废旧塑料的再生及其在制管行业中的应用

2013-01-30陈冬年顾焰波刘显明

再生资源与循环经济 2013年11期

陈冬年，顾焰波，刘显明

（南京理工大学泰州科技学院化工系，江苏泰州225300）

塑料是三大合成材料之一，自发明以来，因其独特的性能，而在人们的生活、生产中获得广泛的应用。塑料的生产和消费量巨大，2012年仅中国累计生产初级形态的塑料5 213.3万t。塑料在给人们生活带来便利的同时，也会产生大量的塑料废弃物，也就是废旧塑料。

塑料废弃物按其来源可分为三大类。一是树脂合成中产生的废料，包括粘釜料、结块料、反应不完全废料、反应过头的一些残渣；二是在塑料成型加工过程中产生的废料，包括开机料、分解料、不合格产品、边角料、飞边料等；三是塑料制品失去使用价值被抛弃而产生的废料，所有塑料制品都有一定的使用寿命，最终都将被当做垃圾抛弃，随着塑料消费量的增加，这类废料必将越来越多。前两类废料是在塑料的生产中产生的，可称为生产废料；后一类是在塑料制品消费后产生的，可称为消费废料。

随着塑料工业的快速发展，上述塑料废弃物日益增加，与环境保护之间的矛盾也日益突出。为降低对环境的污染，必须对这些废旧塑料进行合理的处置。

1 废旧塑料的处置方式

1.1 回收再生利用

废旧塑料的再生是指废旧塑料经过适当的处理后得到再生料，再生料仍用于制作塑料制品。按制作再生料的过程的复杂性可分为简单再生、改性再生。简单再生是废旧塑料经分选、清洗、破碎、熔融造粒等不复杂的过程制作再生料的过程。由于气候老化等原因，废旧塑料相对于新生塑料其使用性能会下降，为提高使用性能，在废旧塑料再生过程中添加改性剂并应用合适的工艺制作再生料的过程为改性再生。

不同的废旧塑料，再生过程有一定差异，但都是从分选开始的。分选对于再生料的品质和用途有至关重要的影响。国内多采用人工分选的办法，一般先将塑料中杂物挑选出来，再按树脂的品种以及废旧塑料的颜色、来源、老化程度等进行分类。鉴别树脂的品种是正确分类的前提，可通过塑化温度、密度、燃烧、外观等方法鉴别[1-2]。发达国家已开发了利用各种塑料光、电、磁、密度、溶解性的差异对废旧塑料进行分选的机器设备，相对于人工分选，机器分选的效率更高[3]。

加工好的再生料也应分类包装贮存，不可混杂，否则会给再生料后续的成型加工带来不利影响。

目前，市场上已有各种再生料出售，塑料成型加工企业可购买使用，但不可为了降低成本而盲目使用。使用前，应对再生料进行必要的性能检测，并进行成型加工试验，调整加工工艺参数，在使用中应注意再生料质量的稳定性。

1.2 回收降解利用

回收降解利用是将回收的废旧塑料经高温或化学试剂处理，其中的树脂高聚物发生大分子链的分解，变成低分子量状态，得到单体、低聚物、燃料以及其他化工产品。主要有热降解、热催化降解、化学降解等方法。比如，废聚乙烯在无氧的条件下加热，高温下会产生各种有机气体或燃料油[4]。高温下可将废聚氯乙烯处理成盐酸和燃料油[5]。废聚乙烯在Ni，Cu，Al等金属混合物催化剂作用下裂解，可制取燃料油[6]。废聚氯乙烯碎屑可在充氧的氢氧化钠溶液中，于150～260℃及高压下氧化成草酸和苯甲酸[3]。

1.3 焚烧回收热能

焚烧法可将不能再生利用的混杂的塑料垃圾在焚烧炉中焚化，产生可供利用的热能。废旧塑料混杂于垃圾中，难以分离出来，但可提高垃圾的热值，当垃圾的热值达3 350 kJ/kg以上时即可直接用于焚烧发电[7]。可将废旧塑料从垃圾中分离出来，制成垃圾固形燃料，也可制成适宜的粒度喷入高炉或水泥回转窑作燃料，用于炼钢或制水泥[8]。要注意焚烧过程中利用各种技术减少二次污染，这样才能达到通过焚烧废塑料来净化环境的目的。

1.4 作为固体垃圾填埋

有些废旧塑料混杂于其他垃圾中，这些垃圾热值不高，但要将废旧塑料从中分离出来成本较高或不能进行有效分离时，往往进行深填掩埋处理。虽然废旧塑料长期不易分解腐烂，但其内部的有害添加剂仍然可能释放到环境中，所以填埋时必须考虑有害添加剂的扩散对土壤和地下水可能造成的危害。

