李志杰，羅京科

（上海英科實(shí)業(yè)有限公司，上海201417）

1 背景介紹

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，塑料在各個(gè)方面的應(yīng)用持續(xù)增長(zhǎng)。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(zhì)輕價(jià)廉回收困難，使用后大量廢棄在環(huán)境中，造成嚴(yán)重的“白色污染”，廢泡沫塑料的環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)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(huán)境的污染和浪費(fèi)。與此同時(shí)，我國(guó)塑料制品行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整亟待加快，作為結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向之一，廢舊塑料的回收再利用問(wèn)題已經(jīng)成為整個(gè)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵，而且也是目前整個(gè)行業(yè)技術(shù)難度較高、價(jià)值提升空間較大的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的PS 泡沫塑料回收再生主要是采取熔融擠出造粒的生產(chǎn)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(xué)歷程，會(huì)發(fā)生不同程度的熱降解，局部分子鏈發(fā)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(xué)性能的創(chuàng)新意義重大。

上海英科實(shí)業(yè)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)公司）成立于2002年，位于上海市奉賢區(qū)化學(xué)工業(yè)區(qū)胡濱公路1299號(hào)，是一家專(zhuān)業(yè)聚苯乙烯（PS）泡沫塑料回收和再生應(yīng)用的高科技企業(yè)。公司一直致力于倡導(dǎo)環(huán)保、健康和安全的生活理念，公司運(yùn)用先進(jìn)的廢塑料環(huán)保再生技術(shù)，將廢棄的PS 泡沫塑料通過(guò)再生改性和多層共擠復(fù)合技術(shù)，大量生產(chǎn)各種尺寸和款式的相框、畫(huà)框、鏡框、踢腳線(xiàn)、頂角線(xiàn)、戶(hù)外地板等仿木制品，廣泛應(yīng)用于家居裝飾和建筑材料等領(lǐng)域，成功地“以塑代木，變廢為寶”?，F(xiàn)達(dá)到年回收廢舊PS 泡沫塑料超過(guò)5 萬(wàn)t，年產(chǎn)120 萬(wàn)箱仿木框線(xiàn)規(guī)模，相當(dāng)于每年可避免200 萬(wàn)顆樹(shù)木被砍伐，為保護(hù)地球環(huán)境作出了巨大的貢獻(xiàn)。

2 創(chuàng)新思路

目前，改善聚苯乙烯泡沫廢塑料力學(xué)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(lèi)。該類(lèi)彈性體可顯著提高廢塑料的韌性，但剛度、拉伸強(qiáng)度和加工性能又有不同程度的降低，且此類(lèi)改性劑價(jià)格較高。（2）納米無(wú)機(jī)粒子。利用納米材料自身獨(dú)特的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)，可對(duì)廢塑料內(nèi)部的缺陷進(jìn)行極好的修飾，從而大幅度提高了廢塑料材料的強(qiáng)度、韌性等。上述兩類(lèi)助劑主要是通過(guò)物理共混改性，利用加入助劑自身的特點(diǎn)改善聚苯乙烯廢塑料的性能。本創(chuàng)新方案研發(fā)生產(chǎn)的聚苯乙烯廢塑料改性劑為分子鏈調(diào)節(jié)劑，該分子鏈調(diào)節(jié)劑可以在螺桿中與聚苯乙烯廢塑料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減少聚苯乙烯廢塑料中的分子缺陷，可從分子鏈微觀(guān)角度改善分子結(jié)構(gòu)，提高聚苯乙烯廢塑料的力學(xué)性能。從經(jīng)濟(jì)效益考慮，廢舊塑料回收行業(yè)最大的優(yōu)勢(shì)在于成本低，在目前塑料原料價(jià)格基礎(chǔ)上進(jìn)行比較，用廢塑料再加工制成的產(chǎn)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(shí)，確保產(chǎn)品的安全、衛(wèi)生、美觀(guān)就成為當(dāng)代材料學(xué)迫切需要解決的實(shí)實(shí)在在的問(wèn)題。在我國(guó)，廢舊塑料回收行業(yè)是個(gè)朝陽(yáng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，發(fā)展?jié)摿艽?，故聚苯乙烯廢塑料的回收、再生、應(yīng)用將有顯著的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 創(chuàng)新過(guò)程

