深度：新材料循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展路徑

魔猴君  行業(yè)資訊   2121天前

新材料是指那些在某種程度上對工業(yè)系統(tǒng)而言是全新的材料。如納米材料、石墨烯和稀土元素等。對于新材料而言，重要的不是這些材料的存在，而是它們是否可以實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用。而循環(huán)經(jīng)濟則是指盡可能長時間地維持材料的最高使用價值。為此，產(chǎn)品在設(shè)計的時候必需確保其耐用性、易修復(fù)性和可再生性。
目前工業(yè)用材料的類型越來越復(fù)雜，這不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品品種上，也體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)規(guī)模及如何結(jié)合使用方面。許多新材料的開發(fā)改善了環(huán)境，如輕質(zhì)材料可提高燃料運輸效率，但隨著材料復(fù)雜性的增加，則很難從廢棄產(chǎn)品中恢復(fù)其價值。并且新材料的回收還需要新的廢物管理基礎(chǔ)設(shè)施。如果在開發(fā)新材料的早期階段就考慮到這些因素，則有望避免潛在的問題。
一、建立新材料循環(huán)經(jīng)濟的必要性
產(chǎn)品使用的全生命周期過程及其原始價值的可再生性，是由一系列相關(guān)因素決定，見表1。其中一些因素是材料固有的，而其他因素則是使用材料的產(chǎn)品固有的。而產(chǎn)品生命周期結(jié)束指的是最后一個用戶使用完并丟棄某一產(chǎn)品。除此之外，生產(chǎn)過程也會產(chǎn)生廢物，正如表1所示，許多因素可以增加回收價值。本報告將重點關(guān)注規(guī)?；瘧?yīng)用的產(chǎn)品所涉及的材料和工藝，并探討如何充分利用這些材料和工藝。

通?；厥瞻?個過程：
一是收集。任何產(chǎn)品或材料回收的第一步是，確保其實現(xiàn)可再生回收或循環(huán)利用的條件，這一過程通常稱為“逆向物流”。 收集的過程主要取決于產(chǎn)品自身價值、市場機制以及立法等要求。
二是分揀。這通常涉及兩個階段。分離可再生的任何產(chǎn)品及零部件；將剩余部分加工成材料流。

三是再加工。再加工的目標(biāo)是生產(chǎn)出可與原始材料完全相同的材料。如金屬的再加工等。但是當(dāng)回收材料過于多樣化時，則需要損失一部分材料。如當(dāng)電子廢物被粉碎并送去再加工后，其中的稀土金屬將損失。

二、建立新材料循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展路徑
建立新材料的循環(huán)體系，一方面是由于材料價值的因素，另一方面就是政策驅(qū)動。圖1展示了建立最大限度實現(xiàn)新材料循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展路徑。
如果某一種材料不能被分離并轉(zhuǎn)化為適于再加工的形式，一是可以投資使用更好的分揀和識別技術(shù)；二是更改設(shè)計，以便單獨拆除和加工高附加值零部件。如果某一種材料可從廢物流中分離出來，但由于缺乏相關(guān)技術(shù)或就近運輸成本較高而沒有進行再加工的設(shè)施，那么一是研究開發(fā)新設(shè)施。這將取決于是否存在適當(dāng)?shù)脑偌庸ぜ夹g(shù)，原料的充足性及再加工材料的市場價值；二是可與學(xué)術(shù)界或其他研究機構(gòu)合作開發(fā)解決方案。但是，如果回收材料的市場不夠大，沒有辦法維系一個新的再加工設(shè)施，那么就需要政府來決策。

如果某一種材料可以進行分離和再加工，但其價格只占其原始價值的一小部分，那么一是提高現(xiàn)有再加工技術(shù)；二是考慮進行商業(yè)化推廣。
如果與原始替代材料相比，制造商更難使用回收材料，則再加工商可與制造商或其供應(yīng)商合作，將回收材料轉(zhuǎn)換為適合其工藝的形式。
圖2展示了收集系統(tǒng)發(fā)展面臨的障礙。如果沒有收集系統(tǒng)，則需評估材料是否可以支持商業(yè)收集和再加工供應(yīng)鏈。這將取決于材料的貨幣價值和可用數(shù)量。如果材料的價值不夠高，或總的市場規(guī)模過小，沒有辦法支持可行的再加工設(shè)施，則只能依靠政策驅(qū)動來進行回收。

