林秀玲,范 穎

(安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232001)

復合材料集合了各種單一材料的優(yōu)點，廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個行業(yè)當中。各種材料復合之后，即保留高分子材料質(zhì)量輕，金屬材料強度高，無機材料功能強的特點，又賦予復合材料許多新功能。對于復合材料專業(yè)的本科生，學習復合材料的制備工藝是必不可少的。本校面對本科生開設的《復合材料工藝與設備》這門課程根據(jù)行業(yè)發(fā)展趨勢，內(nèi)容側重于樹脂基復合材料的成型工藝和設備，根據(jù)熱塑性樹脂和熱固性樹脂物化性質(zhì)的不同介紹多種成型方法。學生通過教學實習及本門課程學習已經(jīng)掌握了諸如塑料杯、玻璃鋼座椅等產(chǎn)品的成型工藝，但是，從各種教學參考書籍及本校復合材料專業(yè)所用教材來看，《復合材料工藝與設備》這門課程不包括樹脂基復合材料的回收工藝。線型結構的熱塑性樹脂基復合材料成型獲得制品后，如果加熱仍然可以流動，進而再次成型，廢棄物的回收處理相對容易。而熱固性樹脂基復合材料是利用交聯(lián)劑與樹脂之間發(fā)生化學反應來成型的，成型后再加熱材料不能熔化，固體廢棄物的回收難度較大。伴隨著工業(yè)技術和各種新興材料的發(fā)展，熱固性樹脂基復合材料在民用和工用領域的比例不斷拓展，這些產(chǎn)品的廢棄物回收問題也成為一個橫亙在人們面前的巨大問題。目前，國內(nèi)處理熱固性樹脂基復合材料的主要方法，其一是就地填埋，大面積填埋占用的土地無法進行生產(chǎn)，造成土地資源浪費。二是焚燒，焚燒會污染空氣。為了減少環(huán)境污染和資源浪費，順應當下環(huán)保的潮流，科研工作者[1-3]不斷努力，研究新的回收處理方式，提高其回收利用效率，使其在現(xiàn)實生活中的利用成為可能，為工業(yè)化奠定基礎。

鑒于此，為了讓學生掌握熱固性樹脂基復合材料的回收工藝，以滿足復合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，從教學目標、教學內(nèi)容和教學方法等多個方面對水泥窯協(xié)同處置固廢技術在《復合材料工藝與設備》課程中的運用進行探討。

1 《復合材料工藝與設備》課程教學目標

目標1：能夠較全面和系統(tǒng)地理解各種成型工藝原理、原料、流程、特點和選擇原則。能夠根據(jù)產(chǎn)品要求，設計合適的成型工藝及流程；目標2：能將復合材料成型原理運用到復合材料領域的設計、制備、改性、結構與性能分析等環(huán)節(jié)，并具有分析和解決復雜工程問題能力；目標3：具有自主學習的意識，能夠不斷更新和拓展自身的知識和技能，畢業(yè)后在復合材料及相關領域具有產(chǎn)品開發(fā)、工藝和設備設計、技術創(chuàng)新及經(jīng)營管理等方面的能力與素質(zhì)。

以上是本專業(yè)《復合材料工藝與設備》課程教學目標，為了適應行業(yè)發(fā)展的需求，增加目標4：在達成目標1的前提下，了解常用的固廢處理技術，并結合復合材料特點，能夠?qū)⑵溥\用到處理熱固性樹脂基復合材料廢棄物工藝中。

2 《復合材料工藝與設備》課程內(nèi)容優(yōu)化

復合材料的成型是以基體材料的成型方法為主，適當考慮增強材料的類型。顧名思義，《復合材料工藝與設備》課程內(nèi)容是以樹脂基體為主，結合纖維增強材料，講授手糊成型、模壓成型、纏繞成型、注射成型和擠出成型。為改進手糊成型而創(chuàng)造的半機械化成型—噴射成型以及壓力不同而發(fā)展的RTM和RIM成型。成型工藝是每種方法必須講授的內(nèi)容，所用設備包括制備產(chǎn)品所用模具及各種儀器的主要部件，重點內(nèi)容是樹脂基復合材料的成型原理、原材料、工藝過程及應用[4]。手糊成型、模壓成型和纏繞成型適用于熱固性樹脂基復合材料的制備，而注塑成型和擠出成型常用于熱塑性樹脂基復合材料的制備。線型結構的熱塑性樹脂基復合材料成型獲得制品后，如果加熱仍然可以流動，進而再次成型，廢棄物的回收處理相對容易。而熱固性樹脂基復合材料的成型是利用交聯(lián)劑與樹脂之間的化學反應來實現(xiàn)的，成型后的制品再加熱也不能熔化，固體廢棄物的回收難度較大。針對目前《復合材料工藝與設備》課程所用教材，熱固性樹脂基復合材料的回收處理作為補充內(nèi)容。補充內(nèi)容包括固廢處理技術和處理熱固性樹脂基復合材料的工藝流程以及固廢處理設備。

3 水泥窯協(xié)同處置固廢技術

水泥窯協(xié)同處置固廢技術是利用水泥廠生產(chǎn)線的水泥窯來處理固體廢棄物。以海螺集團旗下的川崎公司研發(fā)的一項固廢處理技術為例，來探討該技術在處理熱固性樹脂基復合材料的適用性，并嘗試作為《復合材料工藝與設備》課程內(nèi)容的補充部分。

