淺談高分子材料的綠色化發(fā)展 摘要：高分子材料從二十世紀(jì)到今天，發(fā)展迅猛，在人們的日常生活中扮演著重要的角色，而其在環(huán)境上的影響日益受到人們的關(guān)注。本文從發(fā)展現(xiàn)狀，處理及循環(huán)利用技術(shù)，新技術(shù)的發(fā)展幾個(gè)方面對(duì)其綠色化發(fā)展作一個(gè)大致的闡述。 關(guān)鍵詞：高分子材料 綠色 循環(huán)利用 環(huán)境保護(hù)高分子材料包括塑料、橡膠、合成纖維。在二戰(zhàn)以前，由于天然高分子材料來源豐富，人工合成高分子工業(yè)發(fā)展緩慢。但隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的爆發(fā), 天然橡膠，棉花等天然高分子材料開始緊缺, 迫使人們?nèi)ヌ剿骱铣扇嗽旄叻肿拥耐緩健?930到1945年, 尼龍(Nylon)、氯丁橡膠、丁苯橡膠、聚乙烯等相繼問世，并成功地取代了天然高分子材料。由于高分子材料具有許多優(yōu)良性能，適合現(xiàn)代化生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，且不受地域、氣候的限制，因而高分子材料工業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成為對(duì)人類最為重要的材料。但是，高分子材料的化學(xué)穩(wěn)定性使其消費(fèi)產(chǎn)物對(duì)環(huán)境造成了巨大的壓力。就重量而言[1]，世界上每年的橡膠廢棄物約是其產(chǎn)量的60％-70％，橡膠廢棄物約占其產(chǎn)量的40％，我國(guó)每年的塑料廢棄物和橡膠廢棄物總計(jì)達(dá)700萬噸。1.高分子材料的環(huán)境影響概述1.1 高分子材料廢棄物的增加造成環(huán)境污染的現(xiàn)狀[3.4]以應(yīng)用范圍最為廣泛的塑料廢棄物而言，以塑料農(nóng)用地膜(年需求量約500kt,消費(fèi)量居世界之首)和塑料包裝材料為最多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),至1996年,我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以上生產(chǎn)塑料包裝材料的企業(yè)超過8000家,其中薄膜生產(chǎn)企業(yè)2240家,絲、繩、編織制品生產(chǎn)企業(yè)4300家,泡沫塑料生產(chǎn)企業(yè)500家,包裝箱及容器生產(chǎn)企業(yè)697家。1999年我國(guó)塑料包裝材料產(chǎn)量為2030kt,按社會(huì)需求量的發(fā)展速度估計(jì),至2005年為3600kt,至2010年將達(dá)到5000kt。地膜和塑料包裝材料屬于塑料的“短壽命”應(yīng)用范疇,使用后大多成為固體廢棄物進(jìn)入垃圾處理系統(tǒng),有的被隨意丟棄,如一次性塑料消費(fèi)品聚苯乙烯快餐餐具、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)及超市濫發(fā)的超薄塑料袋等。由于其量大、分散，很難回收利用;而高分子材料廢棄物絕大部分不能自然降解、水解和風(fēng)化。即使是淀粉/聚合物共混物的降解制品要降解到無害化程度，至少也需要50年。于是，廢棄物日積月累便成了觸目驚心的“白色污染”,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染,甚至危害人類健康和動(dòng)植物的生存,影響生態(tài)平衡。據(jù)有關(guān)部門的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示:上海每年排入環(huán)境的廢塑料總量為29萬噸,北京每年為13.1萬噸,廣州每年為28.6萬噸。這些廢棄塑料大多進(jìn)入城市垃圾處理系統(tǒng),而我國(guó)傳統(tǒng)的垃圾消納傾倒方式是一種“污染物轉(zhuǎn)移”方式。侵占大量土地,并嚴(yán)重污染空氣和水體。同時(shí)，為優(yōu)化高分子材料性質(zhì)而添加的助劑在與環(huán)境長(zhǎng)期接觸與作用的過程中，也會(huì)帶來一些破壞因子。1.2 高分子材料廢棄物的回收利用過程對(duì)環(huán)境的影響大多數(shù)塑料因其有機(jī)物含量高,具有較高的熱值,可回收用作燃料,但在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生二次污染及對(duì)設(shè)備的腐蝕。如:聚氯乙烯(PVC)燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生、氰化氫、氮氧化合物等有害氣體,同時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備腐蝕;聚苯乙烯(PS)燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體與黑煙。2.現(xiàn)有高分子材料廢棄物的處理方法2.1土地填埋這是在許多國(guó)家尤其是發(fā)展中國(guó)家被普遍采用的方法，它往往會(huì)侵占大量土地面積，給土地、水源帶來很大的破壞。所以未來隨著處理技術(shù)的提高和材料本身的綠色化，填埋方法終會(huì)銷聲匿跡。2.2焚燒轉(zhuǎn)化焚燒法是垃圾(包含塑料廢棄物)資源化利用的方法。焚燒技術(shù)就是利用焚燒爐及其設(shè)備,使垃圾在焚燒爐內(nèi)經(jīng)過高溫分解和深度氧化的綜合處理過程,以達(dá)到垃圾能源化、減量化的目的。