绿色塑料（精选5篇）
绿色塑料 篇1
模具是工业生产中的基础工艺装备, 而塑料模具在模具行业中占有举足轻重的地位。传统的塑料成型工业在设计阶段仅考虑产品的功能、质量、成本和寿命等, 而很少考虑其环境属性和对资源、能源造成的浪费。因此, 在塑料成型工业中提倡绿色制造尤为重要。
绿色制造是产品制造、环境影响和资源优化三方面的有机结合, 是一个综合考虑环境影响和资料利用率的现代制造模式, 其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中, 对环境的负影响最小, 资源使用率最高。
一、面向绿色制造的塑料模具设计
绿色模具的设计宗旨是, 将环境性能作为产品的设计目标, 力求从产品开发阶段起消除潜在的、对环境的负面影响, 将环境属性融入到概念设计—结构设计—包装设计—材料选择—工艺设计—使用维护—回收处理的整个过程中。
1. 模具绿色并行工程
绿色并行工程是现代绿色模具设计和开发的新模式, 其核心是将塑料模具开发各阶段看成一个过程的集成, 强调产品设计及其相关过程同时交叉进行。因此, 涉及产品整个生命周期的各部门必须协同工作。工艺、制造、质量、客服、销售等各部门都要参与产品的设计工作, 对产品设计方案提出修改意见等, 以确保设计和制造的一次成功率。
2. 材料的选择
绿色的模具材料是绿色模具设计的基础。在选材时应从以下几方面考虑:
(1) 减少所用材料种类, 既可简化产品结构, 又方便原材料的标识、分类和零部件的生产、管理, 在相同产品数量下, 可得到更多的某种回收材料;
(2) 绿色模具材料应具备: (1) 低能耗、低污染、低成本; (2) 易加工和加工过程中无污染或少污染; (3) 可降解, 易回收, 等性能。例如, 可直接用不锈钢材料加工防腐模具, 以避免电镀、电解等表面处理过程中产生的环境污染。
3. 可拆卸性设计
塑料模具在使用过程中部分零部件因承受过大的摩擦与冲击造成磨损时, 只需更换这部分零部件模具仍可使用。如果模具不具备可拆卸性不仅造成大量可重复零部件材料的浪费, 而且因废弃物处理不当还会污染环境。因此设计初期就应尽量使模具结构易于拆卸, 方便维护。例如:尽可能选择通用结构, 以方便更换;在满足强度要求的前提下, 尽量采用可拆卸连接 (如螺纹连接) , 不用焊接、铆接;采用组合模架等。
4. 可回收性设计
在模具设计初期就应将材料的可回收性、回收处理方法和回收经济效益等问题考虑在内, 从而在后续生产中尽量节约原材料。因此, 应尽可能减少所用材料的种类;减少或不使用含铜、铅等对污染环境的材料;避免使用与现有循环再回收过程不相容材料等。
5. 标准化、模块化设计
模具标准化是组织模具专业化生产的前提, 而模具的专业化生产是提高模具质量、缩短制模周期、降低成本的关键。标准模架及标准件由专门的企业通过社会化分工进行生产, 使有限的资源得到优化配置, 此外, 模架的标准化可以使生产模架所用的设备、夹具数量大大减少, 在节约资源的同时, 缩短了设计周期, 方便加工, 利于管理。
模块化设计是在一定范围内, 在对不同功能、或相同功能下的不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上, 划分并设计出一系列功能模块, 通过模块的选择和组合构成不同的产品, 以满足市场的不同需求;如模具的侧向分型与抽芯机构、脱模定位机构等都可以按这些方法设计、组合、再利用。
6. 高寿命设计
对于注塑模具, 如采用随形冷却水道可有效避免塑件在冷却过程中产生的翘曲变形, 提高注塑成型精度和模具使用寿命;此外还可将结构复杂的凹模设计为镶拼式结构, 减少应力集中现象引起的模具变形问题, 并且在产生使用磨损后还方便修磨, 从而有效延长模具寿命。
