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浅谈聚苯乙烯泡沫塑料的回收与利用
2019-12-02

我国聚苯乙烯泡沫塑料的年需求量在150万吨左右,并以每年10%的速度递增。用掩埋、焚烧等常规方法处理废聚苯乙烯泡沫塑料不仅产生二次污染而且浪费资源,我国要实现快速可持续经济发展目标,就必须充分利用现有的资源,发展循环经济。

聚苯乙烯及其制品简介

聚苯乙烯塑料(PS)或聚苯乙烯泡沫塑料(PSF)是世界上应用最广泛的塑料之一,他是热塑性塑料,产量位居第三仅次于聚氯乙烯和聚乙烯。聚苯乙烯及其制品广泛应用于各种包装材料、广告装潢、泡沫保温材料、缓冲材料及一次性餐具等。但由于PSF多属一次性应用,易于造成浪费且其制品密度小(一般为0.015~0.03)体积大,不易降解,另外废PS泡沫塑料本身所带的有毒物质又会污染地下水破坏土壤结构,成为白色污染。回收与利用聚苯乙烯及其制品有其必要性,既能减少其对环境的污染又能节约资源达到经济效益。

废旧聚苯乙烯泡沫塑料的回收技术

由于白色污染越来越严重,各国政府都十分重视聚苯乙烯泡沫塑料的回收与利用。在一众的科研人员的努力下回收技术有了一定的进步。

2.1生物降解法

将聚苯乙烯泡沫塑料变成生物可降解材料是一种最简便直接的处理方法,能够从源头上控制PSF环境污染问题。加拿大Cascades公司研发了一种能加速聚苯乙烯泡沫塑料氧化降解作用的专用助剂TDPA,添加了该助剂的PSF在使用性能上没有变化,但在氧、热、紫外光辐照或机械应力作用下能变成能被细菌和其它微生物吸收消化的细粉料,氧化降解时间约为3年,该技术已应用于Cascades公司的Bioxo系列商品中[2]。爱尔兰国立大学和德国汉堡大学的研究人员开发了一种两步法工艺,可将废弃聚苯乙烯转化为可生物降解塑料,首先是将聚苯乙烯热解为苯乙烯油,然后利用一种细菌在氮气氛下使苯乙烯油转化为聚羟基烷基酸酯(PHA),PHA是一种生物降解材料,可进一步生产通用的热塑性塑料[3]。生物降解法技术含量较高,这方面研究已取得了一定突破,但距大规模工业化应用还有很长一段路,需要在实践中检验和发展。

2.2熔融挤压成型回收法

熔融挤压成型回收法对设备要求不高,工艺简单,容易操作,投入小,适用于一般中、小型厂。是目前最成熟、应用最广泛的一种PSF回收利用方法。

熔融挤压成型回收法主要为对废旧PSF进行熔融造粒回收,或用溶剂溶解废旧PSF,再通过过滤、挤压并与溶剂分离回收聚苯乙烯树脂。如模压法再生聚苯乙烯泡沫塑料板材工艺,是将回收树脂粉碎为细小粒子,通入蒸汽预热,在一定温度和压力条件下二次压缩再生得到聚苯乙烯泡沫塑料板材,除表观密度略高于新板材外,其它各项性能均符合标准GB10801-89《隔热用聚苯乙烯泡沫塑料》的指标。由于PSF中填料、防老剂等添加物较多,直接熔融造粒会造成性能下降,限制了使用范围,而溶剂回收法可以得到较纯净的聚苯乙烯原料。溶剂回收法的关键在于找到一种高效无毒且廉价的良溶剂或减容剂[7],常用溶剂中二甲苯、氯苯、卤代烃等有一定毒性、产生二次污染,而酯类(如碳酸酯、乙酸丁酯和尼龙酸二甲酯)、植物油类(如桔油、柠檬精油、萜烃)的价格较贵。吉林大学高贵等利用废食用植物油甲酯化产物作为减容剂,以等体积0#柴油为沉淀剂,滤去聚苯乙烯沉淀后,滤液不分离处理直接用于制备生物复合柴油,这种以废治废、实现双重利用的做法值得借鉴。宋学君等采用固液萃取法对废弃聚苯乙烯泡沫塑料进行消泡、萃取,将有机添加剂(如发泡剂、增塑剂等)溶于萃取剂中除去,回收聚苯乙烯纯度达99%以上,如利用石油裂解副产物为溶剂回收废旧PSF,以废治污,石油裂解副产物为溶剂低毒高效、资源丰富、可循环使用。

