聚合物基复合材料废弃物几种处理方法概述

玻璃钢2010年第1期

聚合物基复合材料废弃物几种处理方法概述

张建川1，陆民宪2，杨薛军3（1.上海玻璃钢研究院有限公司，上海201404；2.上海建筑材料（集团）总公司，上海200002；3.中国人民解放军驻上海海天局804所军事代表室，上海201109）

摘要本文简述了聚合物基复合材料特点及应用情况，随着时间推移其数量日益增多，外加上环保要求的提高，使得其后续废弃物的处理压力也随之增大。通过分析其废弃物特点，并结合相关处理经验，对其废弃物处理提出了几种方法，并对处理工序等加以详细阐述。关键词：聚合物基复合材料废弃物处理掩埋重复使用

1前言

作为制造人类有用器材的一类物质，材料在人类征服自然、创造人类文明的过程中起着支柱作用。随着人类的不断进步，材料先后经历了从天然材料的石、木过渡到陶瓷、金属，以及高分子合成材料的巨大变化，如今又进一步发展到用优异材料巧妙组合的高性能阶段。如以材料变化作为历史分期的标志，则人类经历了石器时代、青铜时代、铁器时代，现在正处于金属时代和高分子时代；但从目前材料合成化、复合化的发展趋势来看，不久的将来将进入复合材料时代。

2聚合物基复合材料性能及应用概况

复合材料按基体类型不同可分为：聚合物基（又称树脂基）、金属基、陶瓷基、水泥基4大类，本文主要讲述聚合物基复合材料（又称玻璃钢、纤维增强塑料）废弃物的处理方法。聚合物基复合材料至少由聚合物基混合物和纤维组成，是材料科学与材料工程相结合的产物，因而能将材料组成、结构、制造、性能及其在使用过程中表现出的诸因素进行优化，进而按需要进行设计，采用新工艺、新技术制造出性能优异的新型材料。与自然界构成的竹、木、贝壳、骨骼等天然复合材料，以及传统的金属、工程塑料等相比，作为至今大约70多年发展历史的材料新群体而言，具有低密度、高强度、高刚度、隔音、隔热、耐疲劳、耐腐蚀、绝缘、维护费用低、便于设计等一系列优良性能；其不足之处是耐温不高、成本较高。聚合物基复合材料以其优异性能，以及设计自由度大、各种造型都易实现等特点，而被广泛应用于建筑、化工、交通、运输、能源、机械、电器、电子、医疗、体育、运动、国防、军工、航空、航天、航海、食品等领域，近年来更成为新能源、交通、环保、航空、航天、建筑、国防等领域的新宠，其发展速度和应用深度呈强劲增长趋势。据中国复合材料工业协会发布的数据表明，截至2007年底，中国复合材料行业的年增长率大约为12～15%。表1为1995～2007年中国大陆复合材料发展变化情况[1]。表11995～2007年中国大陆聚合物基复合材料产量统计表单位：万吨项目1995199619971998199920002001200220032004200520062007热固性复合材料151722253048505460114126140160

热塑性复合材料2.52.533.5810151722304047.854

玻璃纤维/环氧树脂覆铜板444712119912.4223550.458

合计21.523.52935.55069748094.4160201238.2272我国自1958年开始发展聚合物基复合材料产业以来，至今已有50年历史，早期制造的产品产量虽无法准确统计，但使用寿命无论按20年、30年，还是按50年计算，均成为废弃物；表1产量产品在一定时期后也将成为废弃物；再加上近年来仅生产阶段的废弃物每年就达10万吨以上（据不完全统计），由此可见其数量十分可观。因此后期废弃物处理仅从数量来说，便面临着巨大压力。

3废弃物种类与数量

3.1废弃物种类按不同标准或要求，聚合物基复合材料废弃物分类情况见表2。表2聚合物基复合材料废弃物分类情况分类依据聚合物基复合材料废弃物分类情况使用性能结构性、功能性、结构与功能一体化类熔化溶解热固性、热塑性类基体材料不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、热塑性树脂、特种树脂等类增强材料玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、天然纤维、陶瓷纤维、金属纤维等增强类分散相形态连续纤维、织物、编织体、片状、短纤维、晶须、颗粒等增强类产生阶段生产、检验、报废、过时、使用后等产生地生产单位、使用单位、中间商等3.2废弃物数量至今为止，聚合物基复合材料产品种类达40000多种，成功用于工业生产的成型方法已有20多种。根据产生阶段不同，其废弃物来源与数量大致如下：一是生产时的下脚料或边角料。因生产工艺不同，平均约占材料消耗质量的2～10％。比如一般手糊工艺要求余边不超过5mm，要求严格的也只能控制在3mm以内，以这样计算，手糊工艺制作时产生的下脚料约占材料消耗的3～10％，个别小件产品超过10％，即每生产100吨制品平均约产生4～6吨废料。目前我国手糊成型工艺约占60％，如平均按4％计算，则2006年约6万吨。由于各单位生产水平不同，外加上其它工艺产生的，故实际生产时产生的废弃物数量远远大于此。二是生产过程中不符合要求的残次品、废品。因各单位生产技术水平、产品品种、制作工艺等不同而不同，平均约占产品质量的1～2.5％。如仍按2006年计算，则约2～5万吨。三是使用后丧失功能的复合材料产品，主要指使用期满报废及使用期内损坏后被替换。复合材料产品使用寿命短者数月、数年，长者30～50年，使用期满后其废弃物质量约为初使时的95～102％；同时可推知，在不久的将来该类废弃物将占主流地位。图1为1993～2007年我国复合材料产量和根据使用寿命推算的废弃物累积数量。