7. 智能化、自动化设计
对模具制造业, CAD/CAPP/CAM/CAE一体化是模具设计自动化的重要措施和基础。采用CAD/CAPP/CAM/CAE技术, 可实现少图纸或无图纸加工, 在节约资源的同时可有效缩短模具设计与制造周期。例如, 现在广泛应用的C A D三维软件 (Pro/E、SolidWorks、UG等) 基本都集成了CAE技术, 可模拟熔体的流动情况并进行强度、刚度、抗冲击性等性能的实验模拟, 预知塑件有可能出现的成型缺陷, 防患于未然。
二、塑料模具的绿色制造工艺
绿色制造工艺是“绿色模具”生命周期中的重要一环。要在提高经济效益的同时, 产生的能耗最低, 对环境影响最小, 除了利用现代设计技术之外, 还需要采用模具先进制造技术。
1. 模具设计反向工程
反向工程 (Reverse Engineering, ) 是通过扫描测量获得已有产品实物或模型的几何信息, 然后利用CAD/CAM技术快速、准确地建立产品的数学几何模型, 经过工程分析、结构设计和CAM编程, 数控加工出产品模具, 最终制成产品的过程。现已广泛应用于模具翻制、产品改型等生产活动中。RE技术是学习先进技术近而改造和开发新产品, 加速设计、制造过程的重要手段。
2. 模具快速原型制造技术
快速原型制造技术 (Rapid Protoyping Manufacturing, RPM) 集成了机械、计算机、数控、激光和材料技术等现代科技成果, 突破了传统加工技术去除材料的方法, 而是基于离散∕堆积原理, 根据CAD造型生成的零件三维几何数据, 通过激光束等方法使材料逐层堆积成样件或零件, 极大地提高了材料的利用率。由于无需经过模具设计制造环节, RPM技术大幅度降低了新产品开发研制的成本, 极大地缩短了生产周期。
3. 模具高速切削技术
传统模具制造中的型腔加工基本采用电火花完成, 但其加工速度较低。除窄缝、深槽以及很细的纹理等, 一般形状不太复杂的浅型腔已能在高刚度的铣床或加工中心上用涂层铣刀进行高速加工。而小曲率半径的深型腔可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工, 而电加工只作为精加工, 这样可大大节约电火花和抛光的时间以及相关材料的消耗, 从而减少对环境的负面影响。例如, 德国Droop公司生产的FOG2500铣床, 主轴转速为10000~40000r/min, 加工精度达50, 可用于汽车车身冲压模具和塑料模具的加工。
三、塑料注射成型中的绿色技术
塑料注射成型装备是塑料成型工业的重要工艺装备, 广泛应用于汽车、家电、航空航天等领域。而现代制造业中80%以上的塑料制品都采用注射成型加工制造。随着全社会环境保护和资源节约意识的不断增强, 塑料注射成型工业中不断涌现出多种绿色节能环保新技术。
1. 面向绿色制造的注射机
(1) 节能的动力驱动系统
随着伺服电机驱动液压泵的伺服节能系统的出现, 注射成型过程中节电20%~80%已成为可能。例如, 宁波海天集团推出的天泰系列电液复合动力注塑机, 其整机采用直压式锁模单元, 配以单缸注射结构, 采用伺服电机与滚珠丝杆结构实现“S”形开关模动作, 并用线性导轨导向, 速度快、平稳性好、精度高、能耗显著降低。
(2) 微型注射机
随着电子通讯、生化产业的飞速发展, 产品逐渐趋向小型化、轻量化和功能多样化, 对微细化零部件的需求日益增大。用传统注射机生产微型塑件, 流道凝料常占注射总量的90%, 浪费严重, 此外还伴随着质量难以控制, 废品率高等问题。微型注射机应运而生, 例如, 香港力劲机械国际有限公司推出的SP系列微型注射机注射系统精度可达5μm, 最小注射量为0.01g, 该微注射机采用无阀门结构设计排除了物料滞留于阀门的隐患, 并可减少材料浪费。