焚燒技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,建成了許多垃圾焚燒發(fā)電廠,而在我國(guó)則剛剛起步。垃圾的直接焚燒會(huì)產(chǎn)生兩大問題:一是在垃圾焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生二惡英的超標(biāo)排放,嚴(yán)重污染環(huán)境;二是由于垃圾中各組分組成的差異性很大,因此,垃圾直接焚燒會(huì)對(duì)焚燒爐的設(shè)計(jì)造成困難,導(dǎo)致垃圾的焚燒效率降低。用焚燒技術(shù)處理的垃圾,一般要求熱值[2]大于3000kJ/kg。我國(guó)塑料人均消費(fèi)量雖然還較低,但據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明:垃圾中塑料所占比例越大則垃圾的平均熱值就越高。歐洲塑料制造聯(lián)合體的試驗(yàn)證明,用焚燒技術(shù)處理垃圾來發(fā)電或供熱是可行的。在焚燒過程中要控制二惡英的形成,常采用活性炭吸附二惡英的方法以防止環(huán)境污染。目前,我國(guó)已經(jīng)建成或正在籌建垃圾焚燒廠的城市有[2]:深圳、廣州、上海、北京、珠海、廈門、合肥等。2.3循環(huán)利用廢舊高分子材料資源化是處理廢舊高分子材料,保護(hù)環(huán)境的有效途徑。無論是從環(huán)境科學(xué)的原理著眼,還是從環(huán)保和節(jié)約資源的角度看,廢塑料資源化不僅可以消除環(huán)境污染,而且可以獲得寶貴的資源和能源,產(chǎn)生明顯的環(huán)境和效益。大致可分為兩種方法:物理循環(huán)利用和化學(xué)循環(huán)利用(也有學(xué)者又從中分出能量循環(huán),即將高分子廢料直接制成固體燃料,或先液化成油類, 再制成液體燃料)。2.3.1 物理循環(huán)利用 物理回收循環(huán)利用技術(shù)主要是指簡(jiǎn)單再生利用和復(fù)合再生利用(或改性再生)。簡(jiǎn)單再生系指回收的廢舊塑料制品經(jīng)過分類、清洗、破碎、造粒后直接進(jìn)行成型加工。如聚氯乙烯廢舊硬質(zhì)板材、管材等硬制品經(jīng)過上述處理后可直接擠出板材,用于建筑物中的電線護(hù)管。這類再生利用的工藝路線比較簡(jiǎn)單,且表現(xiàn)為直接處理和成型。因?yàn)槲床扇∑渌男约夹g(shù),再生制品的性能欠佳,一般只作檔次較低的塑料制品。改性再生利用指將再生料通過機(jī)械共混或化學(xué)接板進(jìn)行改性。如增韌、增強(qiáng)并用,復(fù)合活性粒子填充的共混改性,或交聯(lián)、接板、氯化等化學(xué)改性,使再生制品的力學(xué)性能得到改善或提高,可以做檔次較高的再制品,這尖改性再生利用的工藝路線較復(fù)雜,有的需要特定的機(jī)械設(shè)備。2.3.1.1塑木技術(shù)使用木粉式植物纖維高份額填充聚乙烯和聚丙烯樹脂,同時(shí)添加部分增粘及改性劑經(jīng)擠出、壓制或擠壓成型為板材,可替代相應(yīng)的天然木制品,除具有木材制品的特性外,還具有強(qiáng)度高、防腐、防蟲、防濕、使用壽命長(zhǎng)、可重復(fù)使用、阻燃等優(yōu)點(diǎn)。近年來國(guó)內(nèi)外塑木板材制品的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展迅速。木粉填充改性塑料國(guó)外早已開始研究,但高份額的木粉填充則是近幾年才有較大發(fā)展。在日本,有名的“愛因木”就是該產(chǎn)品;加拿大的協(xié)德公司也已開發(fā)出類似的塑料制品;奧地利辛辛那提公司及PPT模具公司開發(fā)出各種塑木板材制品;我國(guó)唐山塑料研究所、國(guó)防科技大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)等在早些時(shí)候在低份額木粉改性填充樹脂體系中進(jìn)行塑木產(chǎn)品專用設(shè)備的開發(fā)。目前,塑木板材主要使用在如下場(chǎng)合;公園、建筑材料、隔音材料、包裝材料、圍墻以及各種墊板廣告地板等。比利時(shí)先進(jìn)回收技術(shù)公司將混雜塑料合金化[5],生產(chǎn)出塑料木材制成柵欄、跳板、公園座椅、道路標(biāo)志等。2.3.1.2土工材料化土工材料只要求某些物理性能和化學(xué)性能的技術(shù)指標(biāo),因此利用廢塑料生產(chǎn)土工制品的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益較好。例如利用廢PP或HEPE加工成降低地表水位的盲溝或防止滑坡塌方的土工格柵等。美國(guó)得克薩斯州大學(xué)采用黃砂、石子、液態(tài)寵物和固化劑為原料制成混凝土[6];日本一家公司利用廢塑料制成園藝用新型培養(yǎng)土[7]。用廢橡膠可以制成人工魚礁、水土保持材料、緩沖材料和鐵路路基。在許多國(guó)家,廢車胎用來作山區(qū)或沙岸、堤壩的水土保持材料。2.3.2 化學(xué)循環(huán)利用化學(xué)循環(huán)利用是近年來對(duì)廢舊高分子資源化研究的最為活躍的發(fā)展趨勢(shì)。它的二次污染也是比較小的或可以避免的。化學(xué)循環(huán)一般都是裂解過程,產(chǎn)生氣體、液體和固體殘留物,它們都可加以適當(dāng)?shù)睦谩？偟膩碚f,化學(xué)循環(huán)既可節(jié)省和利用資源,又可消除或減輕高分子材料對(duì)環(huán)境的不利影響。