再生聚丙烯的洁净化和高质化应用

2021-04-09汪海胡志华杨霄云李诚程杰

再生资源与循环经济 2021年1期

汪海,胡志华,杨霄云,李诚,程杰

（1.广东金发科技有限公司，广东清远511515；2.江苏金发环保科技有限公司，江苏邳州221300）

随着高分子材料工业的快速发展，塑料制品已成为生产与生活的重要组成部分。2001年，全球年消耗塑料材料已经接近1 亿t，近10年年消费量增长率在10%以上，2017年全球塑料消耗量已达5 亿t。近3年，我国每年产生约5 000 万t 废旧塑料，其中1 400 万t再生塑料没有得到有效回收利用，这些不能有效回收的塑料经过物质运动回到了大海，成为海洋微塑料造成二次污染[1]。废弃塑料在自然环境中难以分解，分解过程中的碎片化造成了更为严重的二次污染，因此在人类生态环境日益劣化的今天，再生塑料的循环利用越来越受到人们的关注。聚丙烯以其聚合工艺稳定、产品丰富和性价比高的特点，成为生产和生活中应用最广泛的树脂之一。

再生塑料按照塑料制品使用情况将其分为消费前（PIR）和消费后（PCR）再生塑料。消费前再生塑料是指树脂合成过程中和制品成型、装配过程中产生的边角料以及残次品；消费后再生塑料指失去使用价值或被废弃的塑料制品产生的废塑料[2]。消费前再生塑料成分相对稳定，可以厂内直接循环使用。通常所说的再生塑料是消费后再生塑料，这部分对环境污染大，回收比例低，资源浪费最严重。消费后再生塑料经过收集、分类和洁净化处理后，可以实现循环利用。综上所述，再生塑料来源广，高附加值的循环利用再生塑料是一个重要的环境、资源、经济和社会问题。

聚丙烯（PP）具有绝缘性好、耐热性优、耐弯折、密度低、易加工等特点，同时可以通过增强、增韧、填充和阻燃等多种改性方式进行生产，因此聚丙烯被广泛应用于汽车、家电、电子电器、日用品等行业。随着聚丙烯产量和消费量的不断增加，每年产生的再生聚丙烯快速增多，如何回收再生聚丙烯成为日益严峻的环境、资源和社会问题。再生聚丙烯来源复杂，性能各异，并且存在明显的区域性、季节性和应用行业差异。文中结合再生聚丙烯的特点，利用现代分类、分选、洁净化方式将其按照一定的性能标准进行分组，结合物料组内原料的特性，采取针对性循环利用方式，从而实现物尽其才的高质化利用。

1 再生聚丙烯的分类

聚丙烯种类复杂，应用广泛，是最具可塑性的树脂。为了方便对再生聚丙烯性能的把握，结合物料组的概念对其进行分类。将再生聚丙烯按照熔体流动速率从低到高依次分为：低熔、中熔和高熔三大类。其中低熔是指熔体流动速率小于5 g/10 min，中熔是指熔体流动速率介于5～15 g/10 min，高熔是指熔体流动速度大于15 g/10 min 的再生聚丙烯，熔体流动速率测试条件在230 ℃和2.16 kg 压力下测定。对于临界点附近材料并非完全界定，存在交叉情况。

1.1 低熔再生聚丙烯

根据再生塑料制品来源，低熔再生聚丙烯主要包括：PP 挤出线材、片材和板材，以及低熔注塑成型的启动电池和水果筐等。为了能够高质化利用这些物料，下面分别介绍该物料组内各产品的特性。PP 挤出管材中部分采用多层共挤的工艺嵌入了铝箔层，这类再生聚丙烯往往含有铝箔杂质；其次，回收过程中往往会带入金属管件，导致再生聚丙烯中含有铜、铁等金属杂质，需要借助金属分离器净化后使用。挤出线材主要是指室内电线、光缆外层，其中往往含有光纤为主的杂质，不适合直接用于填充和增韧改性；挤出片材性能较为稳定，但是对薄壁的片材破碎清洗后堆积密度小，需要特殊的强制喂料设备生产，否则容易架桥。低熔的注塑制件经过破碎、分选、色选后，能够进行高质化改性利用。启动电池性能相对稳定，具有较高的循环利用价值，但因使用和回收过程中存在铅和酸污染，需要进行精细化前处理才能用于高端需求，或者通过增韧改性直接回到蓄电池壳体中，实现闭环回收。

1.2 中熔再生聚丙烯

中熔再生聚丙烯主要来源包括生活日杂、瓶盖、电子料和吨包。其中日杂是指日常生活用塑料制品，经过色选分选后能够得到颜色和材质纯净的再生原料。这类材料一般老化较严重，增韧难度较大。注塑瓶盖性能较为稳定，但是资源量有限，材质存在区域性，主要是PP 和注塑级HDPE。电子料是来自小家电拆解的聚丙烯，常伴有ABS、HIPS、橡胶和隔音棉等杂质。吨包是指大型包装袋，性能也存在明显的地域性差异，欧美、日本主要是非填充的均聚PP，国内通常含有一定的无机填充，存在密度波动。

