塑料工业节能技术与可持续发展战略(1)

塑料工业节能技术与可持续发展战略贯彻“节省能源，节约资源，环境保护，以人为本”的可持续发展战略，是整个塑料工业发展的方向，是产品研发、技术创新的新理念，是科学的发展观。我们必须尽早、尽快地完成从传统观念向科学发展观的这一转变，在塑料工业早日建立起以此为基础的新的发展平台，这将有助于缩小我国与世界塑料工业发达国家的差距。节能技术必将在塑料工业从原料、加工到设备的各领域得到不断的发展。本文从节省能源、节省资源和环保角度论述了塑料工业所发展的重点领域和主流技术。1塑料原料产业中的节能技术1.1高熔融指数树脂其节能实质是提高熔融指数，改善材料的流动性，减少加工中的能耗。嵌段PP：Atofina公司通过转换催化剂获得具有熔体高流动指数、而又保持高冲击强度的嵌段聚丙烯共聚物，熔融指数为20，牌号为PRW265；Eltex公司用成核剂来控制嵌段共聚物的硬度。合成此种节能树脂的难度在于，一种冲击强度高、刚性好的材料，往往与熔体的流动速率之间相互冲突。2001年，荷兰格林DSM化学公司生产出第四代产品，嵌段共聚丙烯，熔体流动指数35，能保持在较低的模腔压力（６0~８0巴）获得薄壁制品，熔融温度从245℃降到225℃，比传统成型循环周期缩短15%，从而有效地降低了加工中的能耗；2000年，丹麦KonggensLyngbyBoreal公司推出嵌段共聚PP，熔融指数为30，吹塑成型可叠放的耐压制品，满足用户期待的这种高流动指数、能缩短成型周期、降低能耗的原料，据称“所减少的壁厚和重量已达到设计的临界参数，流动性和机械性能都得到提高”，生产一个295g桶的保压压力从原来的630巴降到540巴，生产周期缩短15%，使螺杆长径比缩小到22；2004年，Atofina公司推出PPC10642牌号的共聚PP，熔融指数45，比原熔融指数30、35品牌的成型循环周期缩短10%，更省电能；窒素公司开发的非交联高刚性、高熔体拉伸强度的新型PP，比现有熔体拉伸强度高达10倍，而其机械性能与现有的相当，且可以回收利用。一位巴塞尔公司聚烯烃类开发工程师说，“德国的加工用户期望使用高流动性树脂，是为了缩短循环周期，降低能耗”，又说“我们感兴趣的是设备循环周期，这是我们将流动指数从13、14调换为30的真正诱因。我们期望得到降低容器壁厚而保持冲击强度的材料，大家都在寻找这种高冲击强度与高流动性之间相平衡的材料”。选择树脂必须考虑加工中的节能，因为现在挤出机、注塑机、吹塑机等的塑化装置大都是螺杆式，其剪切作用是加工的主导机理，大部分的电能、机械能都消耗在高分子塑化与流动时的粘性耗散上，因此提高熔融指数是节能有效措施。否则，再好的材料也难以推广应用。例如，茂金属聚烯烃塑料（MPE、MPP、MPS等），采用茂金属催化剂，使大分子主链上的支链减少，能精确地控制分子量，使分子量分布得很窄，杂质极少，因此，性能优越。但是，由于分子量高，加工难度大，挤出纯的MLLDPE时，背压太大，现有挤出设备难以承受，为适应加工，目前，只能加入40%的LDPE或HDPE进行共挤，因此可以预测茂金属聚烯烃推广应用的关键，仍是加工中的节能问题，是如何提高熔融指数，但又不以降低性能为代价。同样的例子还有，超高分子量聚乙烯（HUMDPE），分子量从200~500万，具有强度高，冲击韧性好，摩擦系数小，防静电性强等十分优越的性能。但同样面临加工上的困难，有的为改善其加工性能加入低分子量聚合物，但对超高性能带来了影响，变成准超高分子量聚乙烯的加工；采用液晶通过原位复合的机理提高强度，用自身的低粘度和热迁移特性改善其加工中的流动性，但用此项技术稳定地生产还尚须时日。由此不难看出，从加工节能角度研发新材料显得十分重要。1.2增强复合塑料1.2.1纳米增强复合塑料（n-MHT）其节能实质是充分利用高分子的聚集态结构的特点，填充纳米级粒子使其共混、改性，提高比强度、比刚度，节约纯树脂的消耗量，是极有节省能源和资源潜力的有效途径。