橡/塑废弃物资源化利用技术的进展和意义

汪晓鹏， 李文磊

(甘肃省皮革塑料研究所有限责任公司， 甘肃 兰州 730046)

0 前言

随着高新技术在塑料工业中的广泛应用，全球塑料制品的年消耗量不断增加，已超过3亿t。据统计，2017年全国塑料制品行业汇总统计企业累计完成产量7 515.54万t，同比增长3.44%，增长率比上年同期提高0.78个百分点。我国已经成为塑料最大生产、消费和废弃物制造国。仅塑料薄膜产量已达1 454.29万t，其中农用地膜产量已达197.34万t，对农田和生态环境造成了严重的危害——“白色污染”。随着国人们生活水平逐步提高和物流业的高速发展，极大地促进了汽车制造业的迅猛发展。截止2015年底，我国汽车保有量已达1.72亿辆，随之产生的废旧轮胎数量也逐年增加。大量废旧橡胶的产生和积累效应，对自然生态环境造成严重的污染——“黑色污染”。废弃橡/塑资源被现代经济学家称之为“人类第二矿藏”。故而，如何消解和降低“堆积如山”的橡/塑废弃物(见图1和图2)对环境的影响，已成为再生资源利用的关键领域和迫切要求。而将废旧塑料、橡胶进行高效再利用，减少对资源的浪费，业已成为科技界和产业界亟待解决的一个重要课题。橡/塑固体废弃的回收与利用具有十分重要的意义，是中国化学工业“十三五”规划中支撑国民经济健康发展的绿色产业，又是保护生态环境和人民身心健康的头等大事。

图1 废旧轮胎

图2 废旧塑料

1 橡/塑废弃物资源化利用的意义

(1) 废旧橡/塑制品再生利用，可变废为宝，缓解环境压力，具有一定的环境效益和经济效益，应用前景广阔，发展潜力巨大。

(2) 废旧橡/塑共混复合材料具有橡胶和塑料的双重特性，性能上互补，刚柔兼备，具有更好的应用价值。

(3) 将橡胶粉应用于塑料工业中，不仅能充分发挥胶粉中橡胶的特性，提高塑料的抗冲击强度，赋予材料一定的弹性，而且成型工艺简单，能耗降低，技术可行，是目前橡塑共混，乃至弹性体研究的一个重要发展方向。

(4) 具有一定的经济效益和社会效益及生态环境效益，是可持续发展产业。符合习近平总书记提出的“绿水青山就是金山银山”的发展战略；国家循环经济发展战略和近期行动计划及国家“十三五”再生资源利用规划，是我国再生资源产业发展的八大领域之一。

2 橡/塑共混复合改性材料的应用

2.1 道路铺设材料

胡益兴[1]以回收废旧高密度聚乙烯(RHDPE)为改性对象，研究制备以线型低密度聚乙烯(LLDPE)、废旧胶粉及热塑性弹性体为主要成分的复合改性剂，对RHDPE改性研究，开发成功了废弃橡塑复合材料，应用于道路铺设材料。

许明娟[2]进行了废旧橡胶/塑料复合改性沥青的应用技术研究。结果表明，通过沥青混合料在室内相关试验，测试了塑胶复合改性沥青的路用性能，包括高温抗车辙性能、低温抗裂性能、水稳定性、耐久性能，并与常用SBS改性沥青性能进行对比研究。试验结果表明，新型废旧塑胶改性沥青的稳定性较好，能满足使用要求；在改善沥青混合性能的基础上，改善了其低温性能，在此方面略优于SBS改性沥青；但加入添加剂后，混合料的黏度增大，需要更高的拌合时间及施工温度。

谭坦[3]进行了关于废旧橡塑合金改性沥青混合料路用性能及应用的研究。研究表明，橡塑改性沥青具有良好的路用性能，且橡塑改性沥青混合料的高温性能优于橡胶改性沥青混合料，随着改性剂中塑料成分的增加，混合料耐高温性能明显提升；橡塑改性沥青混合料的低温抗裂性与橡胶改性沥青混合料相当，但釆用高掺量塑料成分改性剂时，橡塑改性沥青混合料低温性能有所降低；橡塑共混改性沥青混合料的水稳定性明显优于橡胶改性沥青混合料；研究证明，橡塑改性沥青混合料的性能优良，工程应用表明，橡塑改性沥青混合料的使用效果良好。

