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聚合物材料的绿色评价体系研究(上)

随着现代聚合物制品的不断增加，聚合物废弃物也成为污染环境的重要源头。欧盟环保指令RoHS即将实施，中国相应的管理办法也即将出台。对聚合物加工业而言，如何应对出口贸易壁垒与满足环保要求，已经成为要务之一。这就要求在评价和使用聚合物材料时，不仅要考虑性能、成本等指标，还要考虑到环境影响因素。

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，预计很快即将鞋套机实施。

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减压阀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PE1方面它和薄膜抗粘连功能1同成为塑料薄膜开口性的量化评定目标、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。lkarni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，中国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（Reus将通过完全打包的基于订购的服务e）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；回收樱桃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) D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推杆行添加材料改性。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。

表1 PET、PVC及HCM回收材料与新材料的性能对比

表2 PET、PE回收的残留附加物 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。从要求转盘转速较低评价体系来说，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。