聚苯乙烯泡沫塑料无害化环保再生技术研究

2019-08-26李志杰罗京科

再生资源与循环经济 2019年7期

李志杰，罗京科

（上海英科实业有限公司，上海201417）

1 背景介绍

随着国民经济的发展，塑料在各个方面的应用持续增长。聚苯乙烯（PS）泡沫塑料作为电子电器减震包装、食品保鲜包装的主要包装材料被大量使用，这些一次性包装材料由于其质轻价廉回收困难，使用后大量废弃在环境中，造成严重的“白色污染”，废泡沫塑料的环境污染问题已经引起全世界的广泛关注。一方面是全球面临石化能源日益减少的矛盾，另一方面大量的废塑料资源造成环境的污染和浪费。与此同时，我国塑料制品行业的产业结构调整亟待加快，作为结构调整的方向之一，废旧塑料的回收再利用问题已经成为整个循环产业链的关键，而且也是目前整个行业技术难度较高、价值提升空间较大的一个环节。传统的PS 泡沫塑料回收再生主要是采取熔融挤出造粒的生产工艺，然而聚苯乙烯泡沫废塑料因自然老化和多次热加工的热力学历程，会发生不同程度的热降解，局部分子链发生断链，其性能较新料至少降低了30%，得不到很好利用。故改善提高聚苯乙烯废塑料力学性能的创新意义重大。

上海英科实业有限公司（以下简称公司）成立于2002年，位于上海市奉贤区化学工业区胡滨公路1299号，是一家专业聚苯乙烯（PS）泡沫塑料回收和再生应用的高科技企业。公司一直致力于倡导环保、健康和安全的生活理念，公司运用先进的废塑料环保再生技术，将废弃的PS 泡沫塑料通过再生改性和多层共挤复合技术，大量生产各种尺寸和款式的相框、画框、镜框、踢脚线、顶角线、户外地板等仿木制品，广泛应用于家居装饰和建筑材料等领域，成功地“以塑代木，变废为宝”。现达到年回收废旧PS 泡沫塑料超过5 万t，年产120 万箱仿木框线规模，相当于每年可避免200 万颗树木被砍伐，为保护地球环境作出了巨大的贡献。

2 创新思路

目前，改善聚苯乙烯泡沫废塑料力学性能的方法主要是添加一种或几种改性助剂，添加的改性助剂主要有：（1）橡胶类。该类弹性体可显著提高废塑料的韧性，但刚度、拉伸强度和加工性能又有不同程度的降低，且此类改性剂价格较高。（2）纳米无机粒子。利用纳米材料自身独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应，可对废塑料内部的缺陷进行极好的修饰，从而大幅度提高了废塑料材料的强度、韧性等。上述两类助剂主要是通过物理共混改性，利用加入助剂自身的特点改善聚苯乙烯废塑料的性能。本创新方案研发生产的聚苯乙烯废塑料改性剂为分子链调节剂，该分子链调节剂可以在螺杆中与聚苯乙烯废塑料发生化学反应，减少聚苯乙烯废塑料中的分子缺陷，可从分子链微观角度改善分子结构，提高聚苯乙烯废塑料的力学性能。从经济效益考虑，废旧塑料回收行业最大的优势在于成本低，在目前塑料原料价格基础上进行比较，用废塑料再加工制成的产品成本，仅为正品原料制成品的50%左右。在资源再生利用的同时，确保产品的安全、卫生、美观就成为当代材料学迫切需要解决的实实在在的问题。在我国，废旧塑料回收行业是个朝阳环保产业，发展潜力很大，故聚苯乙烯废塑料的回收、再生、应用将有显著的社会效益、环境效益和经济效益。

3 创新过程

本技术采用了具有特殊结构的环糊精为包覆剂，该包覆剂具有空腔结构，内腔具有疏水性，外表面具有亲水性，可与一些物质形成包合物。在超声波的作用下，引发剂可均匀地分散在空腔的内侧，在常温条件下，该包覆结构基本上处于稳定状态，发挥不了引发剂本身的活性。但是在高于100 ℃时，环糊精内腔的引发剂将会逐步释放出来（图1），与苯乙烯单体或低分子量PS 不定向地自由基聚合（图2），减少PS 废塑料中的分子缺陷，故在使用过程既可以保证引发剂起到增加分子链长度的效果，又不会因反应剧烈而导致分子链的缺陷。