刘俊红等[4]对废旧胶粉的改性方法及原理作了简要介绍，重点综述了废橡胶粉在聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等橡塑复合材料中的研究和应用进展。对废橡胶粉在橡塑复合材料中的研究、开发和应用前景进行了展望。

2.2 环境功能性材料

张付申等[5]指出废弃橡塑高分子聚合物造成的环境污染问题日益突出，废弃物的绿色循环利用备受业界关注，其中新型材料化利用是其再生循环利用的优选途径。概述了废弃高分子聚合物合成环境功能材料的最新研究进展，重点关注噪声污染控制材料、高性能吸水材料、特殊孔状材料、催化材料、黏结材料、还原材料和能源转化材料等的应用。介绍了高分子废弃物在这些功能材料合成中发挥的作用、转化方法、材料性能和应用领域，以期为高分子废弃物的高附加值循环利用提供指导。

楚合磊等[6]总结了国内外废橡胶与废塑料在制造阻尼材料方面的研究和应用的成果。分别介绍了废橡胶作为减震降噪的阻尼材料在工程和工业中的研究应用，废胶粉与废塑料共混改性型阻尼材料、树脂型废胶粉阻尼材料的研究应用。研究表明，废橡胶和废塑料制造阻尼材料用于生产实践,不仅可以起到减震降噪作用,而且能够节约资源,具有显著的环保效益，对于资源的可持续性发展具有重要意义。

余琳[7]选取精细胶粉与PP/EPDM型聚烯烃类热塑性硫化胶(TPV)通过直接混炼法制备性能保持良好的胶粉/TPV共混材料，同时采用添加增容剂、活化剂与增容剂并用两种方法，进一步改进共混体系的两相界面相容性，提高了共混材料的综合性能。

孟聪[8]研究了胶粉增韧聚丙烯复合材料的制备过程中，以聚丙烯(PP)为基体树脂，根据不同种类的聚丙烯流动性和价格的研究，选用性价比较高的均聚级聚丙烯；废旧橡胶制备的胶粉在微观上通过FT-IR和TG对其成分进行分析，在宏观上，对胶粉的含量以及粒径的不同对复合材料的影响做出了相应的分析；不同种类的填料对复合材料的增强效果不同，同时分析了填料添加量对复合材料的影响；为了进一步提高材料的综合性能，分别选用热塑性丁苯橡胶(SBS)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)分别作为辅助增韧剂；材料中各组份相容性较差，容易形成缺陷，通过添加界面相容剂的方式，对其改进。在确定材料的组成后，通过对加工过程中的挤出和注塑成型过程中的影响因素进行研究。经过分析研究，选用MI=8 g/10 min，冲击强度为3.6 kJ/m2的均聚级聚丙烯为基体树脂；胶粉为主增韧剂，所选胶粉粒径为80目，最优含量15%，材料的抗冲击强度增加了约8倍。所选填料为纳米碳酸钙并通过钛酸酯偶联剂将其改性，碳酸钙最优添加量为15%，其抗冲击强度提高10 MPa,而拉伸和弯曲性能分别下降2 MPa和4 MPa。热塑性丁苯橡胶(SBS)和乙烯-醋酸钠乙烯共聚物(EVA)混合使用作为辅助增韧剂，最终确定m(SBS)∶m(EVA)=1∶1共混使用，做辅助增韧剂效果最优；界面相容剂EVA的加入大大改善了复合材料各组份之间的相容性，其最优添加量为1.5%。通过对挤出成型和注塑成型的研究，确定了材料的最优制备方案。所制备新型复合材料具有高弹性和高模量，达到国内外同类材料标准，完全可以应用于汽车保险杠的制备。

