深度：新材料循環經濟的發展路徑

魔猴君  行業資訊   2151天前

新材料是指那些在某種程度上對工業系統而言是全新的材料。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工業領域的規模應用。而循環經濟則是指盡可能長時間地維持材料的最高使用價值。為此，產品在設計的時候必需確保其耐用性、易修復性和可再生性。
目前工業用材料的類型越來越復雜，這不僅體現在產品品種上，也體現在產業規模及如何結合使用方面。許多新材料的開發改善了環境，如輕質材料可提高燃料運輸效率，但隨著材料復雜性的增加，則很難從廢棄產品中恢復其價值。并且新材料的回收還需要新的廢物管理基礎設施。如果在開發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、建立新材料循環經濟的必要性
產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品固有的。而產品生命周期結束指的是最后一個用戶使用完并丟棄某一產品。除此之外，生產過程也會產生廢物，正如表1所示，許多因素可以增加回收價值。本報告將重點關注規模化應用的產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。

通常回收包括3個過程：
一是收集。任何產品或材料回收的第一步是，確保其實現可再生回收或循環利用的條件，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。再加工的目標是生產出可與原始材料完全相同的材料。如金屬的再加工等。但是當回收材料過于多樣化時，則需要損失一部分材料。如當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、建立新材料循環經濟的發展路徑
建立新材料的循環體系，一方面是由于材料價值的因素，另一方面就是政策驅動。圖1展示了建立最大限度實現新材料循環經濟的發展路徑。
如果某一種材料不能被分離并轉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；二是更改設計，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，但由于缺乏相關技術或就近運輸成本較高而沒有進行再加工的設施，那么一是研究開發新設施。這將取決于是否存在適當的再加工技術，原料的充足性及再加工材料的市場價值；二是可與學術界或其他研究機構合作開發解決方案。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，那么一是提高現有再加工技術；二是考慮進行商業化推廣。
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商合作，將回收材料轉換為適合其工藝的形式。
圖2展示了收集系統發展面臨的障礙。如果沒有收集系統，則需評估材料是否可以支持商業收集和再加工供應鏈。這將取決于材料的貨幣價值和可用數量。如果材料的價值不夠高，或總的市場規模過小，沒有辦法支持可行的再加工設施，則只能依靠政策驅動來進行回收。

三、細分新材料領域循環體系的建設
1.碳纖維復合材料
20世紀50年代起，碳纖維復合材料在運輸和可再生能源領域中得到迅速發展。隨著應用的快速增長，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，增加汽車部門的材料使用。由于成本高昂，碳纖維目前僅應用于高端汽車部門。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率為20%～40%。也就是說，從報廢車輛中回收優質碳纖維可大大提高低成本纖維的供應，并加速促進向輕量化節能汽車的過渡。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化技術。但熱解將燃燒復合材料中的聚合物 （質量約為材料的1/3），其中僅有一小部分能量以熱能的形式被回收。
二是技術障礙。現有分揀或再加工基礎設施不適用于纖維回收。現有分揀基礎設施需要進行粉碎，這一過程一是可能導致回收纖維材料過小；二是可能帶來材料的污染。
三是市場障礙。優質回收碳纖維市場已經供大于求，其從生產廢物中回收大量的纖維。
（2）面臨的機遇
一是產品重新設計。由于碳纖維復合材料不適用于為金屬車輛開發的組裝系統，例如螺栓連接和焊接，因此有機會開發更適合于復合材料的方法，同時便于回收環節的拆卸過程。這將需要更新設計軟件，以更好地考慮復合材料的特點。可以拆除車頂或車身板等部件，以生成純碳纖維復合材料部件流，通過修理操作進行重復使用，或通過現有的熱解設施進行再加工。
二是開發替代回收技術。一是可利用“流化床熱解”技術替代傳統熱解技術，這項技術可在商業前階段回收優質纖維。并更適用于處理廢物原料的可變性質；二是考慮研究熱固性復合材料的化學回收技術。這些技術能夠增加回收纖維的一致性，因而可實現高價值回收。
三是增加回收纖維的價值。一是擴大應用范圍，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模，因此需要進一步投資對其進行商業化推廣。三是通過將回收纖維用于銷售給汽車制造商的中間產品中，可以進一步增加回收纖維的價值。
四是改良汽車復合材料中的聚合物。目前大多數的碳纖維復合材料包含熱固性塑料，這是不可再生的，而熱塑性復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，需研發可更好地涂覆纖維預制件的增材或新熱塑性塑料（即降低粘性），改良熱塑性塑料；研發可以更好地實現碳纖維-熱塑性塑料粘合的涂料（即使得纖維更易于用于制造業的涂料），改良纖維；還可以提高熱固性聚合物的再循環能力。
因此，碳纖維復合材料循環體系如表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模應用的應急塑料；可生物降解塑料可化學分解成無毒化合物，包括在正常條件下可分解的塑料，以及只有在工業堆肥或厭氧消化設施內才會分解的塑料。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%），生物塑料市場結構如圖5所示。
（1）存在的障礙
一是材料障礙。在某些情況下，與傳統塑料相比，生物塑料的功能性更低。這限制了其應用范圍，可能出現多種聚合物用于類似應用的現象，從而給回收帶來障礙。
二是技術障礙。利用現有廢物管理系統對生物塑料進行回收可能帶來技術障礙，如提高現有分揀技術的復雜性，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回收工廠供給仍不充足。
（2）面臨的機遇
一是以廢棄生物質用作原料。可以使用二次原料，如廢物或其他工藝的低價值副產物，生產生物塑料。一方面，對環境影響小；另一方面，還可以確保英國產量，確保得到相關知識產權。但是，轉用有機廢物原料遠非易事。需考慮經濟可行性和原料可用性的季節變化。除此之外，將廢物原料轉化為生產生物塑料所需的化學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，包括其供應數量和任何季節性變化；確定從特定廢物流到特定生物塑料的最直接轉換路徑，如來自乳制品廢物的PLA；優先生產平臺化學品，即可生產許多其他化學品的化合物，及使用高產量原料生產的化合物，例如，利用農業廢物中的纖維素生產乙醇；確定將生物燃料生產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的適宜性，與糖（最簡便的生物材料轉換方式）相比，衡量不同廢物原料易用性的指標將有助于實現這一點。必需加強食品生產和制造業部門之間的合作，以增加用作原料的廢棄生物質的使用。應召集公共部門，提供信息和資助研究和發展。
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分揀技術來實現，但不是所有設施都擁有這一技術，即使有，含有黑色素或完全被標簽覆蓋的產品可能加大這一技術的復雜性。幸運的是，近期引入市場或接近市場的許多解決方案，使用光學技術來提高分揀效率。除此之外，正在開發數字水印和熒光油墨，以實現更細粒度的塑料分揀。
三是選擇性使用可生物降解塑料。在普遍采用光學分揀技術對收集的塑料進行分揀之前，可生物降解塑料的使用應限制在目前尚未實現回收循環的應用中。除此之外，還應提高人們對如何使用各種塑料的認識。為解決這一問題，可以按照應用對聚合物類型進行標準化，并制定相關法規條例。