2. 面向绿色制造的注射成型工艺
(1) 超高速注射成型
对于薄壁、深腔制品的成型, 注射成型过程复杂, 塑料熔体充模流动困难, 而超高速注射成型 (注射速度达800mm/s时) 能有效消除成型缺陷, 降低废品率。
(2) 热流道技术
由于热流道成型从注射机喷嘴至浇口的塑料始终保持熔融状态, 每次开模时不需要固化成废料取出, 滞留在浇注系统中的熔料可在下一次注射时被注入型腔, 这样可以最大限度地减少原料的浪费。热流道技术的典型代表有马斯特模具、捷飞特 (GEFIT) 、信易等。
摘要：绿色设计和制造已成为塑料模具行业的发展趋势。把塑料模具设计、制造和塑料成型同绿色制造技术有机融合, 将在加速塑料成型工业发展的同时, 实现高质量、高效率、低成本、低污染的目标。
关键词：塑料模具,绿色制造,塑料成型工业
参考文献
[1]李发致编著.模具先进制造技术[M].北京:机械工业出版社.2003.3
[2]徐哲.高速切削加工在模具制造中的应用[M].CAD/CAM与制造业信息化化.2004, (11) :90-92
绿色塑料 篇2
塑料,绿色环保的材料
自1872年德国科学家用苯酚和甲醛第一次人工合成高分子材料酚醛树脂以来,塑料得到了飞速的发展,已成为国民经济和人们生活中最重要的材料之一,目前全世界年产塑料1.5亿吨左右,和钢铁、木材、水泥等构成了现代社会的`四大基础材料.
作 者：季君晖 Ji Jun-hui 作者单位：中国科学院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心 刊 名：国外塑料 英文刊名：WORLD PLASTICS 年，卷(期)： 22(4) 分类号： 关键词：绿色塑料 篇3
塑料制品行业是我国轻工行业的重要组成部分, 包括塑料薄膜、板片型材、塑料管材、泡沫塑料、人造革合成革、包装箱及容器、日用制品等子行业。随着应用领域的不断扩大, 国内塑料制品业年均发展速度超过10%, 2008年规模以上企业达到1.6万家, 产量已达到3713万吨, 实现工业总产值9638亿元, 约占轻工行业总产值的10%, 全国工业总产值的1.9%左右, 在国民经济中占有重要地位。
塑料行业的快速发展与环境保护之间的矛盾日益突出。产业规模不断发展壮大, 产品品种和产量不断增多, 废弃物的回收处理、再生利用成为全球关注的热点。由于其化学成分结构稳定, 很难自然分解消失, 如果处理不当就会给环境带来负面影响。面对当前环境、能源、安全以及人类健康等问题的日益严峻, 绿色塑料越来越受到重视。倡导绿色环保的消费理念、开发新型的生态环境材料、制定相关环保法律法规、规范生产厂商及消费者行为、健全回收体系、依靠科技进步不断提高废塑料资源利用水平, 成为发展绿色塑料产业的内容。笔者认为, 健全塑料回收体系、提高塑料资源再利用水平、研发新型生态环境材料 (即生物降解塑料) 是发展的重点。
一、塑料回收再利用产业发展现状
1、国外情况
据世界观察研究所公布的数字显示, 全世界每年塑料制品回收再利用率不到10%。欧洲回收率相对较高, 《欧洲塑料》发布的年度报告披露, 2006年欧洲包括材料循环利用和能量回收在内的塑料回收利用率超过50%, 比2005年提高3%。其中, 循环利用约占19%, 能量回收约占31%。欧洲的7个国家 (瑞士、丹麦、德国、瑞典、奥地利、荷兰和比利时) 2006年的废旧塑料回收率达到80%, 但欧盟成员国中还有一半的回收率仍低于30%。日本的塑料回收利用率也达到了26%。