李栓[9]研究了静态硫化工艺与动态硫化工艺生产废轮胎橡胶(WTRP)/废高密度聚乙烯(WHDPE)共混制备热塑性弹性体的最佳工艺条件，并对比了两种工艺。结果表明：静态硫化工艺的最佳工艺条件是硫化温度为160 ℃，15 min的硫化时间，所制备的共混型热塑性弹性体拉伸强度达到14.32 MPa，扯断伸长率为290.24%；动态硫化工艺的最佳工艺条件：螺杆机挤出机各区温度分别为140 ℃-160 ℃-160 ℃-140 ℃，加料速度为30 r/min，主机转速为130 r/min，制备的TPV拉伸强度为15.47 MPa，扯断伸长率为310.71%。动态硫化工艺制备热塑性弹性体比静态硫化工艺的物理性能略好，表面更为细腻，微观结构也更为均匀，而且动态硫化工艺劳动强度低，又可连续生产，所以动态硫化工艺为更适合废橡胶与废塑料的工业化生产。同时，还对废丁腈橡胶(WNBR)/废聚氯乙烯(WPVC)动态硫化工艺进行了研究，确定了最佳工艺条件：螺杆各区温度分别为160 ℃-180 ℃-180 ℃-140 ℃，加料速度为30 r/min，主机转速120 r/min，在该工艺条件下制备的共混型热塑性弹性体拉伸强度达到17.11 MPa，扯断伸长率为312.33%，有良好的热老化性、再加工性和微观形貌。

总之，将废旧塑料与橡胶共混复合开发新型材料并加以利用生产各种制品。第一，能提高资源利用率，也可到达“取长补短、刚柔相济”，现实性能上互补效应。第二，通过高分子材料共混复合技术，实现两相容合，根据高分子聚合物共混原理：两种聚合物共混能否相容,是由它们的热力学性质所决定的。要使两种聚合物相容,共混体系的混合吉布斯自由能(ΔG)必须满足下列条件: ΔGm=ΔHm﹣TΔSm﹤0。也可探讨通过物质的溶解度参数来判断物质之间的相容性。第三，充分利用橡/塑合金、复合材料和物理共混、化学共混、物理-化学共混，以及高分子互穿网络等技术，研究探讨“微观多相，宏观均相”，逐步提高两者与助剂的相容性，最终获得高质量的橡/塑复合新型材料和产品。

3 橡/塑废弃物回收利用为国家重点支持推广应用的技术和产业

为贯彻落实“五大发展理念”、《中国制造 2025》，加强工业资源综合利用技术和工艺装备的推广应用，提高资源回收利用效率，推进工业绿色发展；国家工信部编制形成了“工业资源综合利用先进适用技术装备目录”，其中，废弃橡塑回收再生利用技术和装备应用列入目录之一；2017年国家发改委公告《再生资源综合利用适用技术目录》中废旧塑料综合利用技术达5项之多，废橡胶综合利用技术高达8项；中国塑料加工业协会提出：“塑料工业与环境保护协调发展是塑料工业可持续发展的一项重要战略”；全国橡胶塑料机械标准化技术委员会组织制定了 GB/T 32662—2016《废橡胶废塑料裂解油化成套生产装备》标准。这些政策、规划、标准均是支持橡塑废弃物回收与利用产业发展的利好因素。

4 结论

(1) 当今，在高分子材料的生产和消费中，塑料居首位，其次橡胶。随着消费量的逐年递增，不可避免地会产生大量的废弃物。橡/塑废弃物回收与利用具有积极作用和深远意义：其一，可解决环境污染，保护生态和人类赖以生存的地球；其二，塑料、橡胶材料的合成主要来自于石油资源，能减轻对石油资源消耗和依赖的压力；最终，使其成为可再生利用的资源。

(2) 橡/塑制品用后被当作废弃物残存在环境中，简直是“顽固不化”，经年累月，必然会对环境、生态、人类生存带来灾难性的后果。回收与利用，能“变废为宝”、“变弃儿”为“宠儿”，实现资源的再生利用和循环经济发展。

(3) 随着对废弃橡胶与废弃塑料共混改性制备新型复合材料研究的深入，现已成为新型材料科技工作者关注的热点之一。但目前还有这些难点：① 不同品种的废橡胶粉对橡/塑复合材料性能及加工工艺的影响以及不同品种塑料对橡/塑共混复合改性材料的影响有待更深入的研究；② 废橡胶粉改性方法的实用性、稳定性的研究，并且其对改善复合材料性能的机理研究有待深入；③ 大多研究基于PE、PP、PVC、PS、ABS几种通用塑料材料，对其他工程塑料、特种工程塑料材料为基材的研究有待拓展。