三、細分新材料領(lǐng)域循環(huán)體系的建設(shè)
1.碳纖維復(fù)合材料
20世紀(jì)50年代起，碳纖維復(fù)合材料在運輸和可再生能源領(lǐng)域中得到迅速發(fā)展。隨著應(yīng)用的快速增長，對汽車用碳纖維的回收成為重點。成功回收汽車用碳纖維可以形成一個良性循環(huán)，增加汽車部門的材料使用。由于成本高昂，碳纖維目前僅應(yīng)用于高端汽車部門。捷豹路虎汽車公司開展的研究表明，碳纖維零部件成本比鋼材零部件成本高出20倍，比鋁材零部件成本高出10倍，也就是說，在向大眾市場推廣碳纖維之前，必需降低碳纖維成本（見圖3）。
與原材料相比，從加工廢物中收集纖維的交易貼現(xiàn)率為20%～40%。也就是說，從報廢車輛中回收優(yōu)質(zhì)碳纖維可大大提高低成本纖維的供應(yīng)，并加速促進向輕量化節(jié)能汽車的過渡。汽車碳纖維的生命周期如圖4所示。
（1）存在的障礙一是材料障礙。熱解是回收纖維唯一的商業(yè)化技術(shù)。但熱解將燃燒復(fù)合材料中的聚合物 （質(zhì)量約為材料的1/3），其中僅有一小部分能量以熱能的形式被回收。
二是技術(shù)障礙。現(xiàn)有分揀或再加工基礎(chǔ)設(shè)施不適用于纖維回收?，F(xiàn)有分揀基礎(chǔ)設(shè)施需要進行粉碎，這一過程一是可能導(dǎo)致回收纖維材料過??；二是可能帶來材料的污染。
三是市場障礙。優(yōu)質(zhì)回收碳纖維市場已經(jīng)供大于求，其從生產(chǎn)廢物中回收大量的纖維。
（2）面臨的機遇
一是產(chǎn)品重新設(shè)計。由于碳纖維復(fù)合材料不適用于為金屬車輛開發(fā)的組裝系統(tǒng)，例如螺栓連接和焊接，因此有機會開發(fā)更適合于復(fù)合材料的方法，同時便于回收環(huán)節(jié)的拆卸過程。這將需要更新設(shè)計軟件，以更好地考慮復(fù)合材料的特點?？梢圆鸪図敾蜍嚿戆宓炔考?，以生成純碳纖維復(fù)合材料部件流，通過修理操作進行重復(fù)使用，或通過現(xiàn)有的熱解設(shè)施進行再加工。
二是開發(fā)替代回收技術(shù)。一是可利用“流化床熱解”技術(shù)替代傳統(tǒng)熱解技術(shù)，這項技術(shù)可在商業(yè)前階段回收優(yōu)質(zhì)纖維。并更適用于處理廢物原料的可變性質(zhì)；二是考慮研究熱固性復(fù)合材料的化學(xué)回收技術(shù)。這些技術(shù)能夠增加回收纖維的一致性，因而可實現(xiàn)高價值回收。
三是增加回收纖維的價值。一是擴大應(yīng)用范圍，使用回收碳纖維來替代其他材料。例如，將回收纖維用于非織造墊中，可以提供與玻璃纖維和鋁相同的性能，但質(zhì)量更低。二是增加回收纖維的一致性，以提供與原始纖維相同的功能，但由于目前僅停留在實驗室規(guī)模，因此需要進一步投資對其進行商業(yè)化推廣。三是通過將回收纖維用于銷售給汽車制造商的中間產(chǎn)品中，可以進一步增加回收纖維的價值。
四是改良汽車復(fù)合材料中的聚合物。目前大多數(shù)的碳纖維復(fù)合材料包含熱固性塑料，這是不可再生的，而熱塑性復(fù)合材料可通過加熱進行重新塑形或熔煉，提高其對快速制造的適用性和再循環(huán)能力。它們還具有重塑部件以供再利用的潛力。聚醚醚酮（PEEK）是汽車應(yīng)用中性能等同于熱固性材料的唯一一種熱塑性塑料，但其價格高昂。因此，需研發(fā)可更好地涂覆纖維預(yù)制件的增材或新熱塑性塑料（即降低粘性），改良熱塑性塑料；研發(fā)可以更好地實現(xiàn)碳纖維-熱塑性塑料粘合的涂料（即使得纖維更易于用于制造業(yè)的涂料），改良纖維；還可以提高熱固性聚合物的再循環(huán)能力。
因此，碳纖維復(fù)合材料循環(huán)體系如表2所示。
2.生物塑料
