機(jī)械共混在聚丙烯材料回收中的應(yīng)用

余綿鈺，闕戴楠，江怡坪，樊謹(jǐn)超

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000）

0 引言

由于不同發(fā)達(dá)國家和地方政府對一次性醫(yī)療口罩（disposable medical masks, DMMs）主要成分為大品種高分子材料聚丙烯PP）等醫(yī)用物品需求量持續(xù)增加，截至2022 年10 月底，在中國DMMs 的每日平均產(chǎn)能已達(dá)一億只，也就意味著，我國每天要面對的廢棄口罩?jǐn)?shù)量之龐大。如何正確處理疫情時(shí)期和之后所形成的口罩廢棄物，充分認(rèn)識(shí)到了DMMs 資源回收的重要性，同時(shí)盡快發(fā)展利用新科技新模式新產(chǎn)業(yè)，也是當(dāng)前環(huán)保的迫切要求。通過關(guān)注廢舊高分子資源處理應(yīng)用的最新技術(shù)，并探尋其更環(huán)保、有效的處理再利用方法，將為美國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展作出積極努力。而美國能源部將在2019 年首次指出，化學(xué)物質(zhì)的升級(jí)與再造技術(shù)是未來處理廢舊高分子物質(zhì)污染問題的最高效方法。論文主要從藥用高分子物質(zhì)化學(xué)升級(jí)再造研究的觀點(diǎn)入手，以機(jī)械共混為例全面總結(jié)了DMMs 中核心物質(zhì)PP 的再生應(yīng)用及其化學(xué)升級(jí)再造研究進(jìn)展情況，對PP 等藥用高分子物質(zhì)的化學(xué)增值應(yīng)用問題提出意見新思路。

1 一次性醫(yī)療口罩回收的現(xiàn)狀和問題

1.1 一次性醫(yī)療口罩簡介

DMMs 通常分為3 層，包括了最內(nèi)側(cè)過濾層（熔噴無紡布）和最外層防水層（紡粘無紡布），一般用的是專門用作醫(yī)療衛(wèi)生的纖維無紡布，并采用了PP 無紡布以超細(xì)玻璃纖維為核心材料中間層則采用的是有過濾抗菌功能的溶噴布，鼻梁上的塑料條則用的是環(huán)保型全塑條，不含任何金屬。

1.2 一次性醫(yī)療口罩回收的必要性

口罩作為防御病毒的主要物資在民用防御和醫(yī)療防范領(lǐng)域普遍使用，特別在冬季呼吸道感染高發(fā)的狀況下，口罩對于阻斷病菌傳染具有非常關(guān)鍵的意義。近年來由于公眾醫(yī)療衛(wèi)生事故的時(shí)有發(fā)生，口罩被更多的人所采用。在專家學(xué)者的不斷呼吁下，“口罩文化”也開始成為人們防治傳播感染性疾病的一條重要途徑?？谡謶?yīng)用后怎樣妥當(dāng)處置、怎樣防止?jié)撛诘摹岸蝹魅尽钡仍掝}，都應(yīng)該盡快引發(fā)社會(huì)重視。北京、杭州、上海等多地的疾控中心發(fā)布了科普提醒信息，向普通民眾宣傳口罩戴好后的正確處理方式，而這種公眾科普無疑亡羊補(bǔ)牢時(shí)的必要。不過，細(xì)看多地發(fā)布的一些提示信息，在內(nèi)容大體趨同的基礎(chǔ)上，也有部分信息出現(xiàn)矛盾[1]。例如，在有些地區(qū)就不建議“開水燙一次”“剪碎后扔掉”和“火燒”等方法。不過上述方法都并沒有很好地對口罩進(jìn)行降解，因?yàn)榭谡值闹谱髦黧w材料PP 聚丙烯，如果沒有專門裝置可以進(jìn)行降解后再使用，所以已經(jīng)廢棄的口罩也無法在天然狀況下自行分解。在當(dāng)前情況下，大量廢棄的小口罩究竟應(yīng)該怎么管理、妥善處理，是一個(gè)十分亟待去處理的大課題，而智能口罩管理終端就是在這個(gè)大形勢下應(yīng)運(yùn)而生的新產(chǎn)品，怎么管理好每一個(gè)小口罩，這將是重要的問題，決不能使小口罩變成新型的病毒傳播載體和污染環(huán)境的白色廢棄物。