2.3.2.1油化技術(shù)廢塑料油化技術(shù)有熱解法、熱解―催化改質(zhì)法、催化熱解法3種基本方法。廢塑料催化裂解制燃料油技術(shù)在世界范圍內(nèi)已有成功的先例,德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)均建有大規(guī)模的工廠;在我國(guó)的北京、西安、廣州等城市也建立了一些小規(guī)模的廢塑料油化工廠。日本已建成多條連續(xù)裂解生產(chǎn)線,可連續(xù)地將烯烴類廢塑料高溫＃催化裂解成汽油等。我國(guó)北京石油大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大連化物所、山西煤炭所等開展烯烴類塑料熱裂解催化劑的研究,并在催化裂解聚乙烯(PE),聚丙烯(PP)等回收汽油領(lǐng)域取得一定的進(jìn)展。油化技術(shù)的優(yōu)勢(shì):廢塑料催化裂解制取汽油、柴油技術(shù),原料來源廣泛,生產(chǎn)安全、污染少、技術(shù)可靠,具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,市場(chǎng)前景廣闊。2.3.2.2焦化、液化技術(shù)采用煤與廢塑料共焦化的想法,目的是利用現(xiàn)有焦?fàn)t處理設(shè)備在生產(chǎn)合格焦的同時(shí)處理大量廢塑料,從而也避免了已有治理方法的不足。Collin等[8]將廢塑料先與煤焦油瀝青共熱解制得所謂的活性瀝青,再將其與煤共焦化,所得焦炭性質(zhì)得到改善;Ishiguro[8]等將廢塑料加入焦?fàn)t底部,上面再蓋上焦煤共同煉焦;李東濤、田福軍8等已進(jìn)行了單一的八一焦煤與塑料樹脂的共焦化。通過煤和廢塑料共處理液化制取液態(tài)燃料,利用廢塑料中的富含的氫,降低煤液化的氫耗量,使廢塑料得以資源化利用,同時(shí)改善煤液化反應(yīng)的條件,降低粹化油的生產(chǎn)成本,這對(duì)合理有效利用煤炭資源,變“臟”資源為“潔”資源,改善了人類生活環(huán)境都具有積極意義。國(guó)外學(xué)者Hodekw,Miurak和Palmer1S1R等[8]在90年代初期已開始了共液化的理論性研究;我國(guó)研究者趙鳴、田福軍等[8]在這方面都做了大量的工作,同時(shí)也取得了可喜的成果。2.3.2.3超臨界流體技術(shù)[8]超臨界水、二氧化碳、甲醇、乙醇等都是超臨界流體的代表。水是自然界最重要的溶劑,在超臨界狀態(tài)下具有許多獨(dú)特的性質(zhì),用超臨界水(SCW)作為化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)已受到人們的廣泛重視和研究。尤其是它可以使廢塑料發(fā)生降解或分解,從而回收有價(jià)值的產(chǎn)品如單體等,同時(shí)也解決了能源、二氧化碳、和二次污染等環(huán)境問題。因此超臨界水特別適宜于環(huán)境良好化學(xué)工藝過程的開發(fā)。用超臨界水進(jìn)行廢塑料的化學(xué)回收,其目的主要是為了避免結(jié)焦現(xiàn)象,提高液化產(chǎn)物的產(chǎn)率,循環(huán)回收或作為燃料。近年來,日本、美國(guó)等在這方面都進(jìn)行了大量的研究,并獲得了一定的成果。陳克宇等于1998年進(jìn)行了超臨界水中聚苯乙烯泡沫降解初步實(shí)驗(yàn);東北電力和三菱重工于1996―1998年進(jìn)行了利用超臨界水技術(shù)的初步試驗(yàn),取得了明顯的突破。Dakuradahideo和KimuraKazuaki等于1997年研究了廢塑料在超臨界水中的液化過程,開發(fā)了廢塑料在超臨界水中油化新工藝,并進(jìn)行了PE、PP的中試驗(yàn)。Watanabe等于1998年用聚乙烯和正十六烷在SCW和氬氣(011MPa)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn);徐建華等廢塑料(PE、PP、PS)的降解回收工藝;美國(guó)專利報(bào)道了用超臨界水部分選擇性的氧化廢塑料回收單體和其它有用的低相對(duì)摩爾質(zhì)量有機(jī)物的工藝過程。 用SCW進(jìn)行廢塑料的降解有以下優(yōu)點(diǎn):①由于采用水為介質(zhì)進(jìn)行低分子油化,因而成本低;②可以避免熱分解時(shí)發(fā)生的炭化現(xiàn)象,油化率提高;③反應(yīng)在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行,不污染環(huán)境;④反應(yīng)速度快,效率高。 3.綠色高分子的發(fā)展概述3.1綠色高分子概述 綠色高分子材料源自于綠色化學(xué)與技術(shù)，包括高分子的綠色合成和綠色高分子材料的合成與應(yīng)用兩個(gè)方面，前者是指高分子合成的無害化及其對(duì)環(huán)境的友好，后者是指可降解高分子材料的合成與使用及其環(huán)境穩(wěn)定高分子材料的回收與循環(huán)使用。 在通常的高分子合成過程中，需要大量使用溶劑、催化劑等對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害的物質(zhì)，這些物質(zhì)一般難以除盡，常常會(huì)殘留在高分子產(chǎn)品中對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)期危害。另外，聚合需要的壓力高，時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為保證反應(yīng)的順利進(jìn)行，就需要大量的水和能源。