本技術(shù)采用了具有特殊結(jié)構(gòu)的環(huán)糊精為包覆劑，該包覆劑具有空腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔具有疏水性，外表面具有親水性，可與一些物質(zhì)形成包合物。在超聲波的作用下，引發(fā)劑可均勻地分散在空腔的內(nèi)側(cè)，在常溫條件下，該包覆結(jié)構(gòu)基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)揮不了引發(fā)劑本身的活性。但是在高于100 ℃時(shí)，環(huán)糊精內(nèi)腔的引發(fā)劑將會(huì)逐步釋放出來(lái)（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(guò)程既可以保證引發(fā)劑起到增加分子鏈長(zhǎng)度的效果，又不會(huì)因反應(yīng)劇烈而導(dǎo)致分子鏈的缺陷。

圖1 分子鏈調(diào)節(jié)劑的分解原理圖

圖2 自由基聚合原理

本創(chuàng)新具體通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)施：（1）在100 份的無(wú)水乙醇溶劑中加入3～20 份環(huán)糊精，然后放入到超聲波環(huán)境溶解30～90 min，然后逐步加入1～10 份的過(guò)氧化二苯甲酰、1～10 份的過(guò)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(xù)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(jīng)過(guò)球磨機(jī)研磨20～90 min，得到環(huán)糊精包覆引發(fā)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(diào)節(jié)劑。PS 廢泡沫再生過(guò)程中添加3%該分子鏈調(diào)節(jié)劑制備的材料的力學(xué)性能如表1所示。

該創(chuàng)新生產(chǎn)工藝經(jīng)濟(jì)適用，方便快捷，能夠連續(xù)大批量生產(chǎn)，在聚苯乙烯廢塑料回收造粒或加工過(guò)程中加入該分子鏈調(diào)節(jié)劑，材料的力學(xué)性能可提高25%左右，制得產(chǎn)品性能基本上達(dá)到新料的標(biāo)準(zhǔn)。由于本項(xiàng)目的制備工藝過(guò)程中，使用了具有特殊空腔結(jié)構(gòu)的環(huán)糊精，在超聲波的條件下，可以成功地包覆引發(fā)劑，在常溫下，環(huán)糊精內(nèi)腔內(nèi)的引發(fā)劑非常穩(wěn)定，故提高了分子鏈調(diào)節(jié)劑的保存時(shí)間，并且保證在使用過(guò)程也不會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)。在聚苯乙烯廢塑料熱加工過(guò)程中，加入分子鏈調(diào)節(jié)劑，在高溫條件下（高于140 ℃），環(huán)糊精內(nèi)腔中的引發(fā)劑逐漸釋放出來(lái)，與苯乙烯單體或聚苯乙烯發(fā)生不定向的自由基聚合，進(jìn)而使得分子量增長(zhǎng)。故可以顯著提高材料的物理化學(xué)性能，它的出現(xiàn)，可能將會(huì)開(kāi)辟聚苯乙烯廢塑料回收和應(yīng)用領(lǐng)域改性的一個(gè)新方向。

表1 聚苯乙烯廢塑料及改性后的力學(xué)性能

4 創(chuàng)新成果

（1）本創(chuàng)新技術(shù)較傳統(tǒng)的技術(shù)有了極大的提升，再生PS 產(chǎn)品純凈度可以達(dá)到99%，產(chǎn)品外觀(guān)、性能已與新料無(wú)異。項(xiàng)目產(chǎn)品PS 再生粒子經(jīng)通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司（SGS）檢測(cè)證明：產(chǎn)品合格，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19645—2013《塑料 聚苯乙烯再生改性專(zhuān)用料》和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/0305ZYK 001—2014《聚苯乙烯（PS）再生粒子》的要求。

（2）經(jīng)教育部科技查新工作站（L06）查新結(jié)果：“課題的創(chuàng)新點(diǎn)具有一定的國(guó)內(nèi)外新穎性，與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)研究相比，具有國(guó)際先進(jìn)水平”。同時(shí)通過(guò)了工業(yè)和信息化部科技成果鑒定，被列為國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)2011GH060329。

（3）本項(xiàng)目被認(rèn)定為上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，項(xiàng)目等級(jí)A，技術(shù)貢獻(xiàn)系數(shù)0.90，項(xiàng)目編號(hào)201204263。且被評(píng)為2014年度上海市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化百佳項(xiàng)目。2014年獲得了上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)。2018年獲得上海市重點(diǎn)產(chǎn)品質(zhì)量振興攻關(guān)成果二等獎(jiǎng)。

（4）基于本項(xiàng)目核心技術(shù)，項(xiàng)目組獲得了3 項(xiàng)專(zhuān)利，其中授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利項(xiàng)，實(shí)審發(fā)明專(zhuān)利1 項(xiàng)，授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利1 項(xiàng)。形成了1 項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，1 項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)表論文2 篇。