水泥窯協(xié)同處置固廢后的殘渣和飛灰作為水泥組分進入水泥熟料產(chǎn)品中，不需要額外進行填埋處置，不占用任何土地資源。對有些熱值高的固廢經(jīng)過水泥窯煅燒產(chǎn)生的熱能可被利用，實現(xiàn)節(jié)能。水泥窯煅燒時溫度可高達1400～1800℃，窯內(nèi)呈現(xiàn)堿性環(huán)境，有機物被徹底分解，有效地遏制了固廢焚燒過程中二惡英的產(chǎn)生[5]。

回轉窯是這項技術的核心內(nèi)容，固體廢棄物經(jīng)過前期簡單的預處理，主要的處理過程都是在回轉窯內(nèi)完成的?；剞D窯由多個部件組成，固廢處理主要是在圓筒形的窯體內(nèi)進行。筒體傾斜地架在支撐裝置上，由傳動裝置控制轉速。筒體內(nèi)的物料在熱量的作用下發(fā)生變化，處理后的產(chǎn)品從窯頭卸出?；剞D窯的多個部件為固廢處理分別提供了熱量，速度和場所，保證了固廢中的有害成分完全分解為無害物質(zhì)，可以將重金屬污染物中的大部分重金屬固化至物料中，作為水泥熟料的原料。通過控制回轉窯的運行狀態(tài)，可以保證回轉窯窯體內(nèi)的有害物質(zhì)不會溢出，而且焚燒廢棄物與水泥生產(chǎn)同時進行，充分利用現(xiàn)有的工藝設備，減少投資費用[6]。這些優(yōu)點使得回轉窯處理固體廢棄物是一種既經(jīng)濟又完美的處理方式。根據(jù)廢棄物狀態(tài)不同，有不同的處理流程。對于固態(tài)或低水分固態(tài)物，經(jīng)破碎后，通過皮帶運輸機送至回轉窯直接焚燒處置；對于少量的飛灰類廢棄物，初步處理后輸入專用儲備倉，然后借助外力噴射進入窯頭進行高溫煅燒。廢物中有害物質(zhì)在回轉窯內(nèi)充分燃燒，殘渣和飛灰進入水泥熟料中，廢物處置后的廢氣經(jīng)煙氣處理裝置凈化后排出。

利用水泥窯協(xié)同處置固廢，能夠使資源充分利用，保護環(huán)境。經(jīng)預處理后的各類固體廢棄物再經(jīng)過水泥窯處理，可替代水泥生產(chǎn)的燃料和原料使用，可以有效降低化石燃料的用量和水泥原料資源的開發(fā)。水泥窯協(xié)同處置技術使一般固廢、危廢和城市污泥等被處理產(chǎn)生新材料，提高利用率，實現(xiàn)了“減量化、無害化、資源化”[7-8]。

4 對熱固性樹脂基復合材料處理的適用性

綜合來看，水泥窯協(xié)同處置固廢技術實際上是將處理熱固性樹脂基復合材料的物理法和高溫熱解法結合的一種處理固廢技術。物理法即利用外力將固體廢棄物破碎成一定大小的顆粒，經(jīng)過分選后再根據(jù)其特點選擇不同的應用領域。高溫熱解法是利用熱量煅燒熱固性樹脂基復合材料，在此過程中，因為樹脂的降解導致樹脂基體和無機增強材料分離。樹脂基體的分解會產(chǎn)生有機液體燃料，而無機增強材料的回收為水泥熟料提供了原料。水泥窯協(xié)同處置固廢技術通過將復合材料廢棄物粉碎后加入到回轉窯中，在封閉負壓的堿性環(huán)境中，不會存在有毒氣體溢出的狀況，將有機物焚燒轉化為部分熱源，無機物轉化為水泥原材料[9]。

總的來說，將熱固性復合材料經(jīng)過破碎后直接投入水泥窯中焚燒處理，是比較理想完善的處理方式，它考慮了熱固性樹脂基復合材料焚燒的飛灰填埋后重金屬和二惡英對土壤、地下水的污染。同時，熱固性復合材料在回轉窯中焚燒產(chǎn)生的熱量實際上也為回轉窯中水泥熟料的燃燒提供了部分熱量。通過負壓堿性環(huán)境的回轉窯，熱固性復合材料為回轉窯內(nèi)的燃燒提供了能量，為水泥熟料的生產(chǎn)提供了原材料，同時，在密封環(huán)境內(nèi)，不會存在有毒氣體以及灰分的逸出，合理規(guī)避了能量回收方法中的不利部分，不會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

5 結語

社會的發(fā)展帶來了生活質(zhì)量的改善，生活便利的同時產(chǎn)生了各種廢棄的垃圾，其中很多是塑料或橡膠制品。熱固性塑料由于其穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結構，不溶不熔，更不能在自然環(huán)境中降解，給循環(huán)利用造成極大困難。尋求一種綠色、節(jié)能、高附加值的回收方式是塑料回收領域的一大挑戰(zhàn)，也是復合材料專業(yè)學生在今后工作中會遇到的問題。水泥窯協(xié)同處置固廢技術可用于處理固體廢棄物，包括危險廢棄物。為此，將水泥窯協(xié)同處置固廢技術運用到《復合材料工藝與設備》課程中，增加熱固性樹脂基復合材料廢棄物的回收處理工藝與設備。該技術的運用使學生在掌握扎實的理論知識的基礎上，充分發(fā)揮專業(yè)技術人員的職能，成為適應行業(yè)要求的新型技術人才。