生物塑料指的是生物基塑料或可生物降解塑料。生物基塑料是由植物或其他非化石燃料原料制成的塑料，包括常見的塑料類型，如聚乙烯和目前小規(guī)模應(yīng)用的應(yīng)急塑料；可生物降解塑料可化學(xué)分解成無毒化合物，包括在正常條件下可分解的塑料，以及只有在工業(yè)堆肥或厭氧消化設(shè)施內(nèi)才會分解的塑料。這2個類別并不相互排斥，因為有些生物塑料既是生物基塑料又是可生物降解塑料。
盡管目前對生物塑料關(guān)注度逐漸提高，但實際上生物基塑料僅占整個塑料市場的一小部分（約0.5%），生物塑料市場結(jié)構(gòu)如圖5所示。
（1）存在的障礙
一是材料障礙。在某些情況下，與傳統(tǒng)塑料相比，生物塑料的功能性更低。這限制了其應(yīng)用范圍，可能出現(xiàn)多種聚合物用于類似應(yīng)用的現(xiàn)象，從而給回收帶來障礙。
二是技術(shù)障礙。利用現(xiàn)有廢物管理系統(tǒng)對生物塑料進行回收可能帶來技術(shù)障礙，如提高現(xiàn)有分揀技術(shù)的復(fù)雜性，特別是給物理分揀帶來困難。但如不將生物塑料與其他聚合物相分離，則會不利于回收，并產(chǎn)生污染。
三是市場障礙。并不是所有的塑料包裝都進行收集回收。雖然英國幾乎所有地方均收集塑料瓶，但只有少數(shù)地方收集其他硬塑料，如壺、桶和托盤，且很少有地方收集塑料薄膜。即使市場上的所有生物塑料都被收集，目前要維持一個可行的閉環(huán)回收工廠供給仍不充足。
（2）面臨的機遇
一是以廢棄生物質(zhì)用作原料。可以使用二次原料，如廢物或其他工藝的低價值副產(chǎn)物，生產(chǎn)生物塑料。一方面，對環(huán)境影響?。涣硪环矫?，還可以確保英國產(chǎn)量，確保得到相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)。但是，轉(zhuǎn)用有機廢物原料遠非易事。需考慮經(jīng)濟可行性和原料可用性的季節(jié)變化。除此之外，將廢物原料轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)生物塑料所需的化學(xué)材料的許多過程都依賴于大量耗費資源的酶。
為了促進生物塑料廢物原料的使用，有必要采取以下措施：繪制可用的原料，包括其供應(yīng)數(shù)量和任何季節(jié)性變化；確定從特定廢物流到特定生物塑料的最直接轉(zhuǎn)換路徑，如來自乳制品廢物的PLA；優(yōu)先生產(chǎn)平臺化學(xué)品，即可生產(chǎn)許多其他化學(xué)品的化合物，及使用高產(chǎn)量原料生產(chǎn)的化合物，例如，利用農(nóng)業(yè)廢物中的纖維素生產(chǎn)乙醇；確定將生物燃料生產(chǎn)或厭氧消化等其他生物燃料工藝的輸出用于生物塑料生產(chǎn)的適宜性，與糖（最簡便的生物材料轉(zhuǎn)換方式）相比，衡量不同廢物原料易用性的指標(biāo)將有助于實現(xiàn)這一點。必需加強食品生產(chǎn)和制造業(yè)部門之間的合作，以增加用作原料的廢棄生物質(zhì)的使用。應(yīng)召集公共部門，提供信息和資助研究和發(fā)展。
二是改進分揀過程。為了防止建立的回收流被污染，必需按照聚合物類型識別和分揀塑料。雖然這可以通過近紅外光學(xué)分揀技術(shù)來實現(xiàn)，但不是所有設(shè)施都擁有這一技術(shù)，即使有，含有黑色素或完全被標(biāo)簽覆蓋的產(chǎn)品可能加大這一技術(shù)的復(fù)雜性。幸運的是，近期引入市場或接近市場的許多解決方案，使用光學(xué)技術(shù)來提高分揀效率。除此之外，正在開發(fā)數(shù)字水印和熒光油墨，以實現(xiàn)更細粒度的塑料分揀。
三是選擇性使用可生物降解塑料。在普遍采用光學(xué)分揀技術(shù)對收集的塑料進行分揀之前，可生物降解塑料的使用應(yīng)限制在目前尚未實現(xiàn)回收循環(huán)的應(yīng)用中。除此之外，還應(yīng)提高人們對如何使用各種塑料的認識。為解決這一問題，可以按照應(yīng)用對聚合物類型進行標(biāo)準(zhǔn)化，并制定相關(guān)法規(guī)條例。