图1 分子链调节剂的分解原理图

图2 自由基聚合原理

本创新具体通过以下技术方案实施：（1）在100 份的无水乙醇溶剂中加入3～20 份环糊精，然后放入到超声波环境溶解30～90 min，然后逐步加入1～10 份的过氧化二苯甲酰、1～10 份的过氧化二异丙苯、1～10 份的偶氮二异丁腈、1～10 份的2，3-二氰基-2，3-二苯基丁二酸二乙酯，继续超声波作用20～60 min；（2）将上述配制的溶液减压蒸馏，蒸馏后在5～10 ℃条件下真空干燥，再在5～10 ℃条件下经过球磨机研磨20～90 min，得到环糊精包覆引发剂；（3）取上述蒸馏得到的粉状物1～10 份和5～20 份分散剂溶解在100 份的苯乙烯单体中，搅拌溶解，即得到分子链调节剂。PS 废泡沫再生过程中添加3%该分子链调节剂制备的材料的力学性能如表1所示。

该创新生产工艺经济适用，方便快捷，能够连续大批量生产，在聚苯乙烯废塑料回收造粒或加工过程中加入该分子链调节剂，材料的力学性能可提高25%左右，制得产品性能基本上达到新料的标准。由于本项目的制备工艺过程中，使用了具有特殊空腔结构的环糊精，在超声波的条件下，可以成功地包覆引发剂，在常温下，环糊精内腔内的引发剂非常稳定，故提高了分子链调节剂的保存时间，并且保证在使用过程也不会发生剧烈反应。在聚苯乙烯废塑料热加工过程中，加入分子链调节剂，在高温条件下（高于140 ℃），环糊精内腔中的引发剂逐渐释放出来，与苯乙烯单体或聚苯乙烯发生不定向的自由基聚合，进而使得分子量增长。故可以显著提高材料的物理化学性能，它的出现，可能将会开辟聚苯乙烯废塑料回收和应用领域改性的一个新方向。

表1 聚苯乙烯废塑料及改性后的力学性能

4 创新成果

（1）本创新技术较传统的技术有了极大的提升，再生PS 产品纯净度可以达到99%，产品外观、性能已与新料无异。项目产品PS 再生粒子经通标标准技术服务（上海）有限公司（SGS）检测证明：产品合格，符合国家标准GB/T 19645—2013《塑料聚苯乙烯再生改性专用料》和企业标准Q/0305ZYK 001—2014《聚苯乙烯（PS）再生粒子》的要求。

（2）经教育部科技查新工作站（L06）查新结果：“课题的创新点具有一定的国内外新颖性，与国内外同类研究相比，具有国际先进水平”。同时通过了工业和信息化部科技成果鉴定，被列为国家火炬计划项目产业化重点项目，项目编号2011GH060329。

（3）本项目被认定为上海市高新技术成果转化项目，项目等级A，技术贡献系数0.90，项目编号201204263。且被评为2014年度上海市高新技术成果转化百佳项目。2014年获得了上海市科学技术奖三等奖。2018年获得上海市重点产品质量振兴攻关成果二等奖。

（4）基于本项目核心技术，项目组获得了3 项专利，其中授权发明专利项，实审发明专利1 项，授权实用新型专利1 项。形成了1 项国家标准，1 项行业标准，发表论文2 篇。

（5）经济效益：本创新技术在公司各个生产基地得到推广应用，达到良好效果，2018年共回收5 万t 废旧PS 泡沫，实现销售收入10 亿元。

（6）环境效益：相关研究标明，1 m3木材可以吸收1.83 t 二氧化碳，1 t 聚苯乙烯仿木线材替代2.5 m3木材。聚苯乙烯仿木线材的原材料为废旧聚苯乙烯泡沫，如按常规处理方式将这些废旧聚苯乙烯泡沫焚烧，每焚烧1 t 废旧聚苯乙烯泡沫将会有2 t 二氧化碳产生。因此1 t 聚苯乙烯仿木线材替代天然木材就可实现减排二氧化碳6.5 t。另外，每生产1 t 聚苯乙烯需消耗3 t石油能源。本技术成果的应用，每年回收再生并应用5 万t 废旧聚苯乙烯泡沫，相当于减排33 万t 二氧化碳，节约15 万t 石油能源，节约13 万m3木材资源。