合成材料的回收利用途径

合成材料的回收利用途径 高二（4）班 孟 想合成材料品种很多，合成树脂（塑料）、合成纤维、合成橡胶就是通常所说的三大合成材料。有机合成材料的出现是对自然资源的一种补充,主要通过化学合成将小分子有机物如烯烃等合成大分子聚合物。有机合成材料不是纯净物，而是混合物；主要原因是有机物在发生聚合反应时，一些分子链较长的分子往往会被拉断，从而形成结构相似、分子量不同的分子聚合在一起，即使是同种类型结构，化学、物理性质相似，也不能叫做纯净物。现代生活中的很多东西都是有机合成材料,比如很多眼镜都是有机玻璃做的,汽车上的内饰,轮胎,生活中的塑料制品,电磁炉上的底盘等。合成材料与天然相比具有许多优良的性能，从日常生活到现代工业和国防科学技术等领域，都离不开合成材料。有机合成材料的出现是材料发展史上的一次重大突破，从此，人类摆脱了只能依靠天然材料的历史，在发展进程中大大前进了一步，新型有机合成材料必将为人类创造更加美好的未来。世界合成树脂的产量已达2亿吨 , 根据各种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种，通用塑料有五大品种，即聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)及丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚合物（ABS）。我国每年的塑料年产量超过2500万吨，居世界之首；废旧塑料回收压力巨大，年需回收1200万吨以上；废弃塑料的主要来源包括塑料薄膜、塑料丝及编织品、泡沫塑料、塑料包装箱及容器、各种日用塑料制品、各式各样的塑料袋和农用地膜等，大量消费后塑料的处理问题已成为当今地球环境保护的热点。普通的合成纤维主要是指传统的六大纶纤维，即涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶和氯纶纤维。与天然纤维相比，合成纤维的原料是由人工合成方法制得的，生产不受自然条件的限制；合成纤维除了具有化学纤维的一般优越性能，如强度高、质轻、易洗快干、弹性好、不怕霉蛀等外，不同品种的合成纤维各具有某些独特性能。2011年，产业用纺织品纤维加工量达900万吨，产业用纺织品纤维加工量占纺织品加工总量的比重将提高到25%；同时，废旧纤维回收再利用占产业用纺织品纤维加工量的比例将达到20%以上；非织造布纤维加工量达300万吨。我国是世界上最大的橡胶消费国，约占世界橡胶年消费总量2700万吨的三分之一，已连续7年居世界第一位：我国也是橡胶资源十分匮乏的国家，75以上的天然橡胶依赖进口；我国还是世界上最大的废旧橡胶生产国之一，废橡胶制品污染问题不容忽视。废橡胶的利用形势将比较严峻。因此，正确处理和利用废旧橡胶，是推进我国橡胶工业科学发展的必然选择。1. 废旧塑料制品的回收利用途径塑料的确给人们生活带来了方便和实用，但是这种方便却带来长久的危害。废弃塑料的主要来源包括塑料薄膜、塑料丝及编织品、泡沫塑料、塑料包装箱及容器、各种日用塑料制品、各式各样的塑料袋和农用地膜等；另外，工程塑料在汽车及电器商用领域应用较广，品种多而复杂。汽车用塑料年用量已达40万吨，电子电器及家电配套用塑料年用量也达到100多万吨。随着这些产品逐渐进入报废期，成为废弃塑料不易处理的一个重要源头。