芳綸纖維對循環經濟的貢獻

Z.Y. Cao， O. Grabandt

帝人芳綸公司(荷蘭)

當前經濟的一個基本特征是資源消耗呈線性增長。材料通常會經歷“制造、使用和處置”3個階段。企業開采原材料，并使用能源和勞動力將這些材料制成產品，再將產品銷售給終端消費者。當這些產品不再能發揮其固有功能時，消費者則將其丟棄。盡管科技的發展使生產效率得以極大的提升，但同時也使得生產中對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濟的發展。許多企業面臨著資源成本難以預測的風險。資源市場的波動有時會侵蝕企業的盈利能力。伴隨全球資源開采量的不斷增大，自然資源日益枯竭，同時也產生了大量廢棄物，極大地影響著生態系統。隨著全球人口不斷增加，這些問題將持續存在。若僅依靠生產效率的提高，則只能延緩惡果的來臨。

發展循環經濟已成為解決上述問題的有效手段。與傳統線性經濟相比，循環經濟可有效降低材料的投入及廢料的產生。在循環模式下，生產產品可進行重新設計、再利用和回收。循環經濟需遵循閉環生產、能源再生和系統性思維。閉環生產意味著生產中的剩余材料可作為其他新產品的原料，最終大幅減少進入垃圾填埋場的材料量。理想的情況是將所有的廢料轉變成另一種原料。能源再生要求為經濟發展提供原料的能源來自于可持續資源。系統性思維指在經濟體系中，所有參與者都緊密相連，并作為一個整體運行。

向循環經濟轉型將打破現狀：新的機遇和問題即將出現。帝人芳綸公司正嘗試通過下述方式應對循環經濟轉型中遇到的問題。

——改善回收。收集處于生命周期結束期的芳綸纖維，用作制備漿粕的原材料。

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

長期力學性能。

——開發伴隨循環經濟出現并增長的新應用。目前，帝人芳綸公司正努力尋找潛在的業務，建立合作關系，并推動公司的芳綸產品在這些領域的應用。如將芳綸用作氫氣輸送管道的增強材料。

本文就上述3方面對帝人芳綸公司的芳綸循環利用進行詳細敘述。

1 回收

多次調整芳綸的生產工藝，以減少其對生態的影響。利用回收的芳綸生產漿粕便是其中一項成功的案例，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。生產漿粕的原料來自各種終端產品的芳綸廢料：單向無緯布(UD布)、殘余紗線、增強纖維、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。有時還可通過添加一部分高純度的芳綸紗線，使回收芳綸產品達到所需的品質。中間產物經過研磨后，由纖維狀轉變為漿粕。芳綸漿粕通常可作為石棉的替代品，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 提高芳綸纖維的長期穩定性

芳綸纖維對循環經濟的貢獻不僅在于循環利用。若可以延長芳綸纖維的使用壽命，即提高終端產品的使用壽命，將有效減少能量需求及單位時間的能耗。

Twaron和Technora以長期負載下仍具有較高的穩定性而著稱。芳綸的這種特性對其用作光纖、輪胎和系泊繩纜的增強材料而言非常重要。帝人芳綸一直致力于開發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。測試時所施加的負載分別為纖維斷裂強度(BS)的30%和50%。在持續近1 a的蠕變測試周期內，纖維均未出現斷裂。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-時間曲線斜率呈線性變化，表明其對數蠕變率為常數。對數蠕變率的定義為

(1)

其中：εi，εi+1——測試的蠕變應變中相鄰點的數據；

ti，ti+1——上述相鄰點數據對應的時間。

Twaron 1000、Twaron 2200和Twaron D3200纖維的對數蠕變率分別為0.041%/dec、0.020%/dec和0.013%/dec。

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

失效時間(tTTF)是評價芳綸長期穩定性的一個重要指標。該指標主要通過測量在一定負載下纖維斷裂所需時間衡量芳綸的長期穩定性。失效時間隨著負載的增大和溫度的升高而呈現出下降趨勢。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中的直線為試驗數據的擬合。由圖3可知，室溫下LCP紗線的穩定性優于Technora T200。但因Technora T200具有良好的耐熱性能，其高溫(140 ℃)下的穩定性優于LCP。

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

基于Eyring計算式，Knoester等提出了一種動力學模型，用于闡釋tTTF與負載和溫度間的關系，見式(2)。

(2)

其中：tTTF——失效時間，s；

B——擬合常數，s；

U——摩爾活化能，J/mol；

V——摩爾活化體積，m3/mol；

σ——所施加的應力，Pa；

T——材料溫度，℃；

Tr——參比溫度，℃；

R——氣體常數，為8.314 J/(mol·K)。

將式(2)等號兩邊取對數運算，可得式(3)。

(3)

式(3)表明，失效時間的對數值隨施加應力(負載)的改變呈線性變化，這與圖3中關于失效時間的擬合結果一致。通過查閱參考文獻，可獲得幾種規格Twaron的參數值。

圖4為Twaron和LCP的儲能模量隨溫度的變化曲線。動態力學測試(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的儲能模量的衰減相對緩慢。LCP約在330 ℃時開始熔融，這從其儲能模量的損失狀態可以看出。Twaron則可承受更高的溫度。當環境溫度達400 ℃時，Twaron纖維的儲能模量仍高于80 GPa，直至環境溫度達500 ℃，Twaron纖維才開始分解。

圖4 Twaron和LCP的儲能模量隨溫度的變化曲線 (由DMA獲得)

3 開發新的應用以促進循環經濟

向循環經濟轉型的過程中蘊含許多新商機。帝人芳綸公司正潛心研究此類新機遇，并致力于推動芳綸制品的新應用。其典型案例是將Twaron纖維用作氫氣輸送熱塑性管道(RTP)的增強材料。與傳統金屬管道相比，Twaron RTP具有質輕、耐高壓(約30 MPa)等特征，更重要的是，它對氫氣呈惰性。2018年，德國Pipelife公司(Twaron RTP的制造商)與Groningen海港簽署了4.5 km的基礎設施建設項目。根據Pipelife公司的計劃，該項目于2019年6月開始施工。

帝人芳綸公司正積極致力于向循環經濟轉型。其產品Twaron和Technora在嚴苛的負載條件下，仍表現出優異的性能。帝人公司將攜手合作伙伴，積極尋求并努力為下一代構筑新的未來。