1.3 口罩回收現(xiàn)階段存在的問題

現(xiàn)階段國內(nèi)學(xué)者圍繞計(jì)算機(jī)和技術(shù)融合，以及人工智能對防疫和環(huán)境保護(hù)的探索，更多的是基于基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面的研究成果，但是這些基礎(chǔ)研究成果落地的很少，目前國內(nèi)智能處理終端面臨接口簡單、智能不夠、識(shí)別有效性低的困難，不能實(shí)現(xiàn)識(shí)別處理的需求[1]。

2 廢棄口罩的升級(jí)再造——機(jī)械共混

細(xì)胞或病毒的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了它不能耐高溫，因此在確保工作人員安全的情況下，通過與簡單的高溫機(jī)械材料共混回收或?qū)U棄DMMs 升級(jí)再造的方法可行方式。DMMs 在生產(chǎn)過程中的熔噴過程，使PP 有較大的熔融指數(shù)和較大的流動(dòng)性，所以熔噴PP 具備相對原子質(zhì)量較小和相對原子質(zhì)量范圍較窄的特性，而這種的分子結(jié)構(gòu)特性也使廢棄DMMs 和其他物質(zhì)在機(jī)械共混中產(chǎn)生了較好的生產(chǎn)可控性[2]。

2.1 填料復(fù)合改性

將廢舊DMMs 粉碎后，再引入較常用而便宜的無機(jī)納米顆粒加以共混改性，是利用PP 增強(qiáng)重塑性的最常用措施。雖然DMMs 的PP 相對分子質(zhì)量較小，模量和硬度也不如一般PP，但經(jīng)過簡單的熔融處理后注入納米顆粒，就能達(dá)到所預(yù)期的各種特性，不但能夠?qū)崿F(xiàn)材料強(qiáng)化、增剛，而且還能夠增強(qiáng)耐沖擊功能，從而大大提高了PP 透水性、阻燃性、導(dǎo)磁性、熱穩(wěn)定性等。通常，引入無機(jī)納米顆粒時(shí)必須注意兩個(gè)方面，即納米顆粒在聚合物中的分布狀況以及納米顆粒與聚合物之間的表面相互作用。例如，為了提高力學(xué)性能，通常需要納米顆粒在聚合物基體中產(chǎn)生很高的表面分散度，并且納米顆粒與聚合物間也必須產(chǎn)生良好的表面作用但針對導(dǎo)電/導(dǎo)熱的功能性材料來說，則必須在高分子基體上建立導(dǎo)電/導(dǎo)熱通道，并且要求納米顆粒的分布狀況為“宏觀均勻，微觀聚集”[2]。由此可見，構(gòu)筑無機(jī)納米顆粒表面在聚合物基質(zhì)中合理的分布狀態(tài)對復(fù)合材料的宏觀特性至關(guān)重要。此外，通過修改無機(jī)納米顆粒表面，以加強(qiáng)二者的界面作用，也可對改性PP 材料形成事零點(diǎn)五功倍的效應(yīng)，但此法也必須防止將無機(jī)納米顆粒表面改造后的各種功能基團(tuán)在高溫機(jī)械切割時(shí)會(huì)損壞，同時(shí)由于各種功能基團(tuán)的脫離也會(huì)形成自由基或分子根，從某種程度上對PP 形成催化劑分解，從而導(dǎo)致材料特性的降低。