上述国家不仅塑料回收利用水平相对较高, 而且提出了绿色设计的要求, 可回收、易回收成为产品原料的首选和产品设计的前提。如最近欧盟实施的EuP指令, 要求对进口电子电器产品进行从生产到报废全过程的环保监控, 这是继RoHS指令和WEEE指令之后, 欧盟发布的第三道针对电子电器产品的环保指令, 监控范围更加广泛。EuP指令要求电子电器产品选用无毒、低能耗、无污染或微量少污染的原材料, 选用可再生及可回收材料, 提高资源利用率, 规定电子电器产品只有取得认证后才能进入欧洲市场。EuP指令把“绿色制造”引入产品的整个生命周期, 包含“绿色原材料、绿色设计、绿色生产、绿色包装和使用、绿色回收与处理”等各个环节, 其中“绿色原材料”及“绿色包装和使用”将对塑料制品行业产生重大影响。
对此, 塑料产业界专家建议, 面对越来越多、越来越严格的国内外环保法规, 国内塑料企业应积极应对, 提高塑料原材料及制品的环保标准, 抓紧开发新型环保塑料助剂, 并加快有毒有害物质的替代进程。
2、国内情况
我国塑料原料十分短缺, 进口量大, 还有大量的废旧塑料进口。中国已经成为全球最大的废旧塑料市场和再生利用国, 同时也是全球废旧塑料进口量最大的国家。
目前, 国内塑料制品回收再利用仍处于起步阶段, 废旧塑料回收利用率很低, 废弃塑料及其包装物回收利用率还不到10%, 发展前景广阔。国内除塑料包装制品外, 塑料制品的报废高峰期还未到来, 但是随着多年消费后塑料的累积, 国内废弃塑料量呈快速增长趋势, 保守估计, 2004年废弃塑料产生量约为787万吨, 2005年约为960万吨, 2006年达到1384万吨。2007年达到约1720万吨, 再加上每年进口560～600万吨, 2007年产生量约2300万吨, 市场潜力巨大。
塑料回收再利用产业遇到了前所未有的发展机遇, 塑料再生市场规模不断扩大, 投资活跃, 正发展成为回收加工集群化、市场经营专业化的新型环保型产业。塑料回收、再生行业在我国具有广阔的前景。塑料再生既可节约资源, 缓解塑料原料供需矛盾, 又保护环境, 是塑料业持续发展的必由之路。
二、绿色塑料发展路径和当前应解决的问题
大力发展塑料回收产业和开发新型生态环境材料 (生物降解塑料) , 是发展绿色塑料产业的两种发展模式。大力发展塑料回收产业, 是生产—使用—回收—再利用的循环经济模式;开发新型生态环境材料是生态循环模式。
目前, 我国塑料再生企业1万多家, 回收网点遍布全国各地, 已形成一批较大规模的再生塑料回收交易市场和加工集散地。主要分布在广东、浙江、江苏、山东、河北、辽宁等塑料加工业发达省份。再生塑料回收、加工、经营市场规模越来越大, 年交易额大都在数亿到几十亿元。同时, 也应该看到, 虽然形成了一定的规模, 但回收利用技术落后, 粗放型的回收利用方式, 不仅容易形成二次污染, 而且回收利用产生的价值低, 严重阻碍了产业的发展。
塑料回收利用需要产业政策的扶持和推进。塑料回收利用率高的发达国家在推进塑料回收利用产业化过程中也得到了来自政府的资金、技术等多方面的支持。借鉴国外成功经验, 需要从以下几个方面重点推进:一是要做好产业规划, 发展再生塑料回收交易市场, 加强产业基地建设, 变分散经营为集中经营, 进行规模化生产和集中污染处理。二是开展再生塑料利用技 (转下页) (接上页) 术的研究, 实现塑料回收利用技术高级化, 通过扩大回收利用应用领域和提高产品档次, 提高塑料回收利用效果, 实现经济上的良性循环。三是有计划地组织国有大型企业参与回收利用体系建设, 改变目前的产业成份构成, 发挥国有大型企业的主力军的作用, 对集中回收利用政策性亏损的企业给予财政补贴, 保证正常运行。四是开展塑料回收综合利用示范工程建设, 优化资源循环利用模式和技术路线, 推广成功经验。五是协调各生产部门的关系, 打破产业垄断造成的封锁, 开放下游产品市场。六是大力推广绿色设计、绿色产品, 在制定相关标准时明确塑料回收利用指标, 开展回收利用率考核评定工作。七是建立废旧塑料回收利用行业准入制度, 提高准入门槛, 规范行业管理, 淘汰家庭作坊的回收和加工方式, 避免对环境形成二次污染。八是健全塑料回收分类等级制度, 完善标准, 提高塑料回收利用效果。
