芳綸纖維對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)

Z.Y. Cao， O. Grabandt

帝人芳綸公司(荷蘭)

當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的一個(gè)基本特征是資源消耗呈線性增長(zhǎng)。材料通常會(huì)經(jīng)歷“制造、使用和處置”3個(gè)階段。企業(yè)開采原材料，并使用能源和勞動(dòng)力將這些材料制成產(chǎn)品，再將產(chǎn)品銷售給終端消費(fèi)者。當(dāng)這些產(chǎn)品不再能發(fā)揮其固有功能時(shí)，消費(fèi)者則將其丟棄。盡管科技的發(fā)展使生產(chǎn)效率得以極大的提升，但同時(shí)也使得生產(chǎn)中對(duì)資源投入的依賴程度空前增加。這種依賴性在多方面制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。許多企業(yè)面臨著資源成本難以預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。資源市場(chǎng)的波動(dòng)有時(shí)會(huì)侵蝕企業(yè)的盈利能力。伴隨全球資源開采量的不斷增大，自然資源日益枯竭，同時(shí)也產(chǎn)生了大量廢棄物，極大地影響著生態(tài)系統(tǒng)。隨著全球人口不斷增加，這些問題將持續(xù)存在。若僅依靠生產(chǎn)效率的提高，則只能延緩惡果的來臨。

發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)已成為解決上述問題的有效手段。與傳統(tǒng)線性經(jīng)濟(jì)相比，循環(huán)經(jīng)濟(jì)可有效降低材料的投入及廢料的產(chǎn)生。在循環(huán)模式下，生產(chǎn)產(chǎn)品可進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、再利用和回收。循環(huán)經(jīng)濟(jì)需遵循閉環(huán)生產(chǎn)、能源再生和系統(tǒng)性思維。閉環(huán)生產(chǎn)意味著生產(chǎn)中的剩余材料可作為其他新產(chǎn)品的原料，最終大幅減少進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)的材料量。理想的情況是將所有的廢料轉(zhuǎn)變成另一種原料。能源再生要求為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供原料的能源來自于可持續(xù)資源。系統(tǒng)性思維指在經(jīng)濟(jì)體系中，所有參與者都緊密相連，并作為一個(gè)整體運(yùn)行。

向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型將打破現(xiàn)狀：新的機(jī)遇和問題即將出現(xiàn)。帝人芳綸公司正嘗試通過下述方式應(yīng)對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型中遇到的問題。

——改善回收。收集處于生命周期結(jié)束期的芳綸纖維，用作制備漿粕的原材料。

——提高芳綸纖維的使用壽命。其開發(fā)的新型芳綸纖維，在不同的負(fù)載和溫度條件下具有更好的

長(zhǎng)期力學(xué)性能。

——開發(fā)伴隨循環(huán)經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)并增長(zhǎng)的新應(yīng)用。目前，帝人芳綸公司正努力尋找潛在的業(yè)務(wù)，建立合作關(guān)系，并推動(dòng)公司的芳綸產(chǎn)品在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。如將芳綸用作氫氣輸送管道的增強(qiáng)材料。

本文就上述3方面對(duì)帝人芳綸公司的芳綸循環(huán)利用進(jìn)行詳細(xì)敘述。

1 回收

多次調(diào)整芳綸的生產(chǎn)工藝，以減少其對(duì)生態(tài)的影響。利用回收的芳綸生產(chǎn)漿粕便是其中一項(xiàng)成功的案例，其回收過程如圖1所示。并非所有的芳綸漿粕都采用該工藝制備，一些高純度的漿粕由純的芳綸直接制成。生產(chǎn)漿粕的原料來自各種終端產(chǎn)品的芳綸廢料：?jiǎn)蜗驘o緯布(UD布)、殘余紗線、增強(qiáng)纖維、背心及繩索等。先將這些原料切碎，并采用多種工藝降低污染物含量，獲得高純度(>90%)的芳綸。有時(shí)還可通過添加一部分高純度的芳綸紗線，使回收芳綸產(chǎn)品達(dá)到所需的品質(zhì)。中間產(chǎn)物經(jīng)過研磨后，由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)闈{粕。芳綸漿粕通?？勺鳛槭薜奶娲?，用于制作剎車襯片和墊圈。

圖1 利用回收的芳綸纖維制備漿粕

2 提高芳綸纖維的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

芳綸纖維對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)不僅在于循環(huán)利用。若可以延長(zhǎng)芳綸纖維的使用壽命，即提高終端產(chǎn)品的使用壽命，將有效減少能量需求及單位時(shí)間的能耗。