1.3 高熔再生聚丙烯

高熔体再生聚丙烯主要包括洗衣机壳体和底座、无纺布、一次性餐盒和汽车内外饰等。冰箱洗衣机壳体性能稳定，流动性较好，可以生产薄壁化制件，但是熔体流动速率不宜过高，防止老化严重。洗衣机底座含有一定的填充，另外常伴有浮选无法分离的金属膜和橡胶杂质等。无纺布熔体流动速率较高，同样存在区域性差异，日本的无纺布通常含有较高比例的TPE，国内的主要是纤维级聚丙烯。一次性餐盒杂质含量少，机械性能比较稳定，但是有机污染物残留较高，需要进行严格的清洁化处理才能用于对挥发分和气味要求较高的产品。汽车内外饰材料受拆解厂分选和货物来源影响，性能波动较大。汽车内饰件材料一般为20%填充聚丙烯材料，常含有ABS，PC，PA 类杂质，需要进行静电分选；汽车外饰件通常含有喷涂层，可以采用物理或化学方法祛除喷涂和镀层。

2 再生聚丙烯改性方式

为了提升再生聚丙烯的附加值，需要对其进行填充、增强、增韧和阻燃等改性，制备满足要求的专用料。再生聚丙烯的改性方式和新料改性有较大的差异，再生聚丙烯改性需要兼顾力学性能和表观性能，对各物料进行物尽其用的改性利用，需要考虑再生原料的区域性、季节性和波动性进行适当改性。下面分别介绍再生聚丙烯改性方式的特点。

2.1 再生聚丙烯填充改性

聚丙烯填充改性可以提升材料的强度、耐温性、尺寸稳定性和产品的质感，同时能够降低产品成本。因此，填充改性是用途最为广泛的改性方式，并且可以和增韧、阻燃、增强等结合制备高性价比产品[3]。填充改性是将无机填充物均匀分散在树脂中提升产品性能的改性方式。因为填充物微观结构的差异，以及填充物和他组分的拮抗作用，所以填充改性尽量避免含有填充的再生料。

2.2 再生聚丙烯增韧改性

聚丙烯增韧改性主要通过添加适当热塑性弹性体和高抗冲聚丙烯提升产品韧性的改性方式，同时提升产品耐低温性能[4－5]。再生聚丙烯增韧改性相对新料增韧改性需要考虑到产品老化和杂质影响，另外改性加工过程中不耐温组分的分解会降低增韧效果。为了有效提升产品的韧性，优选降解程度较小的材料，如洗衣机底座、电子料等，尽量避免老化严重的日杂。

2.3 再生聚丙烯增强改性

再生聚丙烯的增强是指借助相容剂提升玻纤和树脂之间界面强度，从而大幅提升材料强度和耐温性的改性方式。再生聚丙烯增强不仅需要关注玻纤加工过程的损伤，取向的控制，还需要关注再生聚丙烯底料的选择[6-7]。另一方面，为了提高再生聚丙烯和玻纤之间的界面强度，尽量选择熔体流动速率高的再生料，例如洗衣机和无纺布等，这样不仅有利于提升材料的浸润性，而且能够改善制品表面浮纤。

2.4 再生聚丙烯阻燃改性

聚丙烯阻燃改性按照阻燃剂体系的不同，可分为有卤阻燃和无卤阻燃。无卤阻燃型，主要包括膨胀型和填充型，膨胀型阻燃剂（IFR）主要组分为磷化合物、季戊四醇（PER) 和三聚氰胺（MEL）等，填充型阻燃剂主要是Mg（OH）2和Al（OH）3等。另一类是含卤阻燃型，主要是溴-锑体系[8]。阻燃PP 比其他改性方式复杂得多，不同阻燃剂之间容易出现拮抗作用。

3 再生聚丙烯高质化改性的方向

再生聚丙烯是再生塑料主要成员之一，受制于回收途径、分选工艺和规模化效应，实际循环利用的比例低。另外循环利用的主要方式是简单造粒后降级使用，回收过程常伴有二次污染。下面结合产业现状，分别介绍提升再生聚丙烯循环利用比例和附加值的努力方向，希望通过全产业链的共同努力，让再生聚丙烯行业能够发展成为环境友好型高分子材料，不再被社会舆论误导成“白色污染”材料。

3.1 深化前处理，提升稳定性

再生塑料虽然经过多年的发展，但是仍处于低端、污染、降本等初始阶段。再生聚丙烯企业规模较小，专业人员少，停留在处于缓慢前进阶段。传统循环再生途径主要采用初级分选技术进行净化处理。再生产品的稳定性无法保障，限制高附加值循环利用的发展，另外，污染物和杂质使产品存在缺陷。因此，采用近现代智能化设备提升产品分选和前处理水平，从而得到稳定洁净的再生聚丙烯，是高质化发展的首要方向。