在积极开发塑料回收再利用技术的同时, 研究开发生物降解塑料成为当今世界各国塑料加工业的研究热点。目标是开发出一种能在微生物环境中降解, 完全进入生态循环的塑料。减少地膜、包装废弃物对环境的污染。同时, 这种塑料的生产成本较低, 具有相应的经济性, 在使用后就可与普通生物垃圾一起堆肥, 而不必花费很大代价进行收集、分类和再生处理。在生物降解塑料的研究开发方面, 世界各国都投入了大量财力和人力, 花费了很大的精力进行研究。塑料加工业普遍认为, 生物降解塑料是21世纪的新技术材料课题。
绿色塑料 篇4
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绿色塑料 篇5
关键词：聚乳酸,产业化,生物可降解,绿色塑料
生物可降解塑料是环境友好型新兴产业之一, 符合国家“十三五”发展规划的战略需求。聚乳酸 (PLA) 是一种新型生物基绿色塑料, 其原料来源于植物资源, 不但具有完全生物可降解性, 而且物理机械性能与聚苯乙烯相近。产品广泛应用于包装薄膜和泡沫材料、餐具、婴童用品、纺织纤维、生态农业、医用等领域, 为解决环境污染和石油依赖等问题提供有力的材料支撑[1]。PLA是性能和价格比最高的生物可降解塑料, 预计2020年全球市场需求将达到100万吨。目前只有美国Nature Works公司和采用本技术的浙江海正集团达到了产业化生产和应用推广。
乳酸低聚、裂解制备丙交酯及其聚合生产PLA的催化效率低, 高温和高真空下高黏物料的传质和传热差, 树脂产品及其加工过程中热稳定性差等是当前PLA产业化存在的关键科学与技术问题。针对这些世界性难题, 中国科学院长春应用化学研究所开展了生物基聚乳酸绿色塑料产业化关键技术的创新性研发及应用推广项目 (以下简称聚乳酸项目) , 从L-乳酸出发, 突破了乳酸低聚、裂解、丙交酯精制和开环聚合等一系列关键技术问题, 取得了一系列创新性成果。
聚乳酸项目实施以来, 建成了我国首家1.5万吨/年PLA生产线, 继美国Nature Works后在世界上第二个实现了PLA规模化生产和应用。开发了片材级、注塑级、耐热级、薄膜级、纤维级和低成本等30余种PLA树脂产品。产品通过了美国FDA安全认证和中国、美国、欧盟、日本、韩国等国家的生物降解认证。产品远销欧洲和日本等国, 与巴斯夫、帝人等国际大型企业合作进行新型制品开发及其推广应用, 根据相关企业反馈的销售数据, PLA及其制品的产值达到7.5亿元, 累计销售已超7亿元。项目的实施加速推动了以聚乳酸为龙头的生物可降解塑料行业的发展, 促进了我国在该材料领域的技术进步, 并对打破国外产品的垄断, 提升生物材料领域的基础研究水平及造福人类健康具有积极意义。
一、聚乳酸产业发展前景广阔
在石油资源日益枯竭和全球提倡低碳环保的大背景下, 生物基塑料在可持续发展资源的综合利用和生物可降解性能等方面与传统塑料相比, 更具无可比拟的优势。作为生物可降解塑料家族中的当家品种, 聚乳酸 (PLA) 以其良好的生物相容性和降解性受到各方青睐。PLA是由植物多糖 (淀粉、纤维素) 通过生物发酵生产的乳酸经化学方法合成而得到的一种新型环保塑料, 可以采用注塑、挤出等方式加工成各种包装用材料, 塑料型材, 薄膜, 以及无纺布, 纤维, 餐具, 婴童用品, 一次性用品如地膜、包装膜 (袋) 、食品袋、超市购物袋、垃圾袋、快餐餐具等。PLA用品废弃后又可以通过各种方式 (堆肥和自然条件) 快速降解为二氧化碳和水, 因此被认为是一种具备良好使用性能的绿色塑料。聚乳酸材料在用于纺织、包装等各种民用、工业应用和医疗特殊应用领域的同时, 还解决了塑料带来的白色污染问题, 是世界公认的环保、可持续发展的新型生态材料。[1]