而高分子的綠色合成則正是要規(guī)避這些缺陷。 對(duì)高分子進(jìn)行綠色合成有幾點(diǎn)要求：一是合成中不產(chǎn)生毒副產(chǎn)物或者有毒副產(chǎn)物的無害化處理；二是采用高效無毒化的催化劑，提高催化效率，縮短聚合時(shí)間，減少反應(yīng)所需的能量；三是溶劑實(shí)現(xiàn)無毒化，可循環(huán)利用并降低在產(chǎn)品中的殘留率；四是聚合反應(yīng)的工藝條件應(yīng)對(duì)環(huán)境友好；五是反應(yīng)原料應(yīng)選擇自外界中含量豐富的物質(zhì)，而且對(duì)環(huán)境無害，避免使用自然界中的稀缺資源。當(dāng)前，高分子綠色合成的主要方法有三種，即改變聚合反應(yīng)中傳統(tǒng)的能量交換方式、改變催化劑和改變反應(yīng)條件。 作為綠色高分子的又一研究?jī)?nèi)容，綠色高分子材料的合成與應(yīng)用也很重要。綠色高分子之所謂綠色，通常是指高分子材料的可降解性。根據(jù)可降解高分子的降解機(jī)理對(duì)其作出明確的定義，再經(jīng)分子和材料設(shè)計(jì)合成高分子，并進(jìn)行加工制備降解塑料，然后對(duì)它作出評(píng)階。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，修正分子、材料的設(shè)計(jì)，再加上新的降解塑料，如此循環(huán)往復(fù)，最終得到理想的降解材料。 根據(jù)降解機(jī)理的不同，可降解高分子可劃分為光降解高分子、生物降解高分子以及光－生物雙降解高分子三類。 高分子光降解是指聚合物吸收紫外光，使聚合物發(fā)生水解、胺解、酸解、氧化等化學(xué)反應(yīng)，致使聚合物分子鏈斷裂，分子量變小。其機(jī)理[9]主要是反應(yīng)生成自由基活性中間體，分為添加型與合成型兩類。合成型光降解，是在聚合物合成過程中引入一些低能易斷開的弱鏈，或接上一些見光分解的感光基團(tuán)和轉(zhuǎn)移的原子，這樣遇到光的作用就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物大分子的降解，其長(zhǎng)鏈斷裂為易被微生物吞食的小分子碎片。乙烯與一氧化碳共聚物是典型的合成型光降解高分子，早在20世紀(jì)70年代就已開始商品化。添加型光降解，是在塑料的配料中加入一定量的光敏劑，遇到光的作用同樣發(fā)生降解，方法較為簡(jiǎn)單，成本也較低。 生物降解高分子是在微生物，或在人體及動(dòng)物體內(nèi)的組織細(xì)胞、酶和體液的作用下，使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使分子量下降及性能發(fā)生變化的高分子材料。目前研究和開發(fā)的生物降解高分子，以其來源不同可分為三類，即化學(xué)合成可降解高分子、天然高分子和微生物合成可降解高分子。 生物降解高分子具有良好的生物降解性、易加工性和機(jī)械性能等，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并因而受到國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視。生物降解高分子材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究尤其活躍，其在臨床的應(yīng)用主要是作為手術(shù)縫合線、人造皮膚、骨固定材料、藥物控制釋放體系等。 光－生物降解高分子光－生物降解高分子是全面結(jié)合光和生物的降解作用，實(shí)現(xiàn)高分子材料的完全降解。這將是未來可降解高分子的重要研究方向之一。在生物降解高分子中添加光敏劑可以使高分子同時(shí)具有光和生物降解的特性，美國(guó)EcostarInternational公司開發(fā)的Ecostar Plus現(xiàn)已工業(yè)化生產(chǎn)[10]。我國(guó)中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、天津大學(xué)、四川大學(xué)、上海有機(jī)所等也在此領(lǐng)域開展研究并取得良好進(jìn)展[10]。 3.2綠色高分子材料的發(fā)展方向綠色高分子材料的應(yīng)用廣泛，在農(nóng)業(yè)、食品包裝、電子電器、一次性日用雜品、醫(yī)學(xué)臨床、醫(yī)療器材等諸多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。今后一段時(shí)期，綠色高分子的研究將向兩個(gè)主要方向發(fā)展。 一是聚合單體的選擇。在高分子材料的制備方面，理想的綠色技術(shù)是在單體的選擇、合成等初期階段，就考慮材料使用后的可回收利用性。要制備易于解聚、降解及可循環(huán)利用的高分子材料，在分子鏈中引入對(duì)光、熱、氧、生物敏感的基團(tuán)，為材料使用后的降解提供條件。同時(shí)應(yīng)拓寬可聚會(huì)單體的范圍，減少對(duì)石油的依賴。 二是利用新的合成方法制造綠色高分子。自然界中存在的許多高分子材料都是生物合成的，如蛋白質(zhì)、淀粉、DNA、纖維等，它們合成的過程對(duì)環(huán)境沒有污染，而且生物合成的高分子一般也可以生物降解，使用后也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。