2 PET、PE回收的残留附加物

降低聚合物的残留附加物是提高材料绿色度的重要途径，其中包括合理控制改性添加剂的种类与数量，加强对回收材料的清洗和去污，以及控制聚合物的降解进程。 材料的兼容性 聚合物的兼容性不仅指聚合物本体和添加物，而且指回收过程中与其它可能混合的混合物的兼容性。由于在产品回收过程中并不能够很严格地区分不同种类的聚合物，所以很多时候会有几种聚合物同时进入回收处理程序。图3列举了不同种类聚合物相互之间的兼容性。其中数值1和2表示兼容性较好，数值3和4表示兼容性较差。和其它材料兼容性好的聚合物相对回收较为容易，绿色度也就相对较高。

图3 聚合物材料的兼容性

LCA分析 不同聚合物材料在生产处理过程中会产生不同的环境影响，这种影响可以通过LCA（产品生命周期评定）进行定量计算。图4为我们开发的LCA分析数据库。分别以1KgPP和HDPE为例，对制造过程所消耗的原油，排出的CO2和废水进行LCA分析，结果如表3所示。

图4 LCA程序及相关数据库

表3 HDPE和PP的LCA分析结果

从表中可以看出，不同聚合物材料往往在环境影响的各个方面互有优劣，选择不同的关注点，会产生不同的评价结果。例如，如果生产企业废水循环体系完善，废水影响可以不计，仅考虑CO2排出，显然PP的LCA分析结果不如HDPE。但如果以废水为主要指标，则HDPE不如PP。 生产回收工艺 LCA分析只是显示了材料在生成中产生的环境影响，在评价聚合物的绿色度的时候，则要将LCA分析结果和前面的几个判断指标相结合进行综合评价。全面考虑产品生产、回收及废弃情况，才是对材料全面的绿色评价。 在产品生产过程中，采用一步法和两步法所导致的环境影响显然不同。在这方面，加工性能好、可以一步法成型的材料在产品生产方面，绿色度就要好于加工性能不好的材料。 在回收阶段，机械法回收的环境影响要大大小于化学法。 在废弃阶段，不仅单纯焚烧和再能源化所产生的环境评价结果截然不同，就是焚烧处理中单独焚烧或共焚烧的不同选择，也会导致不同的环境影响。 结论 聚合物材料的生命周期是一个非常复杂的过程。要准确分析评价聚合物的绿色度，就需要对材料的整个生命周期进行全面的考虑。本研究从5个方面对聚合物材料进行了分析，以初步建立一个较全面的聚合物绿色度评价体系。如何确定各方面指标的定量评价方法，如何合理确定各指标在整体评价体系中的权重，是下一阶段的工作重点。原载《中国塑料橡胶》(end)

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