聚苯乙烯泡沫塑料無害化環保再生技術研究

李志杰，羅京科

（上海英科實業有限公司，上海201417）

1 背景介紹

隨著國民經濟的發展，塑料在各個方面的應用持續增長。聚苯乙烯（PS）泡沫塑料作為電子電器減震包裝、食品保鮮包裝的主要包裝材料被大量使用，這些一次性包裝材料由于其質輕價廉回收困難，使用后大量廢棄在環境中，造成嚴重的“白色污染”，廢泡沫塑料的環境污染問題已經引起全世界的廣泛關注。一方面是全球面臨石化能源日益減少的矛盾，另一方面大量的廢塑料資源造成環境的污染和浪費。與此同時，我國塑料制品行業的產業結構調整亟待加快，作為結構調整的方向之一，廢舊塑料的回收再利用問題已經成為整個循環產業鏈的關鍵，而且也是目前整個行業技術難度較高、價值提升空間較大的一個環節。傳統的PS 泡沫塑料回收再生主要是采取熔融擠出造粒的生產工藝，然而聚苯乙烯泡沫廢塑料因自然老化和多次熱加工的熱力學歷程，會發生不同程度的熱降解，局部分子鏈發生斷鏈，其性能較新料至少降低了30%，得不到很好利用。故改善提高聚苯乙烯廢塑料力學性能的創新意義重大。

上海英科實業有限公司（以下簡稱公司）成立于2002年，位于上海市奉賢區化學工業區胡濱公路1299號，是一家專業聚苯乙烯（PS）泡沫塑料回收和再生應用的高科技企業。公司一直致力于倡導環保、健康和安全的生活理念，公司運用先進的廢塑料環保再生技術，將廢棄的PS 泡沫塑料通過再生改性和多層共擠復合技術，大量生產各種尺寸和款式的相框、畫框、鏡框、踢腳線、頂角線、戶外地板等仿木制品，廣泛應用于家居裝飾和建筑材料等領域，成功地“以塑代木，變廢為寶”。現達到年回收廢舊PS 泡沫塑料超過5 萬t，年產120 萬箱仿木框線規模，相當于每年可避免200 萬顆樹木被砍伐，為保護地球環境作出了巨大的貢獻。

2 創新思路

目前，改善聚苯乙烯泡沫廢塑料力學性能的方法主要是添加一種或幾種改性助劑，添加的改性助劑主要有：（1）橡膠類。該類彈性體可顯著提高廢塑料的韌性，但剛度、拉伸強度和加工性能又有不同程度的降低，且此類改性劑價格較高。（2）納米無機粒子。利用納米材料自身獨特的表面效應、體積效應、量子尺寸效應，可對廢塑料內部的缺陷進行極好的修飾，從而大幅度提高了廢塑料材料的強度、韌性等。上述兩類助劑主要是通過物理共混改性，利用加入助劑自身的特點改善聚苯乙烯廢塑料的性能。本創新方案研發生產的聚苯乙烯廢塑料改性劑為分子鏈調節劑，該分子鏈調節劑可以在螺桿中與聚苯乙烯廢塑料發生化學反應，減少聚苯乙烯廢塑料中的分子缺陷，可從分子鏈微觀角度改善分子結構，提高聚苯乙烯廢塑料的力學性能。從經濟效益考慮，廢舊塑料回收行業最大的優勢在于成本低，在目前塑料原料價格基礎上進行比較，用廢塑料再加工制成的產品成本，僅為正品原料制成品的50%左右。在資源再生利用的同時，確保產品的安全、衛生、美觀就成為當代材料學迫切需要解決的實實在在的問題。在我國，廢舊塑料回收行業是個朝陽環保產業，發展潛力很大，故聚苯乙烯廢塑料的回收、再生、應用將有顯著的社會效益、環境效益和經濟效益。

3 創新過程

本技術采用了具有特殊結構的環糊精為包覆劑，該包覆劑具有空腔結構，內腔具有疏水性，外表面具有親水性，可與一些物質形成包合物。在超聲波的作用下，引發劑可均勻地分散在空腔的內側，在常溫條件下，該包覆結構基本上處于穩定狀態，發揮不了引發劑本身的活性。但是在高于100 ℃時，環糊精內腔的引發劑將會逐步釋放出來（圖1），與苯乙烯單體或低分子量PS 不定向地自由基聚合（圖2），減少PS 廢塑料中的分子缺陷，故在使用過程既可以保證引發劑起到增加分子鏈長度的效果，又不會因反應劇烈而導致分子鏈的缺陷。

圖1 分子鏈調節劑的分解原理圖

圖2 自由基聚合原理

本創新具體通過以下技術方案實施：（1）在100 份的無水乙醇溶劑中加入3～20 份環糊精，然后放入到超聲波環境溶解30～90 min，然后逐步加入1～10 份的過氧化二苯甲酰、1～10 份的過氧化二異丙苯、1～10 份的偶氮二異丁腈、1～10 份的2，3-二氰基-2，3-二苯基丁二酸二乙酯，繼續超聲波作用20～60 min；（2）將上述配制的溶液減壓蒸餾，蒸餾后在5～10 ℃條件下真空干燥，再在5～10 ℃條件下經過球磨機研磨20～90 min，得到環糊精包覆引發劑；（3）取上述蒸餾得到的粉狀物1～10 份和5～20 份分散劑溶解在100 份的苯乙烯單體中，攪拌溶解，即得到分子鏈調節劑。PS 廢泡沫再生過程中添加3%該分子鏈調節劑制備的材料的力學性能如表1所示。