Twaron和Technora以長(zhǎng)期負(fù)載下仍具有較高的穩(wěn)定性而著稱。芳綸的這種特性對(duì)其用作光纖、輪胎和系泊繩纜的增強(qiáng)材料而言非常重要。帝人芳綸一直致力于開發(fā)具有低蠕變率的芳綸。圖2為室溫下Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200的蠕變率。測(cè)試時(shí)所施加的負(fù)載分別為纖維斷裂強(qiáng)度(BS)的30%和50%。在持續(xù)近1 a的蠕變測(cè)試周期內(nèi)，纖維均未出現(xiàn)斷裂。如圖2所示，新一代Twaron纖維具有較低的蠕變率。約1 a后，Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200纖維的蠕變率分別為0.27%、0.14%和0.07%。

圖2 室溫下Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200纖維的蠕變率

圖2中，蠕變-時(shí)間曲線斜率呈線性變化，表明其對(duì)數(shù)蠕變率為常數(shù)。對(duì)數(shù)蠕變率的定義為

(1)

其中：εi，εi+1——測(cè)試的蠕變應(yīng)變中相鄰點(diǎn)的數(shù)據(jù)；

ti，ti+1——上述相鄰點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200纖維的對(duì)數(shù)蠕變率分別為0.041%/dec、0.020%/dec和0.013%/dec。

Twaron的蠕變率與纖維的負(fù)載大小無關(guān)。例如，Twaron 1000和Twaron 2200在兩種不同負(fù)載水平(分別為斷裂強(qiáng)度的30%和50%)下的蠕變率非常接近，而大多數(shù)聚合物在高負(fù)荷下蠕變都會(huì)加快。

失效時(shí)間(tTTF)是評(píng)價(jià)芳綸長(zhǎng)期穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。該指標(biāo)主要通過測(cè)量在一定負(fù)載下纖維斷裂所需時(shí)間衡量芳綸的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。失效時(shí)間隨著負(fù)載的增大和溫度的升高而呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。圖3 為Technora T200和液晶聚酯(LCP)在室溫和高溫(140 ℃)下tTTF的變化。圖3中的直線為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合。由圖3可知，室溫下LCP紗線的穩(wěn)定性優(yōu)于Technora T200。但因Technora T200具有良好的耐熱性能，其高溫(140 ℃)下的穩(wěn)定性優(yōu)于LCP。

圖3 室溫和高溫(140 ℃)下Technora T200和LCP的失效時(shí)間

基于Eyring計(jì)算式，Knoester等提出了一種動(dòng)力學(xué)模型，用于闡釋tTTF與負(fù)載和溫度間的關(guān)系，見式(2)。

(2)

其中：tTTF——失效時(shí)間，s；

B——擬合常數(shù)，s；

U——摩爾活化能，J/mol；

V——摩爾活化體積，m3/mol；

σ——所施加的應(yīng)力，Pa；

T——材料溫度，℃；

Tr——參比溫度，℃；

R——?dú)怏w常數(shù)，為8.314 J/(mol·K)。

將式(2)等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)運(yùn)算，可得式(3)。

(3)

式(3)表明，失效時(shí)間的對(duì)數(shù)值隨施加應(yīng)力(負(fù)載)的改變呈線性變化，這與圖3中關(guān)于失效時(shí)間的擬合結(jié)果一致。通過查閱參考文獻(xiàn)，可獲得幾種規(guī)格Twaron的參數(shù)值。

圖4為Twaron和LCP的儲(chǔ)能模量隨溫度的變化曲線。動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試(DMA)可表征材料在不同溫度下的黏彈行為。由圖4可知，與LCP纖維相比，高溫下Twaron的儲(chǔ)能模量的衰減相對(duì)緩慢。LCP約在330 ℃時(shí)開始熔融，這從其儲(chǔ)能模量的損失狀態(tài)可以看出。Twaron則可承受更高的溫度。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)400 ℃時(shí)，Twaron纖維的儲(chǔ)能模量仍高于80 GPa，直至環(huán)境溫度達(dá)500 ℃，Twaron纖維才開始分解。

圖4 Twaron和LCP的儲(chǔ)能模量隨溫度的變化曲線 (由DMA獲得)

3 開發(fā)新的應(yīng)用以促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)

向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的過程中蘊(yùn)含許多新商機(jī)。帝人芳綸公司正潛心研究此類新機(jī)遇，并致力于推動(dòng)芳綸制品的新應(yīng)用。其典型案例是將Twaron纖維用作氫氣輸送熱塑性管道(RTP)的增強(qiáng)材料。與傳統(tǒng)金屬管道相比，Twaron RTP具有質(zhì)輕、耐高壓(約30 MPa)等特征，更重要的是，它對(duì)氫氣呈惰性。2018年，德國(guó)Pipelife公司(Twaron RTP的制造商)與Groningen海港簽署了4.5 km的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目。根據(jù)Pipelife公司的計(jì)劃，該項(xiàng)目于2019年6月開始施工。

帝人芳綸公司正積極致力于向循環(huán)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。其產(chǎn)品Twaron和Technora在嚴(yán)苛的負(fù)載條件下，仍表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。帝人公司將攜手合作伙伴，積極尋求并努力為下一代構(gòu)筑新的未來。