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从车灯看塑料-金属复合材料的回收

2017/8/31 来源: 网络文摘
  【全球塑胶网2017年8月31日网讯】
很少有某种单一材料能满足汽车工程的所有需求。然而,混合材料又难以通过适当的努力进行手工拆解,所以迄今为止生产废料只能经过热处理才能得到应用。而传感器辅助塑料分拣不仅能实现较大处理量,而且颇具经济潜力。
几乎没有任何其它产品像汽车车灯一样,在过去几十年里经历了如此无与伦比的变化和技术进步。虽然在1908年生产的车灯不超过30个组件,但今天的车灯型号却包括300到500个组件,并且仍保持着上升的趋势。组件复杂性的日益增长包含两个特定的原因:新照明技术的不断发展和集成;车灯已成为一种提供识别特征的设计元素,赋予汽车“脸面”。由于照明和投射模块日益复杂,因而有必要改进各种技术型聚合物,使之具备不同的耐温性和其它性能组合。高性能塑料能满足较高的功能和美观标准,可以独立适用于单个组件。虽然目前的车灯生产数据尚不清楚,但可以根据新车注册数量等相关数据进行估计。
因为车灯与安全密切相关,故所有生产步骤均通过常规质量控制加以监测,存在缺陷的产品会被直接分离出来。在所调查的两家欧洲车灯制造商所属工厂中,每年会因此带来包含复合车灯模块和单一塑料组件的1100吨混合废物(图1)。即使利用最先进的技术,也无法从车灯回收足够纯净的塑料。其中包含大量深色塑料材料,无法通过传统的光谱分类方法进行分离。金属化的反射镜、装饰线以及带有特殊硬化和UV涂层的漫射盘,也对单一成分碎片分拣并实现现有材料潜在价值带来极大的困难。由于缺乏合适的回收方法,故只能通过昂贵的热处理方式来利用这些混合生产废料。
处理和分拣
在得到巴伐利亚州环境与消费者保护部补贴的ForCycle项目组中,德国弗赖辛(Freising)弗劳恩霍夫(Fraunhofer)研究所的工艺工程与包装IVV研究院证实,利用适当的加工链,完全可能对这种废物流进行材料回收。图2显示了从所研究的生产废料中回收样本废料的流程概念。

图2 ForCycle项目组的车灯生产废料回收过程概念(来源:Fraunhofer IVV)
一项初步市场分析促成了罗伊特林根(Reutlingen)的汽车照明公司(Automotive Lighting GmbH)与维瑟尔堡(Wieselburg)的ZKW Lichtsysteme GmbH的合作,几十年来它们一直作为汽车行业供应商从事车灯制造。而通过茨维考(Zwickau)的Erlos GmbH与布洛埃(Buchloe)的Bameta GmbH的合作,实现了实验室的生产废料机械加工(粉碎、金属提取、筛选)和小规模技术测试。材料分解后,研究主要集中于两个项目目标:通过弗劳恩霍夫研究院的特殊分析方法分离金属塑料复合材料;利用卡尔斯鲁厄(Karlsruhe)的Unisensor Sensorsysteme GmbH和齐陶(Zittau)的RTT Steinert GmbH的系统对其余混合塑料成分进行单一成分碎片分拣。以上这些公司均来自德国。
识别并分离车灯中的塑料
手动拆卸车灯后,首先确定其主要塑料材料。图3显示了各种成分质量比较,分解后的车灯包含94%的塑料,主要是聚碳酸酯(PC)、聚丁烯对苯二酸酯(PBT)和聚丙烯(PP-TV40),其中大多数为深色。除了PCPBT,还识别出镀铝的耐高温聚碳酸酯(PC-HT)和聚醚酰亚胺(PEI)塑料。
机械分解后,塑料的直接分类已非易事。然而,对几种车灯进行的人工分析结果表明,其中含有约50%的深色塑料和20%的金属化塑料。这符合制造商使用PC、PBTPP-TV40作为主要塑料的期望。但由于车灯型号的变化以及相关装配件的差异,在随后的回收过程中必须考虑各单一成分质量分布的持续变化。