聚乳酸 (PLA) 具有胜于现有塑料聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等材料的优点, 被产业界定为新世纪最有发展前途的新型包装材料, 是环保包装材料的一颗明星, 在未来将有望代替聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等材料用于塑料制品, 应用前景广阔。[2]我国是农业大国, 每年全国玉米产量充足, 可形成“玉米—乳酸—聚乳酸—共聚共混物—各种应用产品制备”的产业链。大大提高玉米的利用率及其附加值, 增加了农民收入, 有利于解决我国卖粮难的问题, 有效解决就业问题, 对促进产业结构调整和加快国家经济又好又快的发展具有积极作用。《国家“十二五”科学和技术发展规划》纲要中确定了培育发展七大战略性新兴产业, 其中新材料产业重点发展新型功能材料、高性能纤维及其复合材料等, 并提到了与聚乳酸产业相关的优先发展五大领域, 这将为聚乳酸产业投资带来良好的契机。
二、已开展的主要工作及重要成果
1. 研究工作历程
早在20世纪90年代末, 中科院长春应用化学研究所 (以下简称长春应化所) 就把研究重点聚焦到聚乳酸这一国家重大需求上, 并与浙江海正集团开展了联合攻关, 在2005年建成了国内第一条聚乳酸中试生产线。为进一步加速产业化步伐, 长春应化所于2007年开展“聚乳酸产业化及加工成型关键技术研究” (简称聚乳酸项目) , 2008年3月建成了我国第一家、世界第二家千吨以上聚乳酸规模化生产线, 完成了5000吨/年的聚乳酸产业化生产, 实现了国内聚乳酸产业零的突破。2014年底建立了年产1.5万吨生产线。聚乳酸项目拥有自主知识产权, 获10项发明专利, 1项应用专利。浙江海正生物材料股份有限公司***的本体聚合工艺达到国际先进水平, 并成为中国首家聚乳酸产业化生产的示范企业。
项目组从L-乳酸出发, 采取两步法合成聚乳酸树脂, 突破了乳酸低聚裂解、丙交酯精制和开环聚合的关键技术, 开发出片材级、注塑级、耐热级、薄膜级、纤维级、高结晶性和低成本等30余种聚乳酸专用树脂, 制定了各种树脂的企业标准。产品质量稳定, 在多个领域得到广泛应用。解决了制约聚乳酸吸塑、注塑和吹塑等加工成型关键问题, 形成了系列的聚乳酸加工技术。经过对不同级别聚乳酸树脂可纺性评价, 开发了聚乳酸熔融纺丝技术, 在千吨级预取向丝产业线上正常生产。[1]现拥有聚乳酸及聚乳酸改性牌号约30个, 其中主力销售牌号6个。与相关企业合作将聚乳酸及改性塑料用于工业化生产, 先后在10余家企业成功应用, 应用领域涵盖包装膜和泡沫材料、生态农业用塑料制品、一次性塑料使用制品、纺织纤维、医用塑料制品等, 具体产品包括一次性耐热餐具、餐盘、水杯、户外水壶、超市购物袋、文具等。该项目产品的广泛应用可为解决环境污染和石油紧缺等问题提供材料支撑, 具有重大的经济和社会意义。
2. 研究成果
聚乳酸产业化项目实施以来, 长春应化所加大研究力度, 科研人员奋力攻关, 取得了一系列创新成果, 具体表现在:
(1) 在国际上率先突破了新型乳酸低聚和高温裂解催化剂以及聚合催化剂的结构设计与合成等关键技术, 引领了聚乳酸行业中催化剂体系和聚合工艺新技术的推广。发明了连续聚合反应新技术, 解决了本体聚合中的传质和传热问题。新型高效耐高温、耐氧化和耐水解的PLA裂解催化剂、聚合催化剂的设计与合成提高了生产效率, 保证了产品质量, 获得了自主知识产权的生产技术, 打破了美国PLA生产专利的束缚。
(2) 开发了产业化示范生产成套工艺技术, 形成了产业化技术工艺包;开发了连续聚合反应工艺;研究了聚合反应新方法并设计出新型聚合反应器;开发了PLA应用关键加工技术, 如挤出、注塑、吹塑等;降低了PLA原料成本, 开发了功能化PLA的专用品种, 提高产品力学性能;改善了材料加工热稳定性, 阻止热降解反应的发生。
(3) 采用化学偶联和物理共混等方法, 获得了PLA复合材料的制备和加工技术;改善了树脂的加工熔体黏度, 提高了PLA树脂的熔体强度和剪切强度, 有利于PLA的吹膜加工。在适宜于聚酯 (PET) 双向拉伸设备上, 完善与优化了聚乳酸双向拉伸工艺, 获得了高分子量和高结晶度的聚乳酸双向拉伸薄膜;在现有的或改进的吹膜机组上实现聚乳酸的吹塑成膜, 形成产业化规模;发挥聚乳酸强度高、透明性好的特点, 结合其它材料的阻隔性好、抗撕裂性好等特点, 以多层共挤出技术获得了综合性能优异的多层薄膜。
(4) 采用双酰胺和多酰胺有机结晶成核剂, 使聚乳酸的半结晶时间从27min降低至0.97min, 结晶度从25%提高到40%, 在提高聚乳酸结晶速率的同时, 材料又保持了较好的力学性能, 该研究成果处于国内领先水平, 具有非常可观的市场前景。
(5) 通过改善聚乳酸单体丙交酯的纯化工艺来提高聚乳酸的旋光纯度, 促进了聚乳酸的结晶;利用结晶成核剂来控制聚乳酸的结晶速度、晶核尺寸和结晶度, 进一步提高聚乳酸产品的耐热性能、增加制品透明性;采用PLLA与PDLA复合工艺, 开发出了耐热高达170℃的聚乳酸产品, 适用于婴幼儿食品包装、餐具等领域。最终通过这些研究方案获得了耐热聚乳酸产品。
基于上述创新性结果的聚乳酸产业化关键技术满足了国家资源结构的优化利用战略需求, 不仅为当前通用塑料包装材料市场需求提供了技术保障, 还大幅度降低了通用塑料行业的污染排放, 为促进我国化学工业的可持续发展, 构建节约型和谐社会做出了重要贡献。
3. 代表性应用
聚乳酸产业化项目顺利实施之后, 项目组一方面在产品生产工艺上继续改进, 稳定并提高产品品质, 同时在应用市场方面, 根据聚乳酸材料的特点, 开展相应的改性研究及加工工艺的研究, 推出一系列改性牌号, 克服了聚乳酸的产品缺陷, 极大地拓展了聚乳酸应用领域。截至目前, 海正生物材料公司仅树脂生产累计产值近2.2亿元, 累计销售已超2亿元。其中最具有代表性的应用为:
(1) 技术升级提高产品指标。通过对反应器的设计, 安装新型无搅拌管式反应器, 实现了可控的传质传热与可控的聚合反应, 能耗和装置成本得以降低。开发新型裂解催化剂, 提高产品光学纯度并降低生产成本。通过上述核心技术的升级, 可以灵活调整聚乳酸树脂的指标参数, 使聚乳酸熔点控制在120℃~175℃的更广范围内, 熔体流动速率可以控制在2~30g/10min, 粘均分子量可控制在4~8万范围内。产品指标的提高也增加了产品的市场竞争力。
(2) 改性聚乳酸及加工工艺的开发。针对纯聚乳酸耐热性差的缺陷, 我们开发出聚乳酸专用成核剂, 在此基础上开发了耐热聚乳酸的配方及热处理、模内结晶、吹瓶等多种加工工艺, 将聚乳酸的耐热使用温度由不足60℃提高至110℃以上, 使得聚乳酸材料能够满足不同领域的应用要求。针对聚乳酸质地坚硬、熔体强度低的缺陷, 通过反应共混改性的方法将聚乳酸与柔性可降解高分子材料混合, 开发相应的相容剂及熔体增强剂等助剂, 及相应的吹膜加工工艺, 使聚乳酸吹膜改性料可以在普通PE吹膜机中成型。薄膜性能优异, 其纵向拉伸强度可达37MPa, 纵向断裂伸长率229%, 横向拉伸强度可达28MPa, 横向断裂伸长率391%, 强度高于市售PE薄膜, 断裂伸长率与市售PE薄膜相当, 完全可以满足实际使用要求。