050100150200250300

199319961999200220052008201120142017202020232026202920322035年

万吨

废弃物1指使用寿命为20年废弃物2指使用寿命为30年图11993～2007年中国复合材料产量及废弃物累积数量四是产品因升级换代等而报废。这类产品多为机械化、规模化生产，平均约为产品质量的1％。由上可知，2008年我国复合材料废弃物数量约30万吨，以后将呈逐年增长之势，预计到2022年左右将达100万吨以上。如平均按1000吨废弃物堆满1个足球场来计算，则2008年就需300个足球场土地，合3213亩，由此可见其土地浪费之大。

4废弃物处理迫切性

凡事有利就有弊，复合材料在以轻质高强、耐腐蚀等优良性能广泛应用于各行各业同时，也使得其废弃物处理因其高强、耐腐蚀等而变得非常棘手。聚合物基复合材料工业化始于

复合材料总量废弃物1废弃物21932年，发展初期因量少、认识不足及环保资源观念淡薄等原因，多用掩埋、直接燃烧等方法进行处理。几十年的处理事实证明：掩埋将永远不烂，并析出有毒物质，进而造成土壤和地下水系统破坏、土地浪费、环境污染等；燃烧则黑烟冲天、气味难闻，并放出大量有毒气体。1990年后，随着其快速发展，使得废弃物数量越来越大，外加上前期处理的后续负效应等，使得人们逐渐认识到如仍按传统方法处理复合材料废弃物这个“烂刺猬”，将对大气、土壤、环境造成进一步、持久而且更加严重的污染。鉴于复合材料废弃物及传统处理方法特点，以及我国人均资源十分贫乏等现状，并根据21世纪环保、资源、循环经济发展趋势，于2000年前后中国开始实施《可再生能源法》、《清洁生产促进法》、《循环经济法》、《大气污染防治法》、《固体废物污染环境防治法》等；近期国家发改委、科技部和环保局又联合制定了《汽车产品回收利用技术政策》[2]，要求2010年时车辆可回收利用率达80～85%，复合材料等材料的再利用率不低于75～80%。同期或更早阶段欧美各国环保当局也曾明令：如不解决玻璃钢／复合材料的再利用问题，将限制其发展；并对汽车行业做出“到2015年汽车废旧材料利用率将达到95%”的硬性量化规定。由此可见复合材料废弃物处理，不仅事关其对环境影响的大小，更事关复合材料产业在新形势下能否继续生存、能否可持续发展、能否与社会协调发展等重大事宜。对此，一方面在前期基础上，通过研发具有先进性、协调性、舒适性的环境材料来减轻后期产品对环境造成的压力；另一方面通过新技术，对前期废弃物进行再循环利用，即通过减量化、资源化来减轻压力，进而实现可持续发展。简而言之，发展趋势对复合材料废弃物处理提出了严峻挑战。

5废弃物处理方法

热固性、热塑性聚合物基复合材料，均由纤维、填料、树脂基体等混合物组成，也即由无机和有机材料组成；其废弃物除复合材料外，可能还包括金属插入物、塑料、木材、油污等其它物质，因而使得其废弃物成份更复杂、处理更难。因无机材料不能燃烧，如分解则需较高温度、较多热量，因而对其可实施材料再循环法处理；对于有机材料，燃烧可放出大量的热，在较低温度下也可发生分解、降解、化学反应等，因而对其可实施能量回收法、化学回收法处理；同时也可实行多种方法联合处理。简而言之，根据废弃物材料成份、特性，其处理方法主要分为物理法（材料再循环法）、化学法（化学/能量回收法）、物理化学法（化学/能量回收与材料再循环联合处理法）3大类。在分析复合材料废弃物特性基础上，并借鉴国内外废弃物研究、处理与使用情况，以及其它工业废弃物处理方法，再结合国内实际处理条件和基础，对复合材料废弃物处理提出掩埋法、重复使用、机械材料再循环（又称物理粉碎法或填料法）、焚烧能量回收法、热裂解法、化学水解法、水泥制造法等7种可能处理方法。其中，前三者为物理法，中间者为化学法（以能量回收为主），后三者为物理化学法。