2.2 共混聚合物合金改性

將廢舊PP 和其他高分子材料通過共混改造，就是對PP 提升再造的一種方法，最經(jīng)典的實(shí)例即為PP/PE共混合物。PP 與PE 均是較大品種、非極性的通用塑料制品，將二者廢棄物進(jìn)行共混，前已多有研究。由于PP表面張力很大，分子間呈非穩(wěn)定性，當(dāng)與其他高分子共混后呈現(xiàn)為熱力學(xué)非相容性，在各自相疇面積較大或二相界面性質(zhì)很弱下，極易劣化材料的熱力學(xué)性能。這樣，增容劑的應(yīng)用就成為在PP 和其他高分子，特別與雙極性高分子共混時(shí)，提高兼容性的必然選擇。由于增容物中大多是小分子有機(jī)物質(zhì)，在進(jìn)行增容的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生塑化效應(yīng)，從而導(dǎo)致了共混體系的硬度和剛性降低。發(fā)展高分子增容物技術(shù)，例如，生產(chǎn)PP 和其他高分子的接枝及嵌段共聚物已勢在必行，但PP 非極性的物理化學(xué)特性使之和其他化合物生成共聚物時(shí)，往往包含了許多的化學(xué)反應(yīng)類型和反應(yīng)機(jī)制，因而產(chǎn)生了許多挑戰(zhàn)[2]。學(xué)者們正在研發(fā)高效可控的催化劑。同時(shí)研制出了具有對稱分子結(jié)構(gòu)的鋯系催化劑，并成功生產(chǎn)出了PP-b-PE 共聚物，聚合反應(yīng)完全可控，由于PP段存在著較大的立構(gòu)規(guī)整性且很容易融合，因此能夠達(dá)到對PP 與PE 段的增容，但同時(shí)由于該催化劑進(jìn)行了β-氫化的去除，使得分子鏈增長速度有限，因此所得共聚物分子數(shù)量較少。某學(xué)者研制出對丙烯和乙炔等單體具備相同選擇功能的吡啶基催化劑，并通過調(diào)節(jié)投料過程的復(fù)合單體比例，能夠生產(chǎn)分子數(shù)量可調(diào)的多嵌段PP-b-PE 共聚體，從而完成了商品用PP 與PE的黏合化。

3 產(chǎn)品理念以及應(yīng)用場景

3.1 產(chǎn)品理念

通過設(shè)計(jì)先進(jìn)的口罩處理器，并集成人工智能技術(shù)，可以提升對廢棄口罩的處理效果，并可避免因口罩隨意廢棄而產(chǎn)生的二次污染。幫助市民改掉了亂丟、亂扔舊口罩以及新口罩反復(fù)佩戴的不良生活習(xí)慣。該公司還通過內(nèi)部的消毒降解處理一體化技術(shù)，提取了口罩內(nèi)部的聚丙烯（PP）材質(zhì)，既實(shí)現(xiàn)了較大的循環(huán)效益，也增強(qiáng)了對廢舊口罩處理的系統(tǒng)性、安全性和處理效果，解放大量勞動(dòng)力資源，減輕醫(yī)用廢品回收、分類、降解、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)工作量。另外，通過機(jī)器內(nèi)的智能終端可以實(shí)時(shí)記錄回收數(shù)據(jù)，并上傳至后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和國家疾控防疫管理中心，以方便管理人員及時(shí)處理，也為傳染病的有效防控和衛(wèi)生健康的維護(hù)管理等工作提供了最基本的數(shù)據(jù)保障。

3.2 應(yīng)用價(jià)值

3.2.1 口罩資源化回收利用的應(yīng)用價(jià)值

據(jù)估計(jì)，口罩在各行業(yè)中的使用量至少約為5.33億每人每天，則全國每天將產(chǎn)生至少2600t 以上的醫(yī)療垃圾，對我國環(huán)境造成極大的壓力。該項(xiàng)目將一次性口罩中占比90%以上的PP 材質(zhì)作資源化回收利用，有利于抑菌降污保健康，對緩解資源緊缺、解決環(huán)境污染問題具有很大幫助。另外，它可使回收提煉后的PP 材料具備很高的力學(xué)性能、防霉特性等，為節(jié)省新材料的開發(fā)，走向可持續(xù)開發(fā)路線打下良好的基礎(chǔ)，具有極佳的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)性[3]。

3.2.2 環(huán)保與經(jīng)濟(jì)并駕齊驅(qū)的應(yīng)用價(jià)值

習(xí)近平總書記提出，將促進(jìn)改善環(huán)境生態(tài)效益和支持民營經(jīng)濟(jì)發(fā)展有機(jī)融合起來，為此，應(yīng)積極探索環(huán)境治理與經(jīng)濟(jì)增長協(xié)調(diào)共生的新路徑。本項(xiàng)目精準(zhǔn)定位大學(xué)生、常外出的社會(huì)人士等應(yīng)用人群，通過實(shí)行商家獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，將理論運(yùn)用到實(shí)際上，發(fā)展環(huán)保的同時(shí)以大量回收口罩中PP 材料進(jìn)行再生產(chǎn)的方式提升經(jīng)濟(jì)效益，減少環(huán)境負(fù)擔(dān)的同時(shí)，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)，促使實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)化的步子越邁越實(shí)，推進(jìn)民營企業(yè)走上高質(zhì)量的綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展之路。