据估计，国内废弃塑料年产生量若按塑料年消费量3200万吨的25%估算约为800万吨，再加上进口的废弃塑料400多万吨，国内废弃塑料的年产生量约为1200 万吨；这些废弃塑料的存放、运输、加工应用以及后序处理如果管理不好，势必给环境带来压力。1.1 卫生填埋。废旧塑料由于具有大分子结构，故废弃后长期不易分解腐烂，并且质量轻、体积大，暴露在空间可随风飞动或在水中漂浮。因此，人们常利用丘陵凹地或自然凹陷坑池建设填埋场，对其进行卫生填埋。卫生填埋法具有建设投资少、运行费用低和回收沼气等优点，已成为现在世界各国广泛采用的废塑料最终处理方法。一般来说，填埋场均铺设防渗层，并用机械压实压平，上面覆盖土层，进行绿化，植草、建公园或自然景观，供人们休息游玩。但填埋处理同时也存在着严重弊端:塑料废弃物由于密度小、体积大，因此占用空间面积较大，增加了土地资源压力；塑料废弃物难以降解，填埋后将成为永久垃圾，严重妨碍水的渗透和地下水流通;塑料中的添加剂如增塑剂或色料溶出还会造成二次污染。同时该法填埋了大量可利用的废塑料，这与可持续利用背道而驰。1.2焚烧处置。焚烧回收热能是废旧塑料处理的另一主要方法。将废旧塑料进行焚烧的处理方法具有处理数量大、成本低、效率高等优点，焚烧方式主要有3种： l)使用专用焚烧炉焚烧废旧塑料回收利用热能，所用的焚烧炉有流动床式燃烧炉、浮游式燃烧炉、转炉式燃烧炉等； 2)废塑料作为补充燃料与生产蒸汽的其他燃料掺混使用，这是一项可行而又比较先进的能量回收技术，例如热电厂即可使用废塑料作为补充燃料；3)通过氢化作用或无氧分解，使废塑料转化成可燃气体或其他形式的可燃物，再通过它们的燃烧回收热能。目前，利用焚烧废塑料回收的热能约占塑料回收总量的38%，将回收的热能用于火力发电，发电量占火力发电总电量的6%左右。废塑料焚烧的主要产物是二氧化碳和水，但随着塑料品种、焚烧条件的变化，也会产生多环芳香烃化合物、一氧化碳等有害物质，镉、铅等重金属化合物，这些化合物会随烟尘、焚烧残渣一起排放，污染环境。因此，必须安排气体的处理设施以防止污染，否则这些物质若直接进入大气会破坏臭氧层，形成温室效应、酸雨，危及人类身体健康。1.3 分类回收。作为塑料回收，最重要的是进行分类。常见的塑料有聚苯乙烯、聚丙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯等，这些塑料的差别一般人很难分辨。现在的塑料分类工作大都由人工完成。最近机器分类有了新的研究进展，德国一家化学科技协会发明以红外线来辨认类别，既迅速又准确，只是分拣成本较高。分类回收塑料可二次回用或作为化工原料。1.4 直接利用。废旧塑料的直接利用系指不需进行各类改性，将废旧塑料经过清洗、破碎、塑化，直接加工成型，或与其它物质经简单加工制成有用制品。国内外均对该技术进行了大量研究，且制品已广泛应用于农业、渔业、建筑业、工业和日用品等领域。例如，将废硬聚氨泡沫精细磨碎后加到手工调制的清洁糊中，可制成磨蚀剂；将废热固性塑料粉碎、研磨为细料，再以30%的比例作为填充料掺混到新树脂中，则所得制品的物化性能无显著变化；可用作包装的缓冲中间填科和地毯衬里料；粗糙、磨细的皮塑料用聚氨脂粘合剂粘合，可连续加工成为板材。1.5 熔融再生。熔融再生是将废旧塑料重新加热塑化而加以利用的方法。从废旧塑料的来源分，此法又可分为两类一是由树脂厂，加工厂的边角料回收的清洁废塑料的回收；二是经过使用后混杂在一起的各种塑料制品的回收再生。