废聚苯乙烯泡沫塑料直接粉碎后作为混凝土轻骨料使用,与水泥复合而成轻质混凝土材料或外墙保温板,具有吸音隔热作用。由于PSF与水泥相容性不好,分散性差,需要对PSF做表面改性处理增强相容性。ShinC等以废泡沫聚苯乙烯为原料通过静电纺丝技术制成500nm左右的亚微米聚苯乙烯纤维,以这种纤维制成的无纺布具有优异的过滤性能。

?2.3裂解回收法

将废聚苯乙烯泡沫塑料在高温高压和催化剂催化条件下进行裂解,可回收苯乙烯单体及苯乙烯衍生物,裂解回收法的关键在于高效催化剂的研制和新技术开发,以提高产物回收率和选择性。

目前研究最多的聚苯乙烯裂解催化剂是固体酸、固体碱以及过渡金属氧化物,如二氧化硅、氧化铝、氯化锌等。其中固体碱类催化剂效果较优,能够同时提高裂解液的产率和苯乙烯单体选择性。热裂解法反应温度高,聚苯乙烯易于局部受热过度而结炭,导致苯乙烯单体回收率降低,超临界流体(如CO2、水等)降解技术具有优异的流动性、传热性和溶解性,能有效抑制反应过程中结炭现象,为废旧塑料回收利用开辟了新途径,有望成为今后的发展方向。如超临界水部分氧化法是应用超临界水的独特性质在缺氧环境中将聚合物部分氧化,在温度为382摄氏度、压力为24MPa时,降解产物中苯乙烯的含量随着加入氧气量增加,苯乙烯选择性通常超过90%,该方法在密闭的反应器中降解效率高,操作环境安全、清洁、无挥发性的降解产品逸出。利用超临界流体作为反应媒介回收聚苯乙烯,既节省资源,又保护环境,能在短时间内、高效率地分解废旧塑料,但这项技术尚处于探索阶段,还有大量的理论和实际问题亟待解决。

?2.4溶剂法回收

溶剂回收法的关键在于找到一种高效无毒且廉价的良溶剂或减容剂,常用溶剂中二甲苯、氯苯、卤代烃等有一定毒性、产生二次污染,而酯类(如碳酸酯、乙酸丁酯和尼龙酸二甲酯)、植物油类(如桔油、柠檬精油、萜烃)的价格较贵。吉林大学高贵等利用废食用植物油甲酯化产物作为减容剂,以等体积0#柴油为沉淀剂,滤去聚苯乙烯沉淀后,滤液不分离处理直接用于制备生物复合柴油,这种以废治废、实现双重利用的做法值得借鉴。宋学君等采用固液萃取法对废弃聚苯乙烯泡沫塑料进行消泡、萃取,将有机添加剂(如发泡剂、增塑剂等)溶于萃取剂中除去,回收聚苯乙烯纯度达99%以上,如利用石油裂解副产物为溶剂回收废旧PSF,以废治污,石油裂解副产物为溶剂低毒高效、资源丰富、可循环使用。

废旧聚苯乙烯泡沫塑料的应用

废旧聚苯乙烯泡沫塑料回收之后如何有效地利用才能有效使其得到经济效益最大化,而且对环境的危害降到一个较低的水平。下面介绍一下废旧聚苯乙烯泡沫塑料的一些应用。

?3.1用废聚苯乙烯泡沫塑料制备涂料

涂料的制备均由基料添加颜料经搅拌研磨而成。基料为成膜物,聚苯乙烯泡沫由有机高分子组成,经溶剂溶解以后可以作为涂料的基料,其耐水性和绝缘性良好。但用PSF作基料制备的涂料附着力和成膜性很差,只要将其进行改性处理并添加适量的交联剂,增塑剂,以改善其成膜性能及膜层质量,这样就可以制成各类涂料。如制成外墙使用的乳胶漆,有低温储存不凝聚、不结块、不分离,干燥时间短,耐洗刷,耐碱性,耐水等优点;制成地面涂料对地面有良好的黏结性能,良好的耐水、耐酸碱性,有一定的耐磨性。利用废旧聚苯乙烯泡沫塑料还可以制备乳液涂料、防腐涂料、膨胀性阻燃涂料、反光道路标志涂料等,各种涂料都有其优点,达到了相应的用途的要求,有些性能是其他材料所没有的。

