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(二)支持部门合作研发回收材料的新应用16
(三)资助可循环利用新材料和回收新技术的研发16
图表目录
图表1:
产品全生命周期中可循环使用能力判断2
图表2:
汽车制造业碳纤维重量和成本情况5
图表3:
碳纤维复合材料循环体系的建立7
图表4:
生物塑料循环体系的建立10
图表5:
增材制造的六种技术类型11
图表6:
增材制造设备客户的收益分布11
图表7:
已采用增材制造技术来改善循环经济的部门14
图表8:
增材制造材料循环体系的建立16
前言
新材料技术应用为社会经济的可持续发展提供了动力,为循环经济的建设注入了新的活力。
与此同时,新材料的回收利用问题也同样引发了人们的关注。
英国绿色联盟(GreenAlliance)2017年2月发布了题为《发展新材料循环经济》的报告。
报告分析了建立新材料循环经济的必要性以及发展新材料循环经济的路径,在此基础上详细分析了碳纤维复合材料、生物塑料和增材制造材料三大细分新材料领域循环体系的建设,并对发展新材料循环经济提出了相关的措施建议。
赛迪智库原材料工业研究所对该报告进行了编译,希望能为我国相关决策部门提供参考。
新材料是指那些在某种程度上对工业系统而言是全新的材料。
如纳米材料、石墨烯和稀土元素等。
对于新材料而言,重要的不是这些材料的存在,而是它们是否可以实现工业领域的规模应用。
而循环经济则是指尽可能长时间地维持材料的最高使用价值。
为此,产品在设计的时候必须确保其耐用性、易修复性和可回收性。
目前工业用材料的类型越来越复杂,这不仅体现在产品品种上,也体现在产业规模及如何结合使用方面。
许多新材料的开发改善了环境,如轻质材料可提高燃料运输效率,但随着材料复杂性的增加,则很难从废弃产品中恢复其价值。
而且新材料的回收还需要新的废物管理基础设施。
如果在开发新材料的早期阶段就考虑到这些因素,则有望避免潜在的问题。
一、建立新材料循环经济的必要性
产品使用的全生命周期过程及其原始价值的可回收性,是由一系列相关因素决定,见表1。
其中一些因素是材料固有的,而其他因素则是使用材料的产品固有的。
而产品生命周期结束指的是最后一个用户使用完并丢弃某一产品。
此外,生产过程也会产生废物,正如表1所示,许多因素可以增加回收价值。
本报告将重点关注规模化应用的产品所涉及的材料和工艺,并探讨如何充分利用这些材料和工艺。
产品全生命周期中可循环使用能力判断
特征
可能循环使用—>
不能循环使用
价值具有高附加值或丢弃后具有严重环境危害的产品或材料,需要对其回收进行投资
高
中
低
控制、收集和沟通控制或收集己知数量材料或产品的能力,可以有效支持建立循环模式
单一所有者
两个所有者
多个所有者
回收、改造和再利用的便利性当产品或材料的性能更易于改造时,更有可能建立循环系统
简单
中等
困难
变革速度如果某一产品或材料功能变化太快,则不会进行回收投资。
在材料替代、技术发展或时尚迅速改变需求的情况下,这尤其成为一个问题
缓慢
快速
集中与污染当材料被分解或受污染时,回收或是成本高昂或是根本无法实现
干净且集中
受污染和被分解
通常回收包括三个过程:
一是收集。
任何产品或材料回收的第一步是,确保其实现可再生回收或循环利用的条件,这一过程通常称为“逆向物流”。
收集的过程主要取决于产品自身价值、市场机制以及立法等要求。
二是分拣。
这通常涉及两个阶段。
分离可回收的任何产品及零部件;
将其余部分加工成材料流。
三是再加工。
再加工的目标是生产出可与原始材料完全相同的材料。
如金属的再加工等。
但是当回收材料过于多样化时,则需要损失一部分材料。
如当电子废物被粉碎并送去再加工后,其中的稀土金属将损失。