再生塑料的分选技术可以分为传统分选方式和近现代分选方式。传统分选方式主要有人工分选、密度分选、风力分选等；近现代分选方法有色选、近红外（NIR）、静电、磁分选等。这些方法对分离混合废旧塑料都有一定效果，但是这些方法的应用范围、分离效率、准确性以及工业化应用方面各有优缺点，单一的分选方法很难彻底分选，需要将多种方法进行有效结合[9-11]。为了得到相对洁净物料，需要从源头尽量避免混合，过程逐步分级分选，最后结合具体杂质，有针对性地分选处理。

3.2 因地制宜，物尽其用

再生聚丙烯来源广，种类繁多，受污染程度悬殊，必须结合材料特点，物尽其用。前文介绍了各种改性手段对材料的要求不同，为了实现高质化循环利用，不仅需要采用合适的途径，更要全产业链参与，物尽其用，降低污染。按照物料特点，将再生聚丙烯大致分为四类：农业种植再生聚丙烯、拆解企业再生聚丙烯、生活源再生聚丙烯和工业边角料。每种再生聚丙烯物性、杂质含量和可改性空间差异较大，下面分别介绍每种原料特点。

农业种植再生聚丙烯主要来自育苗盘和盆栽盆体与托盘，这类再生聚丙烯主要含有泥沙，机械性能较差，因此，这类产品进行破碎、清洗后可以通过增韧改性后回到农业制品中，形成闭环回收。这类再生聚丙烯很难产生较高的经济价值，但是能够发挥巨大的环境价值，尤其是农地膜的PE 材料。因此，这一部分再生聚丙烯的回收需要政策给予财税支持和行业协会积极引导。如果这类再生塑料不能有效回收，就会回到农田和种植园中，碎片化再生塑料会严重阻碍植株生长和农田使用。

拆解企业的再生聚丙烯具有较高回收价值，拆解企业得到的再生聚丙烯相对纯度高，杂质少。例如洗衣机拆解下来的洗衣机内外筒性能稳定，可以进行增强、增韧改性；汽车保险杠经过物理脱漆后，能够进行填充和增韧改性。这类材料能够创造较好的经济价值，可以借助近现代分选技术，构建规模化产业园区，提升再生聚丙烯纯度和稳定性，从而实现高附加值的回收体系。

生活源再生聚丙烯主要来自日常生活废弃塑料制品，通过逐级回收和分选进行集中破碎、清洗得到。这类材料性能相对稳定，颜色混杂，部分含有荧光剂，经过增强改性可以得到较好强度，能够产生较好的经济价值。随着城市垃圾分类的推行，这类再生聚丙烯能够更好地有效回收。

工业边角料再生聚丙烯性能相对稳定，污染少，随着清洁生产的推广，企业积极主动进行内部循环利用。这类再生聚丙烯随着自动化、智能化制造使用，后续这类再生聚丙烯能够在企业内部有效回收。但对于一些工程塑料的边角料和水口，性能特殊，不宜直接回收，另外受制于材料量有限，不易形成专门的回收渠道。这类再生材料可以发挥行业协会的力量进行集中回收再利用，从而能够取得较好的环境、经济价值和社会效应。

3.3 稳步推进，可持续发展

塑料以其优异的加工性能，逐步渗透生产和生活的方方面面。在诸多应用领域，塑料已经替代了金属、陶瓷、木材和棉麻等。人们在享受塑料带来便利的同时，也受到废弃塑料带来的危害。为了适应可持续发展的要求，各个国家陆续出台了相关政策，尤其涉及一次性塑料制品，提出了明确的限制和回收政策。

2019年3月27日，欧洲议会表决通过了一次性塑料制品禁令，自2021年起开始全面禁用一次性塑料制品，以控制塑料垃圾造成的环境污染。

2019年5月，187 个国家签署协定，同意将“限制塑料废物贸易”加入“巴塞尔公约”，“巴塞尔公约”旨在控制危险废物从一个国家流向另一个国家。2020年4月，发改委、生态环境部等部门先后印发了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》等政策文件，对商务领域禁塑限塑阶段性任务提出明确要求，控制一次性塑料制品使用和回收，并建立相应的信息报送平台。

为了响应各个国家出台的关于限制原生树脂使用和倡导再生塑料使用的号召，各大知名企业纷纷提出了自己的应对方案和发展计划。

宜家致力于为人类和地球带来积极的影响，计划到2030年，所有使用塑料的产品均采用可再生或回收材料；欧莱雅、保洁、联合利华等日化行业纷纷行动起来，联合上下游企业积极推广使用再生塑料，并提出声明，到2025年将大力推广使用PCR 和PIR 材料；作为汽车行业龙头的奔驰公司也宣称，到2025年将会使用25%再生材料，国内各车企也积极推广使用再生材料，现在各大车企都已经进入材料开发验证阶段。

再生塑料一个典型特性就是难降解，如不能积极推进可持续发展的循环利用，这些废弃塑料很快成为城市固体废物、海洋垃圾和农田污染物的主要成分。因此，推进再生聚丙烯的循环利用，构建全产业链的闭环回收，推进生命周期评价体系，让人们享受塑料带来便利的同时，避免再生塑料带来的困扰。