但這些合成方法存在會(huì)成時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低、受氣候等外部因素的影響較大以及價(jià)格高等缺陷，而且產(chǎn)品在機(jī)械性能、加工性能等方面也有不足，需要進(jìn)行改性才可以使用。因此應(yīng)以生物基因工程為基礎(chǔ)，改善和提高生物合成高分子的合成方法。4.小結(jié)在高分子材料大顯身手的今天，為了讓它更好的為整個(gè)世界的快速、健康、可持續(xù)發(fā)展服務(wù)，我們應(yīng)該一方面探尋最高效最經(jīng)濟(jì)的循環(huán)利用的途徑和工藝，一方面要在綠色高分子的研究和開發(fā)上不斷做到更好。5.參考文獻(xiàn)1 卓玉國(guó)，高分子材料在環(huán)境中的危害及其對(duì)策，中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2004.14。2 鄭巧東，塑料廢棄物綜合治理的現(xiàn)狀分析，湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003.3。3 楊惠娣，回顧與展望―――中國(guó)塑料工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與動(dòng)向，中國(guó)塑料，2001.15。4 趙延偉，包裝廢棄物綜合治理研究，包裝工程，2000.21。5 王穎， 廢塑料有再生與利用，環(huán)境保護(hù)，2002.16。6 王永耀，廢塑料回收利用進(jìn)展，國(guó)外石油化工快報(bào)，2000.13。7 黃漢生，日本廢塑料回收技術(shù)發(fā)展動(dòng)向，現(xiàn)代化工，1999.11。8 袁利偉、陳玉明、李旺，高分子材料的循環(huán)利用技術(shù)，攀枝花學(xué)院學(xué)報(bào)，2003.20。9 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塑料在汽車中的應(yīng)用概況 受到能源危機(jī)的威脅，世界各國(guó)的汽車工業(yè)都在為汽車輕量化做各種努力。此外，消費(fèi)者在需求層次、需求結(jié)構(gòu)、需求品位的提高，以及轎車的乘坐舒適性、安全性、環(huán)保性、美觀性等性能指標(biāo)都已成為決定汽車產(chǎn)品市場(chǎng)成敗的重要砝碼。包括塑料在內(nèi)的非金屬材料在汽車上的應(yīng)用正能滿足這一需求。 為了滿足汽車工業(yè)發(fā)展的需求，汽車塑料的品種和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。20世紀(jì)90年代，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車平均用塑料量是：100～130kg/輛，占整車整備質(zhì)量的7%～10%；到2002年，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車平均用塑料量達(dá)到300kg/輛以上，占整車整備質(zhì)量的20%。預(yù)計(jì)到2020年，發(fā)達(dá)國(guó)家汽車平均用塑料量將達(dá)到500kg/輛以上。 我國(guó)經(jīng)濟(jì)型轎車每輛車塑料用量為50～60kg；輕、中型載貨車的塑料用量?jī)H為40～50kg；重型載貨車可達(dá)80kg左右。我國(guó)中、高級(jí)轎車基本為發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)車型，汽車塑料的應(yīng)用量基本與發(fā)達(dá)國(guó)家上世紀(jì)90年代水平相當(dāng)，為100～130kg/輛。 塑料在汽車上的應(yīng)用十分廣泛，按功能應(yīng)用主要分為三類：內(nèi)飾件、外裝件、功能結(jié)構(gòu)件。 外裝件：以塑代鋼，增加塑料制品的應(yīng)用量，減輕汽車重量，達(dá)到節(jié)能的目的。如保險(xiǎn)杠等。 內(nèi)飾件：以安全、環(huán)保、舒適為應(yīng)用特征，用可吸收沖擊能量和振動(dòng)能量的彈性體和發(fā)泡塑料制造儀表板、座椅、頭枕等制品，以減輕碰撞時(shí)對(duì)人體的傷害，提高汽車的安全系數(shù)。 功能結(jié)構(gòu)件：多采用高強(qiáng)度工程塑料，減輕重量，降低成本，簡(jiǎn)化工藝。如用塑料燃油箱，發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤上的一些零件等。 汽車塑料新材料及其應(yīng)用 塑料的特性表現(xiàn)在質(zhì)量輕、不會(huì)銹蝕、耐沖擊性好、透明度高和耐磨耗性、絕緣性好、導(dǎo)熱性低，一般成型性著色性好、加工成本低等等，在汽車設(shè)計(jì)中采用大量的塑料，可以綜合地反映對(duì)汽車設(shè)計(jì)性能的要求，即輕量化、安全、防腐、造型和舒適性等，而且有利于降低成本，節(jié)約材料資源。但由于普通塑料尺寸穩(wěn)定性差、熱膨脹率大、易燃燒、易老化等，許多特性不能與金屬材料相比。因此，汽車所用塑料不是純的(單一)的某一種品種，而是經(jīng)過改性的，又稱“改性塑料”。 塑料以合成樹脂為主要成分，加入適量的添加劑，以增加其工藝性能與使用性能。添加劑有：填料和增強(qiáng)材料、填充劑、增塑劑、固化劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、抗靜電劑、阻燃劑等。 按照使用特性，塑料分為通用塑料、工程塑料和特種塑料。