1.5 各处置方式的选择

以上是废旧塑料4种主要的处置方式，它们各有利弊，应针对废旧塑料的状况作出合理的选择。一般而言，当废旧塑料品种单一、不混杂，并且老化程度不深，此时有较好的再生价值，应优先选择再生利用，因为再生利用不仅可减少废旧塑料对环境造成的污染，也可减少资源消耗。当然再生利用的前提是废旧塑料必须进行细致、合理分类，这会使再生利用的成本提高。对废旧塑料进行降解，制备低分子量的燃料或化工产品，是有发展前景的处置方式，但处理技术要求比较高，有些种类废旧塑料降解利用的技术尚不成熟。焚烧回收热能适用于难以再生利用的混杂的废旧塑料，目前西方发达国家较多采用这样的处置方式，为防止二次污染，必须使焚烧设备的燃烧效率和废气的处理都必须处在良好的状态。填埋法不是处置废旧塑料最好的方法，因为土地资源有限，垃圾填埋场地会越来越少，但对于那些毫无回收利用价值的塑料垃圾，填埋法却是目前最实用、最经济的方法。

2 废旧聚氯乙烯（PVC）塑料的再生及其在制管行业中的应用

2.1 废旧PVC塑料再生的方法

2.1.1 单一PVC废料的再生

单一PVC废料有两个来源：一是PVC制品生产过程中产生的开机料、分解料、不合格产品、边角料等；二是仅由PVC制成的制品，比如PVC瓶、管材、门窗异型材等，在使用后产生的废料。这一类PVC废料制成再生料相对简单。一般工艺过程[9]如下：

PVC废料→清理→破碎→PVC再生料

为保证再生料在后续的成型加工中有较好的应用，应按来源、填料含量、颜色等分级分类，不要混杂。

2.1.2 PVC复合废料的再生

为了获得所需要的使用性能，有不少PVC产品都是PVC与其他材料的复合制品。很难从这些复合制品中分离出较纯的PVC塑料，通过简单的机械再生工艺得到的再生料只能用于那些能容忍这些杂质的低端产品中。Solvay公司开发了一种基于选择性溶解原理的PVC复合废料的再生工艺，通过该工艺可获得较纯的PVC再生粉料，但过程较为复杂[5]。

2.2 PVC再生料在制管行业中的应用

能用于生产PVC-U塑料管材的PVC再生料一般都是单一PVC再生料，其品质较好，一般由PVC管材成型加工中产生的废料或是旧PVC-U管材得到。这些PVC再生料可以回用，也可以降级使用[10]。

2.2.1 PVC再生料的回用

PVC一次再生料品质较好，可作为新生料使用，回用于生产原用途管材[10]。

当PVC一次再生料量较多时，可完全使用再生料生产管材。生产时注意工艺参数的变化，适当补充稳定剂、润滑剂等加工助剂，必要时添加抗冲改性剂，提高产品质量，使再生料制品性能达到新生料制品的水平。

当PVC一次再生料量不够生产一批产品时，可将再生料掺入新生料中生产。一般可将5%～15%的再生料均匀地混和在配混料中进行挤出成型加工，其产品性能不会有明显下降。生产中要注意熔体压力和扭矩均会有所下降，出料明显增加，同时也要注意因再生料与新生料塑化性能不同可能导致公差波动甚至挤出失败，但在工艺控制上及时调整，即可得到合格产品。

2.2.2 PVC再生料的降级使用

随着再生次数的增加或老化程度的加深，PVC再生料的一些性能会发生劣化，这些劣质再生料只能降级使用，生产质量要求较低的产品，不可回用。

例如：德国的Westeregeln建设了一个年加工能力为5 000～7 000 t的回收装置，将废PVC管材及管件通过手工分拣，然后破碎制成PVC再生料，以10%～20%的比率掺入新生料中，制成中等质量的管材[5]；由型材、波纹管成型加工过程中形成的甲级PVC再生料，其中填充剂含量少，且大多为白色，可用作生产要求较低的电工冷弯穿线管；由给水管和埋地排污管产生的灰色甲级PVC再生料，可用于生产埋地电缆护管等色彩要求为灰色的低级别的产品，降级使用的再生料中填充剂含量相对少一些，可适当补充填充剂并添加一些其他加工助剂[10]。

也可将PVC再生料降级用到管材的次要部位。例如，可用PVC再生料作芯层材料，用PVC新生料作内外层材料，采用共挤出成型技术生产PVC芯层发泡管材[11]。

3 废旧聚乙烯（PE）塑料的再生及其在制管行业中的应用

3.1 废旧PE塑料再生的方法

由废旧PE塑料制再生料的方法可分为简单再生和改性再生两类。

3.1.1 废旧PE塑料简单再生

废旧PE塑料简单再生已被广泛应用，主要适用于树脂生产厂和塑料制品厂在生产过程中产生的PE边角废料，也可用于那些易于清洗、挑选的一次性使用的废弃品，比如食品、药品包装瓶等。这些废旧料的特点是干净、成分单一。采用比较简单的工艺和装备即可生产出和新料性能相差不多的PE再生料，在很大程度上可作为新料使用[8]。大致工艺流程如下：