二、建立新材料循环经济的发展路径
建立新材料的循环体系,一方面是由于材料价值的因素,另一方面就是政策驱动。
以下描述了建立最大限度实现新材料循环经济的发展路径:
如果某一种材料不能被分离并转化为适于再加工的形式,一是可以投资使用更好的分拣和识别技术;
二是更改设计,以便单独拆除和加工高附加值零部件。
如果某一种材料可从废物流中分离出来,但由于缺乏相关技术或就近运输成本较高而没有进行再加工的设施,那么解决方法一是研究开发新设施。
这将取决于是否存在适当的再加工技术,原料的充足性及再加工材料的市场价值;
二是可与学术界或其他研究机构合作开发解决方案。
但是,如果回收材料的市场不够大,无法维系一个新的再加工设施,那么就需要政府来决策。
如果某一种材料可以进行分离和再加工,但其价格只占其原始价值的一小部分,那么一是提升现有再加工技术;
二是考虑进行商业化推广。
如果与原始替代材料相比,制造商更难使用回收材料,则再加工商可与制造商或其供应商合作,将回收材料转换为适合其工艺的形式。
如果没有收集系统,则需评估材料是否可以支持商业收集和再加工供应链。
这将取决于材料的货币价值和可用数量。
如果材料的价值不够高,或总的市场规模过小,无法支持可行的再加工设施,则只能依靠政策驱动来进行回收。
三、细分新材料领域循环体系的建设
(一)碳纤维复合材料
20世纪50年代起,碳纤维复合材料在运输和可再生能源领域中得到迅速发展。
随着应用的快速增长,对汽车用碳纤维的回收成为重点。
成功回收汽车用碳纤维可以形成一个良性循环,增加汽车部门的材料使用。
由于成本高昂,碳纤维目前仅应用于高端汽车部门。
捷豹路虎汽车公司开展的研究表明,碳纤维零部件成本比钢材零部件成本高出20倍,比铝材零部件成本高出10倍,也就是说,在向大众市场推广碳纤维之前,必须降低碳纤维成本。
汽车制造业碳纤维重量和成本情况
与原材料相比,从加工废物中收集纤维的交易贴现率为20%至40%。
也就是说,从报废车辆中回收优质碳纤维可大大提高低成本纤维的供应,并加速促进向轻量化节能汽车的过渡。
1、存在的障碍
一是材料障碍。
热解是回收纤维唯一的商业化技术。
但热解将燃烧复合材料中的聚合物(重量约为材料的三分之一),其中仅有一小部分能量以热能的形式被回收。
二是技术障碍。
现有分拣或再加工基础设施不适用于纤维回收。
现有分拣基础设施需要进行粉碎,这一过程一是可能导致回收纤维材料过小;
二是可能带来材料的污染。
三是市场障碍。
优质回收碳纤维市场已经供大于求,原因是其从生产废物中回收大量的纤维。
2、面临的机遇
一是产品重新设计。
由于碳纤维复合材料不适用于为金属车辆开发的组装系统,例如螺栓连接和焊接,因此有机会开发更适合于复合材料的方法,同时便于回收环节的拆卸过程。
这将需要更新设计软件,以更好地考虑复合材料的特点。
可以拆除车顶或车身板等部件,以生成纯碳纤维复合材料部件流,通过维修操作进行重复使用,或通过现有的热解设施进行再加工。
二是开发替代回收技术。
一是可利用“流化床热解”技术替代传统热解技术,这项技术可在商业前阶段回收优质纤维。
并更适用于处理废物原料的可变性质;
二是考虑研究热固性复合材料的化学回收技术。
这些技术能够增加回收纤维的一致性,因而可实现高价值回收。
三是增加回收纤维的价值。
一是扩大应用范围,使用回收碳纤维来替代其他材料。
例如,将回收纤维用于非织造垫中,可以提供与玻璃纤维和铝相同的性能,但重量更低。
二是增加回收纤维的一致性,以提供与原始纤维相同的功能,但由于目前仅停留在实验室规模,因此需要进一步投资对其进行商业化推广。
三是通过将回收纤维用于销售给汽车制造商的中间产品中,可以进一步增加回收纤维的价值。
四是改良汽车复合材料中的聚合物。