图3 车灯组成(重量百分比)实例,以及对混合碎片(左)和纯塑料碎片(右)的差异化检查(来源:Fraunhofer IVV)
在这一项目中,通过浸出方法,分离出镀铝层,同时,碱性溶液中的浸出速度快于酸性溶液。铝与沥滤液发生反应,释出铝层并暴露出塑料。图4表明,总浸出时间达到三分之一时,塑料中铝的浓度降至5%。提高沥滤液浓度可缩短浸出时间,这同时也取决于所选的浸出剂、扰动、温度和压力。利用傅里叶变换红外光谱法(FTIR)和熔体流动速率(MFR)进行定性分析,显示沥滤液对塑料质量并无影响。因此,进一步的非破坏性处理是可行的。
小规模回收技术测试
为测试可分拣性,利用两种光谱分类方法对车灯废料上的塑料试样进行系统的研究。通常,两种方法均可将镀铝塑料作为单一流加以分离,这适用于检测具有额外镀层的塑料。此外,这两种方法也能可靠地分离PP、PC和PBT等主要塑料类型的深色和透明成分,但PBT的检测方法则仍有待开发。由RTT Steinert开发的方法特别表现出PE-PP的高精度分离。依靠Unisensor过程,还可识别并分拣出聚甲醛(POM)和PEI。而先前对塑料的浸出,并不会影响这两种技术的特性。

图4 通过浸出分离金属塑料复合材料:浸出时间取决于烧碱浓度(来源:Fraunhofer IVV)
基于分解结果、复合物分离以及光谱研究,派生出了图2所示的生产废料再利用的过程概念,并形成小规模测试的基础技术。在整个项目阶段,对参与研究的两家车灯生产商的生产废料都分别进行了研究。在机械分解后,并未发现两家OEM制造商的产品之间存在显著差异。破碎机产生的碎片中平均包含76.5%的塑料,其中22.5%为细小碎片,铜和有色金属各占7%,铁占9.5%。从塑料碎片中分离出粒度为8-30 mm的塑料,进行后续的光谱分拣。对于较大的废料量,机械回收处理能适用于这一目标粒径,所以,几乎全部塑料碎片均可传递到下一工序而不发生任何损失。分拣是针对主要塑料材料,包括PP、PC、PBT以及镀铝塑料。纯度分析是通过使用特定溶剂配方选择性地溶解目标塑料来实施的。

图5 经过RTT Steinert自动分拣后的碎片分拣量和纯度:指明的百分比分别指分离细小碎片后的原始输入量(来源:Fraunhofer IVV)
RTT Steinert的分拣测试显示,超过40%的塑料碎片均可利用最先进的技术分拣到几种目标塑料,其中PP、PC所占比例最大(图5)。Unisensor则获得更高一些的分拣量,但碎片纯度相应较低。当主要考虑纯塑料的分拣量时,这两种方法十分接近。因此,PP和PC能以足够的纯度加以分拣(图6)。

图6 自动分拣后纯度大于90% 的示范塑料碎片:PC碎片(左),PP碎片(右)。为优化可比性,材料先被分成碎片然后破碎(来源:Fraunhofer IVV)
潜在分析与经济效益
来自两家车灯生产商的全部材料样品(总计近500公斤),以及两种分拣方法,在小规模技术测试上达到整体平衡。在此基础上进行的一项经济潜力分析表明,目前只可获得17%的塑料和23%的金属分拣量,因此尚不能实现经济效益。现场试验的低分拣量,与所研究的单只车灯90-95%以上的塑料成分相距甚远。因此,经济效益分析必须基于更高的分拣量进行,目前看来,可以通过优化破碎机分解(降低金属碎片中的塑料比例并减少细小碎片)(图7)来实现。

图7 纯塑料碎片潜力分析(16.5% 的金属在此未加考虑)。通过优化材料分解将效率提高80%也被当作实际的景象(来源:Fraunhofer IVV)
假设从生产废料中回收的塑料可被用于生产废料来源处的新货物,新货物价格的75% 可被认为是来自回收材料的收益。此外,按1000、2000和3000 t/a计算分拣技术转换成本和折旧,在各种情况下都会产生积极收益。作为示例,图8展示了2000 t/a条件下的经济平衡情况。

图8 按年废料量2000 t/a进行汽车车灯回收过程研发经济效益计算(来源:Fraunhofer IVV)
结论
汽车前灯是经过高度复杂组装的产品,可以利用材料分解、铁与有色金属的分离(FE/NF)以及随后的自动化感应器辅助塑料分拣研究项目中的方法进行回收并获得理想的分拣量,特别是对PP和PC纯度具有较高的把握。加工链的优化潜力主要在于破碎机的分解水平以及对特殊塑料的识别(如PBT和PEI),这提高了聚合物和金属碎片的分拣量和纯度,从而提升了整体经济效益。此外,还需要对准备实施的所要求的工作与硬件的变更展开进一步的研发。商业化废料收集和分拣将紧随审议中的商业废弃物条例的出台而涌现,并预计将迎来大量的类似废料流,这将为加工链的开发带来巨大潜力。
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