复合材料的回收和再利用前景广阔。复合材料行业,经过50年的发展历程,取得了辉煌的成绩。首先是产业规模不断扩大,90年代初期的行业产值只有10多亿元,生产企业2000多家、从业人员几万人;2007年产值超过500亿元,生产企业4000余家、从业人员达到几十万人。同时工艺技术水平不断提高,90年代手糊工艺一统天下,如今模压、缠绕、拉挤、真空灌注等各种工艺百花齐放。再次产量快速增加,90年代产量只有8万吨,2007年总产量达到160万吨,超过日本、欧洲,位居世界第二。另外产业结构发生变化,90年代初期的机械化成型比例15%,2007年机械化成型占60%以上;90年代初期主要产品是波形瓦、浴缸、管罐,2007年已经形成风力发电叶片、压缩天然气气瓶、汽车复合材料、冷却塔、船舶、整体浴室、管道、渔具等,具有较大规模的独立的产业集群。最后科技创新取得重要成果,开发了风电叶片、船舶等复合材料设计技术;缠绕机、拉挤机、压机等成型装备设计制造技术;各类标准化和专利、检测技术;针对不同产品有专用设计软件技术;质量管理方面众多企业通过了ISO9000、ISO14000、ISO18000、ISO16949认证体系。再有就是应用领域扩大,复合材料作为新材料在国民经济中,发挥越来越重要的作用,除在军工领域应用外,从原来的简单替代,逐步变成能源、交通、化工、电力等领域必不可少的材料。
当前金融危机形势下,国家拉动内需的政策的出台,对于复合材料行业是一个非常重要的机遇。复合材料行业面临一个新的大发展时期,如城市化进程中大规模的市政建设;新能源的利用和大规模开发;环境保护政策的出台;汽车工业的发展;大规模的铁路建设;大飞机项目等。在巨大的市场需求牵引下,复合材料产业的发展将有很广阔的发展空间。到2010年中国复合材料的产量将超过美国,总量达到世界第一。然而复合材料行业也面临着一些问题和挑战。首先是发展方式的转变,从又快又好向又好又快发展的转变;从数量规模向质量效益的转变;其次是日益严峻的环保压力,复合材料废弃物的回收和再利用;节能减排的法律要求;还有市场竞争方式的转变,价格竞争变成技术、服务竞争,技术壁垒、专利保护成为竞争手段。复合材料废弃物的产生是行业发展的必然,产量的不断增加导致过程中的边角余料增多,以及一些生命周期结束、丧失功能的产品。复合材料行业回收再利用的现状是数量巨大。全国应该有几十万吨的待处理的废弃物,已引起国家和相关部门重视,并开展相关的工作。目前没有形成专业的规范的集中的处理方式,现有的解决方式是填埋、堆积、焚烧。国家相继出台了一系列针对回收再利用的政策,2000年国家实施《中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法》;2007年度国家发布《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》中明确规定,固体废弃物的资源综合利用是国家优先发展的领域之一。
解决问题的途径首先是要从根源治理,科学设计、合理使用材料,减少边角废料的产生,发展热塑性复合材料等可降解可回收的材料。目前需要处理的复合材料,大部分是热固性复合材料,因为其自身的特点回收和再利用存在一定困难。但我们在设计时考虑延长寿命、成型方式、选择材料等方面加以克服,在设计思想上充分考虑制造过程、使用过程对环境的影响,如对那些强度指标要求不高的产品,可以考虑采用热塑性复合材料、天然纤维复合材料;对那些有强度要求的结构部件,可以考虑采用高性能复合材料,延长使用寿命,减少部件失去功能后造成的废弃物的产生。其次要过程控制、改进和提高工艺,提高机械化成型比例,使用低排放、低挥发树脂,减少排放,推广使用回收材料。复合材料在制造过程中的边角废料,是最主要废弃物产生的途径之一,因此要高度关注、对过程加以控制,如低排放材料的推广使用;使用部分回收材料代替原材料;选择制造工艺时,尽量采用机械成型,减少制造过程中产生废弃物和废品;在模具设计时就减少飞边、边角的出现。还要研究集中处理方法,解决行业共性问题,建立综合回收处理基地,形成规模产业。目前国内外对复合材料的处理大部分,是采用集中处理的方式,处理的方式有以下几种:能量回收方式——焚烧、化学回收方式——热解、粒子回收方式——粉碎。
关于能量回收方式焚烧。能量回收技术有液体床技术,旋转炉技术和材料燃烧技术等。热塑性玻璃钢能量含量较高,适用于这一方法。但热固性玻璃钢中,如汽车中用量最多的SMC,其有机物含量和能含量较低,而灰分含量很高。灰分中高含量的氧化钙,对新SMC的熟化反应有不良影响,因此不能用作填料。灰分通常采用填埋的方法处理。而作为化学回收方式的热解,是将一种物质在无氧的情况下利用高温(不燃烧),变成一种或多种物质的方法。用高温分解的方法来回收利用热固性复合材料制品有较大的难度,费用较高,但回收利用的效果较好。热解法适用于处理被污染的废弃物,例如处理经油漆、粘接或混杂材料的热固性复合材料部件。在无氧的情况下,高温分解使热固性复合材料废弃物分解成燃气、燃油和固体三种回收物。其中每一种回收物都可以进一步回收利用。工艺设备由原料处理及喂料系统、高温分解反应器、提纯和洗涤系统、控制系统和出料系统组成。回收的燃气用来满足热分解的需要。多余的燃气通过管道可供锅炉及内燃机混合使用。固体副产物能用作SMC、BMC、ZMC,和热塑性塑料的填料。它已成功地应用于A级表面的SMC制品。粒子回收方式“粉碎”,是直接利用热固性复合材料废弃物,并不改变化学性质的方法。回收设备主要是由废料输送机、成粒粉碎机、鼓风机旋风分离器、定量供料箱、分级设备和集尘机等组成。粉碎后碾磨成的细粉含有一定量的玻璃纤维。它的分散性很好,可制得具有高附加值的增强型材料。
用细粉取代CaCO2填料和玻璃纤维制得的BMC制品结构特性,为标准材料制得BMC制品的70%,而充模性能提高50%~100%,密度下降10%~15%。粉碎回收法无论从技术可行性,还是实用性来讲最为可取。可回收的热固性复合材料废弃物品种较多,对用一般方法难以回收的热固性复合材料废弃物(如BMC废弃物)也能较好的回收,且不会对环境造成污染,是解决热固性复合材料废弃物污染的一个重要发展方向。目前国内外主要采用的方式是,美国以化学回收方法为主;日本以粒子回收方法为主,通过产学研建立集中处理的工厂;国内以掩埋为主,部分地区研究尝试采用粒子回收方式,如北玻院、枣强县等。未来国内复合材料回收再利用的发展方向是,借鉴国外的经验,建立集中的工厂、分区域统一处理,与水泥、电厂联合起来,以市场化的方式,由行业组织牵头,充分发挥产学研的作用,联合有实力的企业,利用国家提供的政策支持,系统解决回收再利用,促进行业的可持续发展。对复合材料的回收再利用需要高度重视。中国的复合材料回收再利用的重要时期在2010年以后,要加快复合材料回收再利用产业化建设,发挥行业组织的引导作用,认真执行国家政策,加快产业发展。复合材料回收再利用数量巨大,全国约有几十万吨待处理的废弃物,国家相关部门对此已有重视、并且开展相关工作,目前亟待形成规范集中的处理方式、制度。
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