目前大多数的碳纤维复合材料包含热固性塑料,这是不可回收的,而热塑性复合材料可通过加热进行重新塑形或熔炼,提高其对快速制造的适用性和再循环能力。
聚醚醚酮(PEEK)是汽车应用中性能等同于热固性材料的唯一一种热塑性塑料,但其价格高昂。
因此,需研发可更好地涂覆纤维预制件的增材或新热塑性塑料(即降低粘性)来改良热塑性塑料;
研发可以更好地实现碳纤维-热塑性塑料粘合的涂料(即使得纤维更易于用于制造业的涂料)来改良纤维;
还可以提高热固性聚合物的再循环能力。
碳纤维复合材料循环体系的建立
材料创新
技术开发
技术部署
材料障碍
开发用于汽车的热塑性复合材料研究可回收的热固性塑料
在开发热塑性复合材料的过程中,确定可重塑零件的修理和再利用机会,包括确定二手零件完整性的方法
技术障碍
投资技术的商业化推广,提高回收纤维的一致性。
设计可轻松拆除的复合汽车部件,包括开发更适合复合材料的设计软件
对流化床回收技术进行商业化推广,以便从热固性复合材料中回收纤维
市场障碍
开发使用回收碳纤维的半成品,以便于制造商使用
(二)生物塑料
生物塑料指的是生物基塑料或可生物降解塑料。
生物基塑料是由植物或其他非化石燃料原料制成的塑料,包括常见的塑料类型,如聚乙烯和目前小规模应用的应急塑料;
可生物降解塑料可化学分解成无毒化合物,包括在正常条件下可分解的塑料,以及只有在工业堆肥或厌氧消化设施内才会分解的塑料。
这两个类别并不相互排斥,因为有些生物塑料既是生物基塑料又是可生物降解塑料。
目前,生物基塑料仅占整个塑料市场的一小部分(约0.5%)。
报告重点介绍了可生物降解塑料,即以使用最广泛的、严格用于家庭包装的生物塑料PLA为例。
在某些情况下,与传统塑料相比,生物塑料的功能性更低。
这限制了其应用范围,可能出现多种聚合物用于类似应用的现象,从而给回收带来障碍。
利用现有废物管理系统对生物塑料进行回收可能带来技术障碍,但如不将生物塑料与其他聚合物相分离,则会不利于回收,并产生污染。
并不是所有的塑料包装都进行收集回收。
虽然英国几乎所有地方均收集塑料瓶,但只有少数地方收集其他硬塑料,如壶、桶和托盘,且很少有地方收集塑料薄膜。
即使市场上的所有生物塑料都被收集,目前要维持一个可行的闭环回收工厂供给仍不充足。
一是以废弃生物质用作原料。
可以使用二次原料,如废物或其他工艺的低价值副产物,生产生物塑料。
一方面,对环境影响小;
另一方面,还可以确保英国产量,确保获得相关知识产权。
但是,转用有机废物原料远非易事。
需考虑经济可行性和原料可用性的季节变化。
此外,将废物原料转化为生产生物塑料所需的化学材料的许多过程都依杦于大量消耗资源的酶。
为了促进生物塑料废物原料的使用,有必要采取以下措施:
✓绘制可用的原料,包括保证其供应数量和适应任何季节性变化;
✓确定从特定废物流到特定生物塑料的最直接转换路径,如来自乳制品废物的PLA;
✓优先生产平台化学品,即可生产许多其他化学品的化合物,例如,利用农业废物中的纤维素生产乙醇;
✓必须加强食品生产和制造业部门之间的合作,以增加用作原料的废弃生物质的使用。
应召集公共部门,提供信息和资助。
二是改进分拣过程。
为了防止建立的回收流被污染,必须按照聚合物类型识别和分拣塑料。
虽然这可以通过近红外光学分拣技术来实现,但不是所有设施都拥有这一技术,即使有,含有黑色素或完全被标签覆盖的产品可能加大这一技术的复杂性。
幸运的是,近期引入市场或接近市场的许多解决方案,使用光学技术来提高分拣效率。
此外,正在开发数字水印和荧光油墨,以实现更细粒度的塑料分拣。
三是选择性使用可生物降解塑料。
在普遍采用光学分拣技
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