3.3 智能口罩回收終端的設(shè)計(jì)思路

3.3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，包含計(jì)數(shù)功能、無線模塊、高溫模塊等。

（1）測量系統(tǒng)方面，口罩的材料、外形、大小不一，研發(fā)過程中采取了機(jī)械系統(tǒng)搭配光電感應(yīng)器的方法，多通道的捕獲來測量的口罩位置及操作。

（2）無線模塊技術(shù)，是指使用ZigBee 技術(shù)，是一個(gè)簡單方便的，低功耗的近距離無線局域網(wǎng)通信方式。通過該功能，將區(qū)域內(nèi)的收集終端覆蓋到同一網(wǎng)絡(luò)下，并即時(shí)收集所有智能口罩收集終端的信息，以便監(jiān)測與調(diào)整。

（3）高溫模塊方面，使用應(yīng)用型加熱管，是一種較為普遍的應(yīng)用組件，常用于發(fā)熱管等應(yīng)用場景。

3.3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)方面，考慮到以上要求，設(shè)計(jì)軟件包括服務(wù)器、設(shè)備端及Web 客戶端軟件設(shè)計(jì)。

（1）服務(wù)端方面采用阿里云服務(wù)器（ECS）技術(shù)，可打造簡潔有效、數(shù)據(jù)處理時(shí)間可彈性伸縮的計(jì)算平臺(tái)，用以高效構(gòu)建更加安全、可靠的服務(wù)，且能協(xié)助企業(yè)運(yùn)營管理部門提高運(yùn)維工作效率，從而減少企業(yè)IT 成本[4]。

（2）設(shè)備端在軟件需求流程中采用了μC/OS-ⅱ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)是一種全新的、靈活的搶占型實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，能夠使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立、準(zhǔn)時(shí)且無誤的工作。采用了時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度和信號(hào)量限制等方式，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步。

3.3.3 結(jié)構(gòu)展示

（1）材質(zhì)方面，以鋼化玻璃和鍍鋅板[5]為機(jī)身的主體材質(zhì)，鍍鋅板結(jié)實(shí)耐磨、防腐防潮、視覺效果好且性價(jià)也比較高，可以使產(chǎn)品在戶外的繁雜工作環(huán)境下平穩(wěn)地工作，而且，還可以降低成本。

（2）造型方面，造型設(shè)計(jì)以長方體為基底，運(yùn)用大量線條結(jié)構(gòu)，風(fēng)格簡約渾厚，整體安全系數(shù)更高、空間使用率也更大。另外，采用了模塊化結(jié)構(gòu)，在室內(nèi)板的形狀上添加了LED 廣告顯示屏、隔板、太陽能電池板，與其他無異。

（3）功能方面，回收機(jī)主要由箱體外殼、廢棄口罩投遞嘴、取物口、刀具組件、低密度分離箱、高溫分離區(qū)、太陽能板等模塊所構(gòu)成。具備了紅外線傳感、消毒殺菌、溢滿感應(yīng)、防盜、網(wǎng)絡(luò)控制、語音報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控、太陽能補(bǔ)充、避雨、底部排水等功用。

4 結(jié)語

口罩資源化回收機(jī)制的探索性研究成果可以轉(zhuǎn)化至其他領(lǐng)域產(chǎn)品的資源化回收成果，為其提供新思路，目標(biāo)是將核心回收物產(chǎn)業(yè)化。在環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)同共生的當(dāng)代社會(huì)，產(chǎn)品資源化回收行業(yè)高速發(fā)展。隨著項(xiàng)目的實(shí)施，可回收產(chǎn)物經(jīng)營體系中的激勵(lì)機(jī)制和循環(huán)激勵(lì)機(jī)制適用性強(qiáng)、實(shí)效性高，可促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高效協(xié)調(diào)發(fā)展，以及為協(xié)同推動(dòng)環(huán)境優(yōu)先和綠色文明的道路做出新的更大努力，以便適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際需求。