前者称单纯再生，可制得性能较好的塑料制品；后者称复合再生，一般只能制备性能要求相对较差的塑料制品，且回收再生过程较为复杂。2种或2种以上的聚合物在熔融状态下进行共混，形成的新材料即为聚合物合金，主要有单纯共混、接枝改性、增容、反应性增容、互穿网络聚合等方法。回收塑料的合金化是塑料工业中的热点，是改善聚合物性能的重要途径。1.6 物理改性再生。废旧塑料直接再生利用的主要优点是工艺简单、再生品的成本低廉，其缺点是再生料制品力学性能下降较大，不宜制作高档次的制品。为了改善废旧塑料再生料的基本力学性能，满足专用制品的质量需求，研究人员采取了各种改性方法对废旧塑料进行改性，以达到或超过原塑料制品的性能。采用物理方法对废旧塑料进行改性主要包括：l)活化无机粒子的填充改性；在废旧热塑性塑料中加入活化无机粒子，既可降低塑料制品的成本，又可提高温度性能，但加入量必须适当，并用性能较好的表面活性剂处理。2)废旧塑料的增韧改性；通常使用具有柔性链的弹性体或共混性热塑性弹性体进行增韧改性，如将聚合物与橡胶、热塑性塑料、热固性树脂等进行共混或共聚；近年又出现了采用刚性粒子增韧改性，常用的刚性有机粒子有聚甲基丙烯酸甲酷(PMMA)、聚苯乙烯(PS)等。3)增强改性:使用纤维进行增强改性是高分子复合材料领域中的开发热点，它可将通用型树脂改性成工程塑料和结构材料。回收的热塑性塑料(如PP、PVC、PE等)用纤维增强改性后其强度和模量可以超过原来的树脂；纤维增强改性具有较大发展前景，拓宽了再生利用废旧塑料的途径。1.7 化学改性再生。化学改性指通过接枝、共聚等方法在分子链中引人其它链节和功能基团，或是通过交联剂等进行交联，或是通过成核剂、发泡剂进行改性，使废旧塑料被赋予较高的抗冲击性能，优良的耐热性，抗老化性等，以便进行再生利用。目前国内在这方面已开展了较多的研究工作，用化学改性的方法把废旧塑料转化成高附加值的其他有用的材料，已成为当前废旧塑料回收技术研究的热门领域，并涌现出了越来越多的成果。1.8 热裂解分解。热裂解分解技术是将废旧塑料制品中原树脂高聚物进行较彻底的大分子链分解，使其回到低摩尔质量状态，而获得使用价值高的产品（燃料油或燃料气）。该技术是对废旧塑料的较彻底的回收利用技术。不同品种塑料的热分解机理和热分解产物各不相同，PE、PP的热分解以无规则断链形式为主，热分解产物中几乎无相应的单体；PVC的热分解先是脱除氯化氢，再在更高温度下发生断链，形成烃类化合物。废塑料热分解工艺可分为高温分解和催化低温分解，前者一般在600-900的高温下进行，后者在低于450甚至在300的较低温度下进行，两者的分解产物不同。废塑料热分解使用的反应器有:塔式、炉式、槽式、管式炉、流化床和挤出机等。高温裂解回收原料油的方法，由于需要在高温下进行反应，设备投资较大，回收成本高，并且在反应过程中有结焦现象，因此限制了它的应用。而催化低温分解由于在相对较低的温度下进行反应，因此研究较为活跃，并取得了一定的进展。1.9 化学分解。化学分解是指废弃塑料的水解或醇解(乙醇解、甲醇解及乙二醇解等)过程通过分解反应，可使塑料变成其单体或低分子质量物质，重新成为高分子合成的原料。化学分解产物均匀，易控制不需进行分离和纯化，生产设备投资少。但由于化学分解技术对废旧塑料预处理的清洁度、品种均匀性和分解时所用试剂有较高要求，因而不适合处理混杂型废旧塑料。