四是實現(xiàn)生物塑料的潛力

確定可能用于不同應(yīng)用的生物塑料，特別是可生物降解塑料開發(fā)產(chǎn)品系統(tǒng)。目前，大多數(shù)生物塑料都在實現(xiàn)其可再生性，特別是生物降解能力。其中，大量生物塑料還有可能采用廢物原料制成，或通過解聚進行回收。

現(xiàn)有生物塑料可提供與傳統(tǒng)塑料完全相同的功能的應(yīng)用仍較少。與碳纖維相類似的是，新的生物塑料可能有效用于復(fù)合材料應(yīng)用。如果此類聚合物可解聚，則其可幫助解決從復(fù)合材料應(yīng)用中回收材料的問題。除此之外，還可以在3D打印中使用生物塑料。PLA是一種廣泛用于3D打印的材料。因此，需要開展更多的材料科學(xué)研究來改善生物塑料的功能，包括改善現(xiàn)有生物塑料性能，研發(fā)可用于生產(chǎn)新生物塑料的新生物單體。
因此，生物塑料循環(huán)體系如表3所示。
3.3D打印材料
3D打?。ˋM）技術(shù)是通過逐層堆積而非從初始板材中去除材料來生產(chǎn)某一物品，后者稱為“減材制造”。其使用的技術(shù)類型如圖7所示。

3D打印可以使用任何可以熔化或成型的材料，包括塑料聚合物、金屬、蠟、木材、陶瓷材料、巧克力甚至人體組織，并由計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件驅(qū)動。過去30年來，3D打印的使用迅速增長，從1987年第一次投入商業(yè)應(yīng)用到2016年全球市場規(guī)模達到50億美金。3D打印設(shè)備客戶的收益分布如圖8所示。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)可以快速、低成本地生產(chǎn)訂制產(chǎn)品。
由于3D打印技術(shù)具有快速成型、創(chuàng)新設(shè)計、小規(guī)模生產(chǎn)、資源利用效率高等特點，因此，3D打印技術(shù)有望支持各行各業(yè)向循環(huán)經(jīng)濟過渡。
（1）存在的障礙
一是生產(chǎn)獨特復(fù)雜多材料產(chǎn)品能力降低了可再生性。3D打印技術(shù)的規(guī)?；喼瓶梢詫崿F(xiàn)將不同材料組合整合到同一類型產(chǎn)品中，但這將給分離和回收有用材料帶來極大障礙。形式的訂制可能不會構(gòu)成威脅，如僅由一種聚合物制成的玩具。然而，多種材料類型的訂制就很難處理。為了避免增加不可再生產(chǎn)品的數(shù)量，應(yīng)開展特定部門分析，以確定應(yīng)避免3D打印生產(chǎn)的哪些材料組合及哪些應(yīng)用。
二是對電子廢物的潛在貢獻。英國國內(nèi)3D打印機的市場依然相對較小。據(jù)估計，2015年3月，英國僅銷售了10萬臺3D消費打印機，但2013年一年就出售了200多萬臺傳統(tǒng)消費打印機。預(yù)計到2030年，美國和歐洲將有一半家庭擁有3D打印機，因此，這可能帶來不斷增長的電子廢物問題。避免這種情況的一個方法是，通過租賃或基于服務(wù)的商業(yè)模式擴大3D打印技術(shù)的使用。由于硬件成本相對較高，這些方法被廣泛用于商業(yè)傳統(tǒng)打印機的供應(yīng)。此類服務(wù)通常由打印機制造商或?qū)ｉT的印刷服務(wù)公司直接提供。除此之外，也可以通過3D中心使用3D打印機，這些新的平臺將為希望在本地打印的人群提供服務(wù)。由于硬件仍在開發(fā)當(dāng)中，在設(shè)計階段可以最大化重復(fù)使用和再制造的潛力。更耐用的硬件將提高租賃或基于服務(wù)的商業(yè)模式的盈利能力。
（2）面臨的機遇
一是實現(xiàn)產(chǎn)品耐用性、可修理性和可再生性方面的重新設(shè)計。目前發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟面臨的障礙之一是，大多數(shù)產(chǎn)品在設(shè)計之初并未考慮到可再生性，因此使用3D打印技術(shù)來降低產(chǎn)品重新設(shè)計的成本，可以進一步擴大再利用、修理和回收產(chǎn)品范圍。除此之外，3D打印技術(shù)可以使產(chǎn)品設(shè)計更符合循環(huán)經(jīng)濟的商業(yè)模式。
二是支持再制造。再制造和修理是3D打印的新應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是那些通常認為沒有辦法修理的物品，如軸承和密封件。因此，需進一步確定3D打印技術(shù)可適用于哪些再制造以及哪些部門，從而增加獨立再制造企業(yè)的生存能力。
三是生產(chǎn)小批量和停產(chǎn)備件。生產(chǎn)部件已是3D打印技術(shù)最常見的應(yīng)用之一。3D打印技術(shù)可以解決備件可用性局限的問題，可以根據(jù)需要生產(chǎn)備件，降低修理產(chǎn)品的成本。3D打印硬件成本的降低也將增加獨立修理企業(yè)，和生產(chǎn)自有備件并從事簡單修理工作的家庭的生存能力。
然而，使用3D打印生產(chǎn)備件也存在一些問題。即在生產(chǎn)原本不是使用3D打印生產(chǎn)的部件時，也就是沒有相關(guān)數(shù)字設(shè)計文件時，3D打印技術(shù)的適用性。其中關(guān)鍵的因素就是開發(fā)3D打印 CAD文件的難易程度。三維掃描技術(shù)可用性和精細化的提高可解決這一問題，但應(yīng)注意知識產(chǎn)權(quán)和保修限制設(shè)計問題。
四是資源利用效率更高的生產(chǎn)。3D打印的明顯吸引力之一是，其能夠減少生產(chǎn)中使用的材料數(shù)量。由于3D打印技術(shù)將堆積而不是去除多余的材料，因此從理論上來說，僅使用最終產(chǎn)品所需的材料量。3D打印還能夠通過掏空件及選擇性地將材料施加到承載區(qū)域，高效地使用材料。除此之外，還可以加大使用可再生原材料，加強對未使用印刷品和印刷材料的回收，從而降低3D打印使用材料的環(huán)境影響。