１９90s年代北美推出TPO基纳米复合料，用5%n-MHT增强TPO，使其刚度提高到相当于加入25%~35%滑石粉填充PP的效果；丰田汽车用纳米滑石粉填充PP（60）/EPP（30）复合塑料，使汽车保险杠的厚度从4mm减至3mm，重量减轻1/3；荷兰TNO公司，用纳米粘土与嵌段共聚物共混改性，使之完全混合，已成功地生产出PA、PE、PP、PS、PMMA、PU等粘土纳米复合料；美国Fordco利用超临界流体技术预热粘土，改善纳米粘土晶片的分散与扩散，在加工中利用超声波能量提高纳米粘土的分散，大大减少了溶剂用量；美国NanomatCO公司将纳米碳酸钙（n-CaCO3，最大平均粒径100nm）用于PC、ABS、PVC、TPE和热固性塑料SMC的改性，效果很好；新加坡NanoMater公司，开发n-CaCO3（粒径15~40nm，商品名NPCC）加入2%~4%，可使UPVC管材的冲击强度提高6倍，减少增塑剂（CPE）用量50%，据悉，此项目已在我国山西投产，目前产量10t/a；美国俄亥俄州大学用压力使熔融树脂进入纳米微孔SiO2的微粒中，使分子间形成牢固的化学键，将基体材料的强度提高3~4倍，冲击韧性提高4~5倍，这种现象称为“协同增韧”或“跨粒子增韧”，当材料受外界冲击力时，可将其化为几百万次的小冲击，使穿过复合材料延伸的裂纹变得越来越细，一直到冲击能量消失为止；新型纳米增塑剂，是一种采用多面体低聚倍半氧硅烷（简称POSS）合成具有纳米结构化学改性的SiO2微粒，能溶于树脂中，使分子分散，保持低粘度，加大充填量，能与树脂融合为一体，而又不降低加工流动性能。当温度降低到POSS熔点以下时，能立即固化，形成纳米结构，起到增强作用。POSS的另一特点，是它的单体或齐聚物都与树脂发生接枝共聚，使玻璃化温度高于树脂本身的分解温度，而接枝的分解温度又比树脂提高40~400℃，从而在高温下能保持良好的加工流动性和节能效果，被称作是50年来研发产品的全新思路；碳纳米管是1991年问世的，是比强度、比刚度极强的复合材料，其技术本质是由石墨中的若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维网，内部是空的，直径只有几十纳米，是人发的十万分之一；密度仅为钢的1/6，但机械强度却是它的100倍，导电率为铜的1万倍，有极高的表面活性，表面原子数约占50%，有很高的储氢能力和吸附能力，特别对微波的吸附；并且是迄今为止，唯一一种能从太阳至地球进行悬挂而不被自重所拉断的绳索材料，是理想的远距离输电材料。据悉，我国碳纳米管已居世界前列，日本三井物产公司宣布2002年9月投产运行量120t/a，而清华南风纳米粉体技术产业化工程中心，已批量投产15kg/h，达120t/a；国内安徽国通高新管业有限公司，利用纳米滑石粉，及纳米硅酸盐（脱土）复合母料，应用在生产大口径φ500mm以上HDPE双壁波纹管，既保持了高流动性，解决了加工中的能耗问题，使原加工设备的驱动功率能满足要求，又解决了因管子口径过大使刚度值降低的问题。纳米设备的关键是填充母料的造粒问题，因为纳米粒子表面上的原子是处于高活化状态，易于团聚，如直接填加到树脂中难以分散均匀，需要研发新型双螺杆挤出机和高速、高效节能配混设备。1.2.2纤维增强复合塑料纤维增强复合塑料的节能实质，是将纤维材料如碳纤维、玻璃纤维复合纤维与聚合物共混，提高比强度、比刚度、力学性能，达到节能、节材的效果。在纤维增强复合塑料中，有长纤维和短纤维之分。目前，以长纤维热塑性塑料（LFRT）增长最快，因其质轻、价廉、易回收再利用，节省能源、资源，在汽车、机械、电器、船舶、建筑、航空、航天等工业部门广泛应用，约50%的玻纤增强复合料用于汽车的零部件。长纤维增强工艺一般是将玻纤与PP掺合生成连续的粗纱，再挤出切成13~25mm长粒。长纤维比一般纤维增强复合料优异：冲击强度高4倍，比强度高17.2%，尺寸精度高，收缩率为0.2%，流动性能好，节能。