目前化学分解主要用于聚氨醋、热塑性聚脂、聚酞胺等极性类废旧塑料。1.10塑料降解。降解塑料是塑料家族中带降解功能的一类新材料，它在用前或使用过程中，与同类普通塑料具有相当或相近的应用性能和卫生性能，而在完成其使用功能后，能在自然环境条件下较快地降解成为易于被环境消纳的碎片或碎末，并随时间的推移进一步降解成为二氧化碳和水，最终回归自然。目前可降解塑料主要有光降解塑料、生物降解塑料和同时具有可控光降解与生物降解双重降解功能的塑料。2. 废旧合成纤维的回收利用途径为了满足纺织工业生产所需原料，同时减少环境污染，国内外纺织界同仁都在不断地利用废旧纺织原料再生和开发新的原料资源。回收不仅减少了对天然资源-棉花、毛等纤维的消耗，更重要的是对不可再生资源-石油的消耗，减少了对污染物的处置。目前，可供回收利用、制造再生纤维的原料包括合成高分子废料，主要是合成纤维生产加工过程中的下脚料、边角料、废纱废丝、碎料布片，日常生活中的废旧衣物和其他废弃纺织品，以及其他塑料废弃料如聚酰胺、聚酯、聚丙烯等。 2.1 聚酯的回收利用。聚酯系列制品的应用愈来愈广泛，遍及工业、农业和每个家庭。产品包括服装、玩具、录音录像带、器皿、饮料瓶、汽车的零部件等。聚酯的废弃物到处可见，已造成严重的环境污染。再生聚酯短纤维价格低（是常规聚酯短纤维的75%80%）、用途广、品质指标接近或达到常规涤纶短纤维标准，所以被广泛应用在非织造布和产业用纺织品上，在国内外市场上供不应求，其发展潜力很大。再生聚酯短纤维原料来源广泛、成本低。聚酯瓶（PET）就是再生聚酯短纤维生产的一种主要原料，聚酯瓶经过一系列加工处理即可用来纺丝、制成非织造布和产业用纺织品原料。2.2 尼龙的回收利用。尼龙是聚酰胺类高分子材料的俗称，其品种繁多，有脂肪族尼龙、芳香族尼龙等，其中以尼龙6和尼龙66应用最多，产量最大。尼龙66绝大部分应用于化纤工业，尼龙6则有70%应用于纤维工业，30%应用于工程塑料。回收尼龙的最大来源是废旧地毯，其次是汽车中使用的尼龙工程塑料、安全气囊和轮胎帘子线等，这些制品使用量大，且便于集中回收，组分相对简单，容易进行分类分离处理，从而降低回收成本，提高回收效益。废旧尼龙的回收包括机械回收和化学回收。机械回收指经过适当分离破碎以后回收的尼龙纤维可以作为混凝土结构材料和土壤加固材料，甚至可以直接把废塑料和废玻璃混在一起压成砖块，与普通黏土砖块相比表现出很好的压缩强度；从工程塑料回收下来的尼龙根据需要与新树脂混合，如聚酯、玻纤、无机物等，可作为汽车部件和其他工程塑料使用。化学回收即优化工艺参数，使尼龙在催化剂的作用下，发生解聚反应，得到尼龙6或尼龙66单体，通过重新聚合获得洁净的尼龙材料；除了将尼龙解聚为单体完成回收之外，也可以通过裂解方式转变为燃料油加以利用。日本开发了一套新的反应器系统，通入蒸气进行废塑料热裂解，结果表明，包含聚酰胺(PA6和PA66)在内的8种主要塑料均能被高效率地热解成单体或燃料油加以回收利用。 2.3 聚丙烯的回收利用。成纤聚丙烯(PP)是生产丙纶纤维的原料，由于PP原料应用广泛，如无纺布购物袋、用即弃卫生用品、地毯等，所以一直供应紧张。废PP可以使用螺杆挤压机进行造粒，然后再纺丝。回收PP再造粒时要过反复加热和熔融, PP的化学和物理性质都会发生变化，再造粒的添加剂、挤压条件以及废料中的灰分也会对成品丝的性质造成很大的影响，若性能太差可能导致无法纺丝。