芳纶纤维对循环经济的贡献

Z.Y. Cao， O. Grabandt

帝人芳纶公司(荷兰)

当前经济的一个基本特征是资源消耗呈线性增长。材料通常会经历“制造、使用和处置”3个阶段。企业开采原材料，并使用能源和劳动力将这些材料制成产品，再将产品销售给终端消费者。当这些产品不再能发挥其固有功能时，消费者则将其丢弃。尽管科技的发展使生产效率得以极大的提升，但同时也使得生产中对资源投入的依赖程度空前增加。这种依赖性在多方面制约着经济的发展。许多企业面临着资源成本难以预测的风险。资源市场的波动有时会侵蚀企业的盈利能力。伴随全球资源开采量的不断增大，自然资源日益枯竭，同时也产生了大量废弃物，极大地影响着生态系统。随着全球人口不断增加，这些问题将持续存在。若仅依靠生产效率的提高，则只能延缓恶果的来临。

发展循环经济已成为解决上述问题的有效手段。与传统线性经济相比，循环经济可有效降低材料的投入及废料的产生。在循环模式下，生产产品可进行重新设计、再利用和回收。循环经济需遵循闭环生产、能源再生和系统性思维。闭环生产意味着生产中的剩余材料可作为其他新产品的原料，最终大幅减少进入垃圾填埋场的材料量。理想的情况是将所有的废料转变成另一种原料。能源再生要求为经济发展提供原料的能源来自于可持续资源。系统性思维指在经济体系中，所有参与者都紧密相连，并作为一个整体运行。

向循环经济转型将打破现状：新的机遇和问题即将出现。帝人芳纶公司正尝试通过下述方式应对循环经济转型中遇到的问题。

——改善回收。收集处于生命周期结束期的芳纶纤维，用作制备浆粕的原材料。

——提高芳纶纤维的使用寿命。其开发的新型芳纶纤维，在不同的负载和温度条件下具有更好的

长期力学性能。

——开发伴随循环经济出现并增长的新应用。目前，帝人芳纶公司正努力寻找潜在的业务，建立合作关系，并推动公司的芳纶产品在这些领域的应用。如将芳纶用作氢气输送管道的增强材料。

本文就上述3方面对帝人芳纶公司的芳纶循环利用进行详细叙述。

1 回收

多次调整芳纶的生产工艺，以减少其对生态的影响。利用回收的芳纶生产浆粕便是其中一项成功的案例，其回收过程如图1所示。并非所有的芳纶浆粕都采用该工艺制备，一些高纯度的浆粕由纯的芳纶直接制成。生产浆粕的原料来自各种终端产品的芳纶废料：单向无纬布(UD布)、残余纱线、增强纤维、背心及绳索等。先将这些原料切碎，并采用多种工艺降低污染物含量，获得高纯度(>90%)的芳纶。有时还可通过添加一部分高纯度的芳纶纱线，使回收芳纶产品达到所需的品质。中间产物经过研磨后，由纤维状转变为浆粕。芳纶浆粕通常可作为石棉的替代品，用于制作刹车衬片和垫圈。

图1 利用回收的芳纶纤维制备浆粕

2 提高芳纶纤维的长期稳定性

芳纶纤维对循环经济的贡献不仅在于循环利用。若可以延长芳纶纤维的使用寿命，即提高终端产品的使用寿命，将有效减少能量需求及单位时间的能耗。

Twaron和Technora以长期负载下仍具有较高的稳定性而著称。芳纶的这种特性对其用作光纤、轮胎和系泊绳缆的增强材料而言非常重要。帝人芳纶一直致力于开发具有低蠕变率的芳纶。图2为室温下Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200的蠕变率。测试时所施加的负载分别为纤维断裂强度(BS)的30%和50%。在持续近1 a的蠕变测试周期内，纤维均未出现断裂。如图2所示，新一代Twaron纤维具有较低的蠕变率。约1 a后，Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200纤维的蠕变率分别为0.27%、0.14%和0.07%。

图2 室温下Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200纤维的蠕变率

图2中，蠕变-时间曲线斜率呈线性变化，表明其对数蠕变率为常数。对数蠕变率的定义为

(1)

其中：εi，εi+1——测试的蠕变应变中相邻点的数据；

ti，ti+1——上述相邻点数据对应的时间。

Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200纤维的对数蠕变率分别为0.041%/dec、0.020%/dec和0.013%/dec。

Twaron的蠕变率与纤维的负载大小无关。例如，Twaron 1000和Twaron 2200在两种不同负载水平(分别为断裂强度的30%和50%)下的蠕变率非常接近，而大多数聚合物在高负荷下蠕变都会加快。

失效时间(tTTF)是评价芳纶长期稳定性的一个重要指标。该指标主要通过测量在一定负载下纤维断裂所需时间衡量芳纶的长期稳定性。失效时间随着负载的增大和温度的升高而呈现出下降趋势。图3 为Technora T200和液晶聚酯(LCP)在室温和高温(140 ℃)下tTTF的变化。图3中的直线为试验数据的拟合。由图3可知，室温下LCP纱线的稳定性优于Technora T200。但因Technora T200具有良好的耐热性能，其高温(140 ℃)下的稳定性优于LCP。

图3 室温和高温(140 ℃)下Technora T200和LCP的失效时间

基于Eyring计算式，Knoester等提出了一种动力学模型，用于阐释tTTF与负载和温度间的关系，见式(2)。

(2)

其中：tTTF——失效时间，s；

B——拟合常数，s；

U——摩尔活化能，J/mol；

V——摩尔活化体积，m3/mol；

σ——所施加的应力，Pa；

T——材料温度，℃；

Tr——参比温度，℃；

R——气体常数，为8.314 J/(mol·K)。

将式(2)等号两边取对数运算，可得式(3)。

(3)

式(3)表明，失效时间的对数值随施加应力(负载)的改变呈线性变化，这与图3中关于失效时间的拟合结果一致。通过查阅参考文献，可获得几种规格Twaron的参数值。

图4为Twaron和LCP的储能模量随温度的变化曲线。动态力学测试(DMA)可表征材料在不同温度下的黏弹行为。由图4可知，与LCP纤维相比，高温下Twaron的储能模量的衰减相对缓慢。LCP约在330 ℃时开始熔融，这从其储能模量的损失状态可以看出。Twaron则可承受更高的温度。当环境温度达400 ℃时，Twaron纤维的储能模量仍高于80 GPa，直至环境温度达500 ℃，Twaron纤维才开始分解。

图4 Twaron和LCP的储能模量随温度的变化曲线 (由DMA获得)

3 开发新的应用以促进循环经济

向循环经济转型的过程中蕴含许多新商机。帝人芳纶公司正潜心研究此类新机遇，并致力于推动芳纶制品的新应用。其典型案例是将Twaron纤维用作氢气输送热塑性管道(RTP)的增强材料。与传统金属管道相比，Twaron RTP具有质轻、耐高压(约30 MPa)等特征，更重要的是，它对氢气呈惰性。2018年，德国Pipelife公司(Twaron RTP的制造商)与Groningen海港签署了4.5 km的基础设施建设项目。根据Pipelife公司的计划，该项目于2019年6月开始施工。

帝人芳纶公司正积极致力于向循环经济转型。其产品Twaron和Technora在严苛的负载条件下，仍表现出优异的性能。帝人公司将携手合作伙伴，积极寻求并努力为下一代构筑新的未来。