四是實現生物塑料的潛力

確定可能用于不同應用的生物塑料，特別是可生物降解塑料開發產品系統。目前，大多數生物塑料都在實現其可再生性，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。

現有生物塑料可提供與傳統塑料完全相同的功能的應用仍較少。與碳纖維相類似的是，新的生物塑料可能有效用于復合材料應用。如果此類聚合物可解聚，則其可幫助解決從復合材料應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研究來改善生物塑料的功能，包括改善現有生物塑料性能，研發可用于生產新生物塑料的新生物單體。
因此，生物塑料循環體系如表3所示。
3.3D打印材料
3D打印（AM）技術是通過逐層堆積而非從初始板材中去除材料來生產某一物品，后者稱為“減材制造”。其使用的技術類型如圖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，并由計算機輔助設計（CAD）軟件驅動。過去30年來，3D打印的使用迅速增長，從1987年第一次投入商業應用到2016年全球市場規模達到50億美金。3D打印設備客戶的收益分布如圖8所示。與傳統制造技術相比，3D打印技術可以快速、低成本地生產訂制產品。
由于3D打印技術具有快速成型、創新設計、小規模生產、資源利用效率高等特點，因此，3D打印技術有望支持各行各業向循環經濟過渡。
（1）存在的障礙
一是生產獨特復雜多材料產品能力降低了可再生性。3D打印技術的規模化訂制可以實現將不同材料組合整合到同一類型產品中，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品的數量，應開展特定部門分析，以確定應避免3D打印生產的哪些材料組合及哪些應用。
二是對電子廢物的潛在貢獻。英國國內3D打印機的市場依然相對較小。據估計，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多萬臺傳統消費打印機。預計到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的商業模式擴大3D打印技術的使用。由于硬件成本相對較高，這些方法被廣泛用于商業傳統打印機的供應。此類服務通常由打印機制造商或專門的印刷服務公司直接提供。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。由于硬件仍在開發當中，在設計階段可以最大化重復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的商業模式的盈利能力。
（2）面臨的機遇
一是實現產品耐用性、可修理性和可再生性方面的重新設計。目前發展循環經濟面臨的障礙之一是，大多數產品在設計之初并未考慮到可再生性，因此使用3D打印技術來降低產品重新設計的成本，可以進一步擴大再利用、修理和回收產品范圍。除此之外，3D打印技術可以使產品設計更符合循環經濟的商業模式。
二是支持再制造。再制造和修理是3D打印的新應用領域，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的生存能力。
三是生產小批量和停產備件。生產部件已是3D打印技術最常見的應用之一。3D打印技術可以解決備件可用性局限的問題，可以根據需要生產備件，降低修理產品的成本。3D打印硬件成本的降低也將增加獨立修理企業，和生產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打印生產備件也存在一些問題。即在生產原本不是使用3D打印生產的部件時，也就是沒有相關數字設計文件時，3D打印技術的適用性。其中關鍵的因素就是開發3D打印 CAD文件的難易程度。三維掃描技術可用性和精細化的提高可解決這一問題，但應注意知識產權和保修限制設計問題。
四是資源利用效率更高的生產。3D打印的明顯吸引力之一是，其能夠減少生產中使用的材料數量。由于3D打印技術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打印使用材料的環境影響。

3D打印可在多大程度上幫助設計和制造更適合循環經濟的產品，將隨著所涉及的產品類型而異。為此，需審查滿足不同部門產品結構、材料和成本要求的技術能力。表4顯示了已經采用3D打印技術來提供改善的循環經濟結果的部門。


在汽車和航空部門中，3D打印幫助實現循環經濟的潛力最大。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經濟原則。但是，對于其他行業來說，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活動。
因此，3D打印材料循環體系如表5所示。



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

2.支持部門合作研發回收材料新應用

支持供應鏈企業開展合作，最大限度地抓住物料價值最大化的機會，開發出單一企業沒有辦法單獨實現的系統。例如，再加工企業和制造企業之間的合作將確保回收材料與現有生產工藝的匹配。

3.資助可循環利用新材料和回收新技術研發
通過公共資助來開發和部署新材料的研究，并始終將產品生命周期結束時的回收考慮在內。公共政策應該促進價值最高、環境影響最小的回收系統研發，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