废PE塑料→配合→捏合→挤出造粒→PE再生料

PE制品中，农用薄膜的比例最大，所以旧农膜是再生利用的重点，可通过开炼塑化法或挤出塑化法得到再生料。该类再生料可直接用于生产各种低档次制品[4]。

3.1.2 废旧PE塑料改性再生

PE再生料一般是在自然环境下经历一段时间的老化后的塑料，聚合物分子链因氧化降解与交联作用而产生新的支化、歧化、交联等结构，所以其力学性能比新生料有较大幅度的下降。通过一定的手段对再生料进行改性，可提高其力学性能，拓宽应用范围。例如，通过特殊的热机械再生法改性，因混炼中聚合物的分子结构发生一定变化，所得再生料的力学性能比传统方法得到的再生料明显提高[12]。通过添加高效炭黑、稳定剂、紫外光吸收剂等助剂，再生料的强度和韧性得到一定程度的提高[13]。

3.2 PE再生料在制管行业中的应用

因为PE再生料价格比新生料低，所以有些企业开发将PE再生料用于生产塑料管材的技术。熊大康研究了以LDPE再生料生产塑料管材的工艺和设备要求[14]。盐城光源管业有限公司按PE再生料∶新生料为7∶3的比例，开发了注塑技术生产管道的工艺[15]。江苏常盛管业有限公司开发了三层复合管的生产工艺，内外层为全新高密度低压聚乙烯，中间层为废旧聚乙烯再生料，该技术能在保证管材整体性能的基础上，降低成本[16]。天津市耀新科技发展有限公司将高密度聚乙烯再生料和新生料混合制备出预应力塑料波纹管[17]。常熟科盈复合材料有限公司以高密度聚乙烯再生料为主要原料，生产出高质量的排水排污管[18]。

4 废旧聚丙烯（PP）塑料的再生及其在制管行业中的应用

4.1 废旧PP塑料再生的方法

废旧PP塑料再生与废旧PE塑料再生过程类似，也有简单再生和改性再生两类。

简单再生主要适用于PP塑料生产加工过程中产生的品种比较单一的边角料、下脚料等，也适用于易于分选和清洗的一次性废品。若老化程度低，则再生料可与新生料混合，用于制造与原树脂同用途的制品，也可用于制作低档次产品[19]。若老化程度较深，废旧制品出现剥裂，则不能简单再生利用，但通过一定的手段进行改性仍可在一定场合应用。

制备改性PP再生料的主要方法有：填充改性、共混改性、增强改性、增韧改性、化学改性[19]。比如，通过将回收料与新聚丙烯树脂共混、用乙丙橡胶增韧、用玻璃纤维增强，可制得力学性能较佳的PP再生料[20]。添加了增溶剂、β-成核剂以及纳米碳酸钙的PPR再生料，有较好的力学性能[21]。

4.2 PP再生料在制管行业中的应用

与PE再生料用于制管行业类似，也有企业开发了PP再生料用于制造管材。例如，武汉化工学院开发了将废旧编织袋产生的聚丙烯再生料用于制造模压聚丙烯排水管[22]。基本过程：将废旧编织袋经过切碎清洗、烘干、熔融、造粒等工艺制备PP再生料，向此再生料中添加一定量的玻璃纤维和炭黑增强剂、硅烷偶联剂、对苯二酚抗氧剂以及新生聚丙烯料，通过液压式塑料注射成型机，制造内径为200～1 500 mm的聚丙烯埋地排水管。

5 废旧氯化聚氯乙烯（CPVC）塑料的再生及其在制管行业中的应用

目前，国内氯化聚氯乙烯（CPVC）塑料主要用于制造管材和管件。一般情况下，CPVC废料仅在企业成型加工过程中产生[10]。

5.1 管材CPVC废料的再生利用

CPVC管材一般经双螺杆挤出成型工艺制成，产生的废料杂质较少，污染也较少，可回用于制管材。成型过程中所产生的废料立即处理，在清除已分解或严重变色的废料后，经粉碎、磨粉细化可得再生料。将再生料以5%～15%的比例掺入新料中混合均匀，即可生产性能下降很少的CPVC管材。注意不同种类的管材生产中产生的CPVC废料不可混杂，应按产品种类归类和利用[10]。

5.2 管件CPVC废料的再生利用

管件CPVC废料大多为注塑生产时的流道料、飞边料、开机空射料及不合格产品等。管件废料一般比较清洁，不需做任何清理。将注塑管件废料粉碎后，适当补充一些辅助剂，经单螺杆挤出机造粒，即可得到管件CPVC再生料。将该再生料加入到新料中混匀，经注塑加工可得到性能和外观质量比较好的CPVC管件[10]。

6 结语

为消除废旧塑料对环境造成的危害，必须对其进行合理的处置。品种单一、老化程度低的废旧塑料有良好的再生利用价值，在许可的条件下应优先考虑再生利用，而将再生塑料用于制管行业是其重要的用途之一。为简化废旧塑料再生过程中的分选工艺，在设计塑料制品时就应考虑其回收问题。采用品种单一的塑料生产塑料制品，在塑料制品上标注其树脂类型，这些措施便于塑料废弃物的分类回收。同时也应注意再生技术的改进，除提高再生料的性能外还应注意不造成二次污染。

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