（5）經(jīng)濟(jì)效益：本創(chuàng)新技術(shù)在公司各個(gè)生產(chǎn)基地得到推廣應(yīng)用，達(dá)到良好效果，2018年共回收5 萬(wàn)t 廢舊PS 泡沫，實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售收入10 億元。

（6）環(huán)境效益：相關(guān)研究標(biāo)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(xiàn)材替代2.5 m3木材。聚苯乙烯仿木線(xiàn)材的原材料為廢舊聚苯乙烯泡沫，如按常規(guī)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(huì)有2 t 二氧化碳產(chǎn)生。因此1 t 聚苯乙烯仿木線(xiàn)材替代天然木材就可實(shí)現(xiàn)減排二氧化碳6.5 t。另外，每生產(chǎn)1 t 聚苯乙烯需消耗3 t石油能源。本技術(shù)成果的應(yīng)用，每年回收再生并應(yīng)用5 萬(wàn)t 廢舊聚苯乙烯泡沫，相當(dāng)于減排33 萬(wàn)t 二氧化碳，節(jié)約15 萬(wàn)t 石油能源，節(jié)約13 萬(wàn)m3木材資源。

5 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

5.1 建立研發(fā)管理體系，提高創(chuàng)新項(xiàng)目的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用水平

在具體研發(fā)過(guò)程中實(shí)施有效的技術(shù)管理，分為以下3 個(gè)層次。

（1）技術(shù)委員會(huì)的技術(shù)管理。包括：①指導(dǎo)創(chuàng)新項(xiàng)目研發(fā)技術(shù)管理體系的建立；②研發(fā)技術(shù)發(fā)展情況的監(jiān)督檢查和規(guī)劃實(shí)施；③審批項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；④開(kāi)展項(xiàng)目技術(shù)評(píng)審工作；⑤重大技術(shù)問(wèn)題的處理；⑥決定新技術(shù)的推廣應(yīng)用等。

（2）技術(shù)中心的創(chuàng)新技術(shù)管理。包括：①日常研發(fā)技術(shù)管理；②技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及應(yīng)用管理；③組織開(kāi)展各階段的評(píng)審工作；④技術(shù)交流管理。

（3）具體創(chuàng)新項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中的技術(shù)管理。包括：①在項(xiàng)目不同階段進(jìn)行的階段方案設(shè)計(jì)管理；②方案總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)的內(nèi)部審查；③階段輸出文件管理；④制造和測(cè)試技術(shù)支持和協(xié)作管理；⑤技術(shù)資料的歸檔管理。

5.2 與高校建立產(chǎn)學(xué)研合作，加快創(chuàng)新體系建設(shè)

為了落實(shí)本項(xiàng)目的創(chuàng)新研究?jī)?nèi)容，公司與華東理工大學(xué)、上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)和上海第二工業(yè)大學(xué)等眾多科研院校建立了廣泛的合作關(guān)系。

（1）聘請(qǐng)高校專(zhuān)家教授作為分項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人或技術(shù)負(fù)責(zé)人，設(shè)計(jì)技術(shù)總路線(xiàn)，組織項(xiàng)目的實(shí)施，充分授予專(zhuān)家權(quán)力，提供財(cái)力、物力、人力等資源保障，建立完全融合的項(xiàng)目開(kāi)放式創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

（2）公司與高校發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，高校提供技術(shù)創(chuàng)新的試驗(yàn)設(shè)備、檢測(cè)分析儀器等，公司提供技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的場(chǎng)地和中試生產(chǎn)設(shè)備。同時(shí)公司準(zhǔn)確預(yù)測(cè)市場(chǎng)的走勢(shì)，走技術(shù)和市場(chǎng)緊密結(jié)合的路線(xiàn)。

（3）技術(shù)交流，公司積極參加國(guó)內(nèi)外各種廢棄塑料回收再生領(lǐng)域的學(xué)術(shù)會(huì)議，不定期派出工程師到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)企業(yè)工廠(chǎng)進(jìn)行考察學(xué)習(xí)，同時(shí)也邀請(qǐng)科研院校和知名企業(yè)的科研專(zhuān)家到公司進(jìn)行專(zhuān)業(yè)技術(shù)講座。

（4）合作開(kāi)發(fā)，利用科研機(jī)構(gòu)科技資源的豐富性、企業(yè)的創(chuàng)新能力以及政策的有效性共同開(kāi)發(fā)，如合作進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)備的改進(jìn)、工藝的創(chuàng)新完善等。

（5）聯(lián)合培養(yǎng)人才，提供科研設(shè)備、實(shí)習(xí)場(chǎng)所，與高等院校合作共同培養(yǎng)科研人才，確保企業(yè)未來(lái)發(fā)展對(duì)人才的需求。