美国Vetrotex推出一种长纤维，含量高达75%的PP粒料，价格降低20%~30%；LNP工程塑料公司推出长纤维PA66，代替铸铝材料，机械强度能在-40~140℃承受高载荷，该公司还推出长纤维PBT系列。纤维复合材料的密度1.4~2.1g/cm3，为钢材的1/５~1/４，铝合金的1/2~1/3，其拉伸、压缩、弯曲强度400~600MPa，已超过碳素结构钢。但是，当前加工长纤维增强复合塑料的关键问题，还是成型设备，因为注塑机、挤出机是螺杆式塑化装置，当长纤维通过输送段、塑化段、均化段之后，已被剪成3~5mm，大大地降低了原有的复合性能；另一个问题是纤维在高分子熔体流动方向的取向，使制品产生各向异性，影响使用性能，这是成型工艺与设备有待解决的课题。1.2.3木塑复合塑料木塑复合塑料的节能实质是利用天然木材加工的废料（如木屑、木粉、麻纤维、果壳、稻糠、纸浆、桔杆、竹粉等）进行超细化表面处理，与合成树脂共混，充填量可高达50%，成型的制品可锯、刨、钻，且吸水率低，受潮不变形，不含甲醛，符合环保、阻燃等安全要求。过去，木屑、木粉、废料等大都烧掉，既浪费大量资源，又造成环境污染。木塑复合料做为一种节能、节材、环境友好材料引起国际上普遍关注，研究成果也很多。10年来，北美木塑复合料每年以50%的速度递增。发展木塑复合塑料在我国更具意义，因为2000年我国木材需求量高达10190万m3，供应量6390万m3，缺口高达3800万m3。木塑复合材料主要用在建筑业（建筑铺板）、汽车业（门板、后搁物板、顶蓬、高架箱、防护板等），仓储业（托盘、垫板、包装箱），交通运输业（公路噪音隔板、防护栏、座仓隔板、铁轨枕木），农业（棚架、槽、水桶），设施（地板、露天桌椅、棚栏、梯子等）。以托盘为例，国内市场需求量约1亿，90%以上要改为木塑，需发展产量1000万吨，价值600亿人民币的新兴产业。但是，生产木塑复合制品有许多关键技术：树脂、木粉的制造技术、木粉的干燥技术，木粉界面的处理技术；在注塑、挤出、吹塑设备中要求单螺杆或双螺杆对木粉有良好的分散性、浸润性、混炼、剪切、排气、脱水、脱挥、排除气泡功能；塑化部件要耐腐蚀、耐磨损；设备应具有对上述工艺条件及物料在各部位停留时间的精确控制的功能。2管道化、连续化、节能合成设备近年，在塑料合成业中，把双螺杆挤出机作为一种反应器，代替传统的间歇性操作的釜式反应器，进行本体聚合、接枝、共聚、交联、偶联，实现管道化、连续化、规模化、高效率地合成，极大地节省能源和资源。双螺杆挤出机作为反应器以其独特的结构型式，在双螺杆的不同部位，通过正反螺纹块的大小螺距的组合、正反向捏合块的不同组合，通过啮合区的纵向和横向开放程度、螺棱所围成的容积和通道来控制物料的交换、混合、输送，聚合引发、增长、终止和脱除残留单体；用螺纹块和捏合的组合长度控制物料在各部位的停留时间和压力分布；通过排气段的组合结构控制脱挥和防止冒料，最后，将合成好的聚合物，通过挤出机的机头、口模直接挤出造粒。把双螺杆作为反应器应用在树脂合成业上，这是对合成设备的一场革命！受到各国的普遍重视。目前，较多的是做TPU的反应挤出机，用在热塑性聚氨酯的合成上，还有的用己内酰胺和纳米蒙脱土（nMT）、十六烷基三甲基气化铵（C-16）、2,4—二甲苯二异氰酸酯（TD1活化剂）、己内酰胺钠（催化剂）在双螺杆不同部位完成输送、聚合引发、增长、脱挥，挤出聚酰胺6/蒙脱土纳米复合塑料。这种设备的技术关键是根据不同组分和单体的聚合反应要求，对双螺杆输送段、反应段、排气段、挤出段等，以及各段螺纹组合块和捏合组合块的结构、组合形式进行实验与设计。在反应挤出机的大型化方面，在工艺制造和动力配置上都具有难度。3制品成型的节能技术3.1多层化技术其技术实质是通过复合技术成型出多层制品，以节能、节材、环保和多功能为目的。通过多层吹塑、多层挤出、多层注射，成型出各类满足节能、节材、环保和多功能要求的多层制品。3.1.1多层中空技术其技术实质是使多组分共挤出的型胚，在模具中用压缩气体吹胀复合成多层中空制品。最典型的例子是多层塑料油箱，由于燃料中的烃分子可以较容易的穿