通用塑料是指產(chǎn)量大、用途廣、成型好、價(jià)格便宜的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等。工程塑料指能承受一定外力作用、具有良好的機(jī)械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn)定性較好，可以用作工程結(jié)構(gòu)的塑料，如聚酰胺、聚砜等。特種塑料具有特種功能，如氟塑料和有機(jī)硅等。 按照理化特性，又可分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩種。熱固性塑料是指在受熱或其他條件下能固化或具有不溶(熔)特性的塑料，熱固性塑料優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度、耐熱性好，受壓不宜變形；缺點(diǎn)是：成型工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低。熱塑性塑料是指在特定溫度范圍內(nèi)能反復(fù)加熱軟化和冷卻硬化的塑料，其優(yōu)點(diǎn)是成型工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，具有一定的機(jī)械性能，可重復(fù)回收使用。缺點(diǎn)是：耐熱性差，剛度較低。 隨著塑料新材料的不斷開發(fā)，塑料在汽車應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大： 1、納米復(fù)合材料的應(yīng)用。熱塑性聚烯烴(TPO基)納米復(fù)合材料，應(yīng)用于汽車內(nèi)、外裝飾件，優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕、尺寸穩(wěn)定性提高、強(qiáng)度更高、低溫抗沖擊性能更好。TPO系納米復(fù)合材料汽車踏腳板，已用于通用汽車公司轎車，其具有較高的硬度、質(zhì)量輕、低溫下不發(fā)脆，而且容易回收。 豐田公司將納米聚丙烯復(fù)合材料用于汽車前后保險(xiǎn)杠，使原保險(xiǎn)杠厚度由4mm減至3mm，重量減輕約1/3。豐田公司又相繼推出了用于汽車內(nèi)飾件的聚丙烯納米復(fù)合材料。 納米粒子的介入，不僅改善了聚合物的強(qiáng)度、剛性、韌性，而且還有利于提高聚合物的透光性、阻隔性、耐熱性及防紫外性等，由于加工簡(jiǎn)便，效果明顯，業(yè)內(nèi)對(duì)聚合物納米復(fù)合材料的市場(chǎng)前景，持樂觀態(tài)度。 2、可噴涂和免噴涂塑料。美國(guó)GE公司開發(fā)的可導(dǎo)電的聚苯醚/聚酰胺材料使車身塑料件能與金屬?zèng)_壓件一起進(jìn)行陰極電泳(即可實(shí)現(xiàn)全在線噴涂)，從而消除汽車車身非金屬件與金屬件的色差問題。 此外，用于制造汽車車身板的PC/PBT材料與SLX膜通過模內(nèi)裝飾注塑成型工藝制造塑料車身外板、前后翼子板及后車廂門等，可以達(dá)到油漆的效果，降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)在國(guó)外轎車車身板的生產(chǎn)中開始使用，國(guó)內(nèi)應(yīng)引起關(guān)注。 3、塑件配光鏡和塑料玻璃。由美國(guó)GE公司生產(chǎn)的特殊聚碳酸酯做成的前照燈配光鏡涂有防刮傷涂層，比玻璃鏡片更亮，更抗破碎，更具光學(xué)加工的準(zhǔn)確性。 美國(guó)在風(fēng)窗玻璃的三層安全玻璃里面又貼附了20μm厚的聚氨酯膜。美國(guó)絕大部分客車采用丙烯酸樹脂板，風(fēng)窗玻璃塑料化可以達(dá)到節(jié)能和保護(hù)乘員安全的目的。 4、纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(LFRT)是新型輕質(zhì)高強(qiáng)度工程結(jié)構(gòu)材料，因其重量輕、價(jià)廉、易于回收重復(fù)利用，在汽車上的應(yīng)用發(fā)展很快。 用天然纖維如亞麻、劍麻增強(qiáng)塑料制造車身零件，在汽車行業(yè)已經(jīng)得到認(rèn)可。用亞麻增強(qiáng)聚丙烯制作車身底板，材料的拉伸強(qiáng)度比鋼要高，剛度不低于玻纖增強(qiáng)材料，制件更易于回收。對(duì)操作工人，可免除因玻纖引起的皮疹和呼吸性疾病。我國(guó)江陰一些企業(yè)已經(jīng)開始生產(chǎn)這類材料。 5、在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)氣門室罩和機(jī)油盤采用聚酰胺、反應(yīng)注塑聚氨酯、環(huán)氧樹脂等玻璃纖維增強(qiáng)塑料模制或壓制而成；發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸襯墊和密封墊用高性能的或用特殊工藝生產(chǎn)的傳統(tǒng)合成橡膠，其中包括CR和FRM；耐磨聚丙烯成型材料應(yīng)用于齒輪、軸等耐磨成型制品。廂式車和貨車中，用復(fù)合材料(玻璃和碳纖維)傳動(dòng)軸代替的金屬軸，減輕了重量，降低了噪聲和振動(dòng)，并使工作更為平順。英國(guó)GKN技術(shù)公司用纖維增強(qiáng)塑料制造的傳動(dòng)軸，重量減輕50％～60％，抗扭性比鋼大1.0倍，彎曲剛度大1.5倍。杜邦公司開發(fā)一種復(fù)合玻纖增強(qiáng)尼龍66用于V6發(fā)動(dòng)機(jī)的有源集合塑料通風(fēng)系統(tǒng)。 6、懸架系統(tǒng)。用碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)制造的板簧為14kg，減輕重量76％。在美國(guó)、日本、歐洲都已使板簧、圓柱形螺旋彈簧實(shí)現(xiàn)了纖維增強(qiáng)塑料化，除具有明顯的防振和降噪效果外，還達(dá)到輕量化的目的。 7、車身。塑料在汽車車身上的應(yīng)用主要有三種模式：(1)外覆蓋件與結(jié)構(gòu)件全部采用塑料：主要用于高檔跑車，其骨架結(jié)構(gòu)件采用碳纖增強(qiáng)塑料，外覆蓋件采用玻纖增強(qiáng)塑料，成本很高。(2)金屬骨架與全塑外覆蓋件與車身結(jié)合：車身采用玻纖增強(qiáng)熱塑性聚酯注塑成型，其設(shè)備為8800t注塑機(jī)，設(shè)備費(fèi)用昂貴。(3)部分采用塑料外覆蓋件：一些高級(jí)轎車，骨架結(jié)構(gòu)采用金屬件，外覆蓋件則部分采用塑料件。 8、開發(fā)塑料功能件。用玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(GMT)制造支架、托架和多功能制件等；應(yīng)用塑料制造進(jìn)氣歧管可減輕重量40％～60％，且表面光滑，流動(dòng)阻力小，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并在提高燃燒效率、降低油耗及減振降噪方面有一定作用。開發(fā)在基體聚合物中摻入電導(dǎo)性填料的“復(fù)合型電導(dǎo)性塑料”，和塑料本身具有電導(dǎo)性的“電導(dǎo)性高分子化合物”，以其高功能性能供汽車生產(chǎn)選用。 9、儀表板、內(nèi)飾系統(tǒng)。國(guó)外許多汽車廠用泡沫聚氨酯制造門板，不僅減輕重量，強(qiáng)度、吸聲性和安全性能也好。聚丙烯由于價(jià)格低廉，在美國(guó)汽車市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用，不僅用聚丙烯替代ABS，而且有些車型內(nèi)飾全部使用聚丙烯。目前國(guó)內(nèi)使用的儀表板可分為硬質(zhì)儀表板和軟質(zhì)儀表板兩種。硬質(zhì)儀表板一般為改性聚丙烯采用注塑成型，在經(jīng)濟(jì)型車上使用。軟質(zhì)儀表板為聚氨酯反應(yīng)發(fā)泡成型，通常用于中高檔轎車。 國(guó)際汽車塑料應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)際汽車塑料應(yīng)用正在向著――技術(shù)含量高、電子化、模塊化、舒適、安全、環(huán)保性方向發(fā)展。 1、模塊化供貨趨勢(shì)：美國(guó)李爾公司已將車廂內(nèi)飾件全部實(shí)現(xiàn)了模塊化供貨，車廂內(nèi)被簡(jiǎn)化為前座、后座、儀表板、車門襯、車門和行李箱襯等六大件，率先在車身件上實(shí)行了模塊化。這些部件及所有電氣、機(jī)械設(shè)備都已預(yù)先裝配好，可在整車裝配線上直接安裝。 德爾福公司也推出了包括座艙模塊、車門模塊、前端模塊、制動(dòng)模塊、空氣/燃油合成模塊等在內(nèi)的系統(tǒng)化集成模塊，將模塊化的領(lǐng)域進(jìn)行了擴(kuò)展。 2、電子化：例如，豪華轎車的座椅總成具備電動(dòng)調(diào)整、預(yù)熱等功能，還有的具備腰部按摩功能，并逐步向經(jīng)濟(jì)型轎車擴(kuò)散。 3、準(zhǔn)時(shí)化供貨：由于內(nèi)飾產(chǎn)品可供選裝的配置在各總成中種類最多，所以內(nèi)飾行業(yè)基本上都要與主機(jī)廠實(shí)行同步生產(chǎn)，準(zhǔn)時(shí)化供貨，避免發(fā)生大量的庫存。 4、安全、環(huán)保性：在歐洲和美國(guó)對(duì)汽車塑料環(huán)保的定義是嚴(yán)格的，涉及一個(gè)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，既：使用環(huán)保的原材料、在環(huán)保的條件下制造生產(chǎn)、在使用和回收過程中不會(huì)對(duì)人的健康和環(huán)境有任何危害的的產(chǎn)品。汽車塑料部件在選材時(shí)，要選擇塑料品種趨于集中統(tǒng)一，便于分類回收和整體回收，這是塑料回收、再生和利用的基礎(chǔ)。例如：用回收的廢舊保險(xiǎn)杠造粒生產(chǎn)儀表板、護(hù)板等，用回收的座椅泡沫材料再生后作汽車內(nèi)襯；儀表板表皮用熱塑性聚烯烴，骨架用聚丙烯注塑件，填充用聚丙烯泡沫，這樣便于將來儀表板整體回收。國(guó)外各大汽車公司都成立了專門的汽車回收試驗(yàn)中心。 5、擴(kuò)大塑料在汽車上的應(yīng)用范圍和技術(shù)水平：開發(fā)塑料在功能件上的應(yīng)用，如：多功能支架、儀表板托架、發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)板等，塑料進(jìn)氣歧管等在國(guó)外汽車上得到廣泛應(yīng)用；應(yīng)用玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料制作汽車部件，減輕汽車自重；采用先進(jìn)的成型技術(shù)和設(shè)備(如氣輔注塑、低壓注塑)生產(chǎn)汽車塑料部件，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 我國(guó)汽車塑化發(fā)展的特點(diǎn)和建議 