3.2用废聚苯乙烯泡沫塑料制备胶粘剂

全世界胶粘剂的总产量在七十年代中期已接近500万吨,近年来大约以每年增长30万吨的速渡继续增长。在全部胶粘剂产品中,建筑用胶粘剂约占25%-35%。随着我国国民经济的迅猛发展,建筑用胶存在很大缺口,用废PSF制备胶粘剂满足市场对质优价廉胶粘剂的需求,是一举两得的事情。我国科研工作者从80年代末起步从事这方面的研究,到九十年代末取得了一些成绩。但研究空间仍很大。因此这是一个很好的研究方向,也是废PSF再生利用的最佳方向。

3.3用废聚苯乙烯泡沫塑料制备阻燃剂

聚苯乙烯分子中含有苯环结构,苯环上的氢原子可被亲电试剂取代。有人将回收的聚苯乙烯泡沫塑料清洗干燥后溶于二氯甲烷溶液中,在三氯化铝催化下,与液溴发生亲电取代反应而制得阻燃剂溴化聚苯乙烯。含溴量可高达6%。可作为聚氯乙烯、ABS、聚丙烯等塑料制品的阻燃。与其它有机阻燃剂相比,溴化聚苯乙烯用量低,阻燃效果好,燃烧过程中不释放二(口恶)英等有毒致癌物质,是一种性能良好的阻燃剂。但因为阻燃剂本身的用量不是很大,因此此法不能满足大量废PS的回收工作。

3.4用于制造通用型苯聚乙烯

将聚苯乙烯泡沫废弃物经高温消泡冷却后,机械破碎,挤塑成条,再切粒制成通用型聚苯乙烯。这种方法的主要问题是再生料的外观可能是由于废弃泡沫破碎前未洗净以及在烘焙挤塑过程中局部温度过高等原因而呈棕色,失去了新聚苯乙烯无色透明的特点。其抗冲击性能也较差,只能用做一些低值塑料零件,很难与一般塑料如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯制品媲美。

3.5用于再制可发性聚苯乙烯

用废弃PS泡沫循环再制泡沫制品,应该说是废PS泡沫最合理的利用方向。因为废聚苯乙烯泡沫材料除表面受环境污染略变质外,内部还保持着原有聚苯乙烯泡沫的性能,这就为多次利用创造了条件。该利用方法有多种,如珠粒破碎再模塑法,是在液体介质中选用合适的软化剂,表面活性剂和消泡剂,将大块废PS泡沫选择性地破碎到直径4-8mm的球形珠粒,加发泡剂后再模塑成泡沫制品。本法工艺简单,消耗的附加材料少,模制成品的各项物理性能与原废料接近,而且投资小,效益大,值得推广。

3.6用于制造轻质建筑材料

用可发性聚苯乙烯的预发泡颗粒或以破碎成小块的聚苯乙烯泡沫废弃物为主体补加不同的填料,使用不同的粘结剂制成各种轻质的建筑材料。比如,用碎木丝为填料,以水泥为粘结剂,加水混合,然后模塑成各种形状的轻质水泥隔板,或制成人造木材;内衬铁丝支架制成的轻质泡沫板可以做为墙板、台面,或装饰板;用膨胀珍珠岩做填料能制成屋顶隔热板;以泥土为粘接剂兼填料,与聚苯乙烯泡沫颗粒等量均匀混合并压制成型,干燥后煅烧,可制成供高层建筑用的轻质大砌块,或地下渗排废水的透水管;以废尼龙丝为填料可制成轻质抗弯浇铸材料等等。这种回收方法工艺简单,可回收量大,投资小,是一种较好的回收利用方式,唯一不足就是产品的技术附加值较小。

废旧聚苯乙烯泡沫塑料的重新利用方向还有很多,在身边的许多地方都能见到它们的身影,重新利用废旧的聚苯乙烯泡沫塑料既能减少其对环境的污染又能有经济效益。

? 废聚苯乙烯泡沫塑料的回收与综合利用具有重要的现实意义,同时也存在很多需要解决的问题,目前在技术上已经有一定的突破。物理回收法和化学改性法回收利用技术可以拓展废旧PSF的再生利用范围,实现变废为宝的目的,对设备要求不高,能够取得较好的经济价值,但应当注意二次污染问题;从长远来看,应从战略的高度发展生物降解法和超临界裂解法回收利用PSF技术,这样可以从源头上彻底解决PSF的环境污染问题。而且在对废聚苯乙烯泡沫塑料的从新利用能节约成本,在同样的投入中达到更大的经济效益。