3D打印可在多大程度上幫助設(shè)計和制造更適合循環(huán)經(jīng)濟的產(chǎn)品，將隨著所涉及的產(chǎn)品類型而異。為此，需審查滿足不同部門產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料和成本要求的技術(shù)能力。表4顯示了已經(jīng)采用3D打印技術(shù)來提供改善的循環(huán)經(jīng)濟結(jié)果的部門。


在汽車和航空部門中，3D打印幫助實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的潛力最大。由于硬件成本高，使用壽命長，這2個部門已采納了許多循環(huán)經(jīng)濟原則。但是，對于其他行業(yè)來說，有必要確定使用3D打印的障礙，以及如何通過進一步研發(fā)來推進這一進程。如果面臨的是成本障礙，那么隨著時間的推移，技術(shù)成本最終將會下降。 如果面臨的是沒有辦法滿足材料要求的障礙，則需要開展更具針對性的研發(fā)活動。
因此，3D打印材料循環(huán)體系如表5所示。



四、措施建議
1.支持制造企業(yè)通盤考慮新材料全生命周期循環(huán)
在開發(fā)階段，制造企業(yè)就硬確定哪些因素將影響新材料在大眾市場的循環(huán)使用，以避免材料的回收再利用，也就是從初始階段就設(shè)計出使用時間更長、效用更高的產(chǎn)品。

2.支持部門合作研發(fā)回收材料新應(yīng)用

支持供應(yīng)鏈企業(yè)開展合作，最大限度地抓住物料價值最大化的機會，開發(fā)出單一企業(yè)沒有辦法單獨實現(xiàn)的系統(tǒng)。例如，再加工企業(yè)和制造企業(yè)之間的合作將確?；厥詹牧吓c現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的匹配。

3.資助可循環(huán)利用新材料和回收新技術(shù)研發(fā)
通過公共資助來開發(fā)和部署新材料的研究，并始終將產(chǎn)品生命周期結(jié)束時的回收考慮在內(nèi)。公共政策應(yīng)該促進價值最高、環(huán)境影響最小的回收系統(tǒng)研發(fā)，而不是鼓勵垃圾填埋和焚燒等低價值方案。

來源：中國3D打印網(wǎng)