近幾年來，我國(guó)汽車塑料制品生產(chǎn)企業(yè)一方面積極引進(jìn)外資、引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和加工設(shè)備，并對(duì)企業(yè)進(jìn)行全面技術(shù)改造，保證了轎車塑料制品本地化生產(chǎn)的順利進(jìn)行；另一方面為降低成本，根據(jù)我國(guó)的國(guó)情優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理地選擇材料；同時(shí)密切跟蹤國(guó)外汽車塑料材料應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行材料、工藝、設(shè)備等方面技術(shù)研究，進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，以適應(yīng)將來汽車工業(yè)高速發(fā)展的需要。 這些企業(yè)利用引進(jìn)車型的技術(shù)，擴(kuò)大塑料材料在汽車上的應(yīng)用水平，不僅滿足了汽車工業(yè)的需要，也形成了一批規(guī)模化、專業(yè)化的汽車塑料制品供應(yīng)商，如上海延鋒偉世通、長(zhǎng)春富奧-江森公司等。這些企業(yè)不僅是國(guó)內(nèi)技術(shù)最完備、生產(chǎn)規(guī)模最大的汽車飾件專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，而且部分生產(chǎn)工藝水平達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際同步水平。 但由于我國(guó)在汽車上塑料的應(yīng)用量還相對(duì)較少且起步較晚，汽車塑料專用樹脂牌號(hào)少、生產(chǎn)工藝落后、產(chǎn)量低，因而在工程塑料、高性能工程塑料的使用落后于發(fā)展潮流，主要依靠進(jìn)口專用樹脂生產(chǎn)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和模具制造水平有限，制造周期長(zhǎng)，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，試制費(fèi)用高；開發(fā)力量薄弱，開發(fā)投入有限，開發(fā)手段落后，缺乏開發(fā)人才。 另外，汽車塑料零部件廠家規(guī)模不大，水平低，缺少統(tǒng)一的汽車塑料零部件規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)；不少企業(yè)生產(chǎn)、試驗(yàn)與檢測(cè)設(shè)備尚屬落后，不能保證和準(zhǔn)確反應(yīng)產(chǎn)品的最終性能；在CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用上與國(guó)外先進(jìn)行業(yè)相比存在很大差距；國(guó)內(nèi)企業(yè)的環(huán)保意識(shí)與重視程度與國(guó)外尚有一定差距，對(duì)材料利用的統(tǒng)合，材料的回收、再生和利用方面的研究缺乏考慮。 針對(duì)我國(guó)汽車塑化發(fā)展存在的問題，提出以下幾點(diǎn)建議 1、國(guó)內(nèi)汽車零部件、汽車塑料行業(yè)企業(yè)要在汽車行業(yè)中占有一席之地，必須提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，把企業(yè)開發(fā)能力和產(chǎn)品水平提到更高的層次上參與汽車工業(yè)的發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)。 2、高度重視環(huán)保工作。從設(shè)計(jì)開發(fā)階段就要進(jìn)行汽車用塑料材料回收、再生利用的研究，以滿足環(huán)保的需要。這項(xiàng)研究不僅是汽車行業(yè)的事情，也是整個(gè)社會(huì)的事情，應(yīng)借鑒汽車發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)環(huán)保的經(jīng)驗(yàn)，作為重要課題研究。 3、塑料原材料生產(chǎn)企業(yè)、汽車塑料制品生產(chǎn)企業(yè)、與汽車主機(jī)廠應(yīng)加強(qiáng)合作，建立新材料開發(fā)研究聯(lián)合體，協(xié)調(diào)新材料及新產(chǎn)品的開發(fā)工作。開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的汽車專用樹脂、專用料、工程塑料系列產(chǎn)品，以提高我國(guó)汽車塑料的應(yīng)用水平。 4、在汽車塑料制品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)中利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)新工藝的研究，保證制品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。重視低壓注塑成型、氣輔注塑成型等先進(jìn)工藝在汽車上的應(yīng)用。 5、推動(dòng)汽車塑料材料、制品向?qū)I(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、高品質(zhì)化、環(huán)保化方向加速發(fā)展，提高質(zhì)量，降低成本。

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