該創新生產工藝經濟適用，方便快捷，能夠連續大批量生產，在聚苯乙烯廢塑料回收造粒或加工過程中加入該分子鏈調節劑，材料的力學性能可提高25%左右，制得產品性能基本上達到新料的標準。由于本項目的制備工藝過程中，使用了具有特殊空腔結構的環糊精，在超聲波的條件下，可以成功地包覆引發劑，在常溫下，環糊精內腔內的引發劑非常穩定，故提高了分子鏈調節劑的保存時間，并且保證在使用過程也不會發生劇烈反應。在聚苯乙烯廢塑料熱加工過程中，加入分子鏈調節劑，在高溫條件下（高于140 ℃），環糊精內腔中的引發劑逐漸釋放出來，與苯乙烯單體或聚苯乙烯發生不定向的自由基聚合，進而使得分子量增長。故可以顯著提高材料的物理化學性能，它的出現，可能將會開辟聚苯乙烯廢塑料回收和應用領域改性的一個新方向。

表1 聚苯乙烯廢塑料及改性后的力學性能

4 創新成果

（1）本創新技術較傳統的技術有了極大的提升，再生PS 產品純凈度可以達到99%，產品外觀、性能已與新料無異。項目產品PS 再生粒子經通標標準技術服務（上海）有限公司（SGS）檢測證明：產品合格，符合國家標準GB/T 19645—2013《塑料 聚苯乙烯再生改性專用料》和企業標準Q/0305ZYK 001—2014《聚苯乙烯（PS）再生粒子》的要求。

（2）經教育部科技查新工作站（L06）查新結果：“課題的創新點具有一定的國內外新穎性，與國內外同類研究相比，具有國際先進水平”。同時通過了工業和信息化部科技成果鑒定，被列為國家火炬計劃項目產業化重點項目，項目編號2011GH060329。

（3）本項目被認定為上海市高新技術成果轉化項目，項目等級A，技術貢獻系數0.90，項目編號201204263。且被評為2014年度上海市高新技術成果轉化百佳項目。2014年獲得了上海市科學技術獎三等獎。2018年獲得上海市重點產品質量振興攻關成果二等獎。

（4）基于本項目核心技術，項目組獲得了3 項專利，其中授權發明專利項，實審發明專利1 項，授權實用新型專利1 項。形成了1 項國家標準，1 項行業標準，發表論文2 篇。

（5）經濟效益：本創新技術在公司各個生產基地得到推廣應用，達到良好效果，2018年共回收5 萬t 廢舊PS 泡沫，實現銷售收入10 億元。

（6）環境效益：相關研究標明，1 m3木材可以吸收1.83 t 二氧化碳，1 t 聚苯乙烯仿木線材替代2.5 m3木材。聚苯乙烯仿木線材的原材料為廢舊聚苯乙烯泡沫，如按常規處理方式將這些廢舊聚苯乙烯泡沫焚燒，每焚燒1 t 廢舊聚苯乙烯泡沫將會有2 t 二氧化碳產生。因此1 t 聚苯乙烯仿木線材替代天然木材就可實現減排二氧化碳6.5 t。另外，每生產1 t 聚苯乙烯需消耗3 t石油能源。本技術成果的應用，每年回收再生并應用5 萬t 廢舊聚苯乙烯泡沫，相當于減排33 萬t 二氧化碳，節約15 萬t 石油能源，節約13 萬m3木材資源。

5 經驗總結

5.1 建立研發管理體系，提高創新項目的技術研發和應用水平

在具體研發過程中實施有效的技術管理，分為以下3 個層次。

（1）技術委員會的技術管理。包括：①指導創新項目研發技術管理體系的建立；②研發技術發展情況的監督檢查和規劃實施；③審批項目的技術規范和相關標準；④開展項目技術評審工作；⑤重大技術問題的處理；⑥決定新技術的推廣應用等。

（2）技術中心的創新技術管理。包括：①日常研發技術管理；②技術標準化及應用管理；③組織開展各階段的評審工作；④技術交流管理。

（3）具體創新項目研發過程中的技術管理。包括：①在項目不同階段進行的階段方案設計管理；②方案總體設計和詳細設計的內部審查；③階段輸出文件管理；④制造和測試技術支持和協作管理；⑤技術資料的歸檔管理。

5.2 與高校建立產學研合作，加快創新體系建設

為了落實本項目的創新研究內容，公司與華東理工大學、上海應用技術大學和上海第二工業大學等眾多科研院校建立了廣泛的合作關系。

（1）聘請高校專家教授作為分項目總負責人或技術負責人，設計技術總路線，組織項目的實施，充分授予專家權力，提供財力、物力、人力等資源保障，建立完全融合的項目開放式創新團隊。

（2）公司與高校發揮各自的優勢，高校提供技術創新的試驗設備、檢測分析儀器等，公司提供技術轉化為生產力的場地和中試生產設備。同時公司準確預測市場的走勢，走技術和市場緊密結合的路線。

（3）技術交流，公司積極參加國內外各種廢棄塑料回收再生領域的學術會議，不定期派出工程師到國內外先進企業工廠進行考察學習，同時也邀請科研院校和知名企業的科研專家到公司進行專業技術講座。

（4）合作開發，利用科研機構科技資源的豐富性、企業的創新能力以及政策的有效性共同開發，如合作進行新產品開發、設備的改進、工藝的創新完善等。

（5）聯合培養人才，提供科研設備、實習場所，與高等院校合作共同培養科研人才，確保企業未來發展對人才的需求。