(3) 建成了聚乳酸及其产品检验检测平台, 并取得计量认证证书, 本平台具备完善的检测能力, 能为社会提供聚乳酸树脂和聚乳酸制品的检测服务。检测类别涵盖聚乳酸树脂的各项性能指标, 聚乳酸制品快速检测以及聚乳酸制品的含量及灰分等共计20个参数的检测。该平台将为各级政府监管提供强有力的技术支撑, 为消费者、生产企业提供检测及技术交流平台。
三、聚乳酸产业发展面临的问题及举措
聚乳酸产业的发展关键在于核心技术的创新与突破, PLA产业化核心技术主要分为合成、改性、加工和规模化生产等4个方面。针对这些问题, 项目组提出以下建议:
1. PLA及共聚物的化学结构有待进一步提高
PLA及其共聚物的化学结构设计进一步提高PLA的力学性能和开发PLA共聚物新型树脂产品是PLA未来发展的一个重要方向。开发出具有不同组成和特定化学结构的PLA及其共聚物, 根据不同应用性能的要求, 形成PLA树脂和制品的系列化, 从而拓宽PLA材料的应用范围。可以与聚丁二酸丁二醇酯 (PBS) 、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯 (PBAT) 及聚ε-己内酯 (PCL) 共聚, 开发出PLA-PBS、PLA-PBAT、PLA-PCL等全生物可降解绿色塑料, 通过共聚改善PLA的脆性。
2. 在改性加工方面, 需要根据不同应用目的, 开发专用PLA加工技术和方法
作为较硬的热塑性塑料, PLA的性能与聚丙烯、聚苯乙烯及聚对苯二甲酸类塑料比较相似, 具有很多独有的特性, 比如良好的透明性、良好的表面光洁度、高硬度和较好的印刷显示效果。但是, PLA也有很多特性限制了其在纺丝、泡沫塑料、衬垫包装以及地膜等领域的应用。在高附加值应用领域的使用也受其机械性能、热变形温度、气体穿透性、耐久性等性能的限制。在电脑、电子电气及汽车行业等高附加值应用领域, PLA的防火性、耐用性是必须具备的。在高温100℃和湿度80%~90%的长期使用条件下容易发生降解。如果不经过共混改性, PLA就无法满足高附加值应用领域的耐久性要求。因此, 共混改性工艺在扩大PLA应用到高附加值产品和弹性膜类产品上极为重要。[3]
3. PLA制品的加工技术亟需突破
目前, 国内成型PLA制品的加工技术、成型设备、模具、辅助材料、标准及检测等都不完备, 跟不上PLA市场快速需求, 从研究和技术方面完全滞后于传统以石化为资源的材料产业。[4]开发高耐热纤维, 高耐热透明度高的婴儿奶瓶, 高抗冲击工程塑料PLA, 高发泡率PLA泡沫材料等专用树脂及其制品的加工技术是今后重点的研究与应用开发方向。
4. PLA合成工艺仍需优化
进一步优化PLA合成工艺条件, 设备改造和工艺技术创新提升, 简化工艺流程, 提高产品收率和生产效率, 降低生产成本, 改善产品性能。在扩大PLA市场的同时, 建设每年生产规模在5万吨级以上的PLA生产线, 进一步提高规模效应, 最终形成几百万吨的PLA新型绿色环保塑料行业。同时, 结合行业现状, 制定各项标准, 加大宣传力度, 增强公众对PLA等生物塑料的认知度, 从而促进我国PLA产业的良性快速发展。
参考文献
[1]于洋, 聚乳酸产业化项目通过验收[N].中国化工报, 2012.
[2]秀平, 新包材聚乳酸应用前景广阔[J].中国食品质量报, 2004.
[3]甄光明, 张杰.生物降解塑料聚乳酸及其工业应用[J].新材料产业, 2009.