在回收PP时，首先应考虑材料的均匀性、纯度、相对分子质量分布以及熔融体的性质。试验表明，微量添加剂的含量也是保证回收成功的重要因素。将再生P P 用于纺丝生产织物时，对于原料有很高的要求，否则纺丝困难。由于地毯用量的增加，以及其他复合材料的使用，使得回收PP成纤聚合物的工作越来越困难。因此PP的回收利用成本相对较高。聚丙烯也可通过热裂解或催化热裂解进行化学回收，通过裂解可得到丙烯单体，再经聚合实现材料的无限次循环利用，同时对环境无污染，但该方法技术要求高，成本亦较高。 2.4 其他纤维的回收利用。 废弃纤维如果成分复杂，难以分离，还可有以下用途。将不同质量的纤维包（ 一个产品通常为23种纤维成分），连同低熔点纤维一并喂入开包机。纤维从开包机被吹送入混棉箱，以将不同成分的纤维均匀混合。成网机将混合的纤维制成均匀的棉网，形成不同纤维三维均匀分布的纤维网或棉网， 棉网的厚度范围为10mm350mm。松散的纤维网被连续喂入生产线的核心设备-带有强制穿透热风系统的双导带热风烘燥机，其加热方式通常为天然气直接加热，或通过蒸汽或热油管道的热交换器加热，实现热粘合。该热粘合无纺布具有良好的隔热/隔音性能、低成本、重量轻、经济又环保、加工工艺简单等特点，可应用于各行各业，如：家用纺织品中的地毯背垫、家具垫料、褥垫保护层；汽车隔热材料；汽车隔音材料中的空气进口、隔壁单元、传动信道、阀帽内里、内外圈冲阀；工业用去污擦拭巾；保护性的包装材料；建筑材料中的隔热材料、隔音材料等。 3.废旧合成橡胶的回收利用途径合成橡胶与天然橡胶制品广泛应用于工业或生活各方面，如轮胎、胶条和、高压绝缘材料、工业橡胶制品、传动带、胶管、垫圈和避孕套等。废橡胶是仅次于废塑料的一种高分子污染物，废橡胶制品主要来源于废旧轮胎,胶管,胶带,胶鞋,垫板等工业杂品；由于橡胶制品难以降解,已经成为名副其实的“黑色污染”。合成橡胶的回收利用途径主要有以下几种：3.1热法裂解。我国发明了废轮胎热裂解技术，其技术达到世界先进水平。废轮胎在高温下分离提取燃气、油、炭黑、钢铁等，1吨废轮胎可回收燃料油550公斤，炭黑350公斤。由于投资大，费用高，且回收物质质量不稳定，这种回收利用方式有待进一步改进后推广。3.2再生橡胶。这是目前处理废旧橡胶再生循环利用最为科学、最为合理、应用最广的一条重要途径。新工艺与技术推动了再生橡胶工业的普及与生产规模的扩大，基本上淘汰了油法、水油法，最高年产量达到300多万吨，占全球再生胶产量的85%，使我国成为世界上第一再生橡胶生产大国，再生胶也成为中国利用废轮胎主要途径。3.3旧胎翻新。翻胎工业是橡胶工业的一个重要组成部分，又是资源再生利用环保产业的组成部分。旧轮胎翻新可延长轮胎使用寿命、节约能源、节约原材料、降低运输成本，减少环境污染。世界平均水平，新胎与翻新胎的比例为101，而我国仅为261，尤其是轿车轮胎的翻新几乎等于零。目前全国我国轮胎翻新产量为1000万条，翻新比例为4%，远远低于发达国家的水平；因而，轮胎翻新，一个古老并新兴的产业很有发展前途。3.4硫化胶粉。中国通过自主创新发明了常温法、低温法生产胶粉的方法，其技术达到世界先进水平，装备出口国际市场。这是一门新兴资源集约型材料科学，是集环保与资源再生利用为一体的高效回收方式，也是发展循环经济的最佳利用形式。胶粉工业在世界和我国均刚刚起步，应用市场滞后，胶粉年产量约30万吨，正以新兴产业的后发优势拓展广阔的发展前景。