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    材料發展的未來——循環經濟(盤點與循環經濟密切相關的功能性材料)

    在人類歷史的長河中,線性經濟模式一直是主流,輸入端是原料的加工、使用,輸出端是產品的最終廢棄。

    先前由于資源相對豐富,廢棄物及碳排放只是偶或會讓人擔憂,但并未引起人類的真正重視。如今,盡管大部分資源依然充足,但有些資源卻越來越稀缺。與此同時,垃圾堆積如山;垃圾處理場所稀缺;溫室效應引起的氣候危機甚至直接危及人類的生存,諸如此類,使得循環經濟變得如此迫切。

    今天讓我們一起盤點一下與循環經濟密切相關的功能性材料。

    - 01 -

    什么是循環經濟?

    按照《中華人民共和國循環經濟促進法》的定義,所謂循環經濟,是指在生產、流通和消費等過程中進行的減量化、再利用、資源化活動的總稱。


    1) 減量化,是指在生產、流通和消費等過程中減少資源消耗和廢物產生。

    2) 再利用,是指將廢物直接作為產品或者經修復、翻新、再制造后繼續作為產品使用,或者將廢物的全部或者部分作為其他產品的部件予以使用。

    3) 資源化,是指將廢物直接作為原料進行利用或者對廢物進行再生利用。


    循環經濟的主線是通過產品中的材料的減少和再利用(有時是回收)來減少浪費。循環經濟的目標,就是通過產品和原材料的反復循環,最大程度地減少資源的浪費。因為,只要使用新的原材料,就會產生新的浪費。

    - 02 -

    循環經濟為何如此重要?

    研究表明,即使只在局部地域實施循環經濟,也會在多方面對地球的未來產生重大改善。隨著人類對可持續性的日益重視,對稀缺資源的依賴將進一步減少,最終,更少的廢棄物會流入海洋。我們還可以通過精簡生產過程,來降低整個社會的碳足跡。

    通過實施循環經濟,我們將達成以下目標:

    ● 廢棄物管理能力的改善,將減少垃圾填埋場的需求,提升原材料供應的安全;

    ● 創造更多就業機會,提高經濟競爭力,促進經濟增長;

    ● 促進全方位創新。

    - 03 -

    哪種類型的材料最適合循環經濟?

    激活循環經濟,需要各種各樣的功能材料。

    對于循環經濟來說,理想的材料和產品,無需過多再加工,即可再次使用。此外,材料的可回收性及可重復使用性也同等重要。當然,循環經濟的最高境界,是材料無需處理即可再使用。

    循環經濟不青睞生物降解材料。只有在不可避免的情況下才被使用,例如一次性使用物品。對循環經濟而言,基礎的功能性材料,對于減少投入(原材料)和廢棄物至關重要,這些材料將有助于擴展產品“使用和再使用”的空間。

    以下是幾種為“循環經濟”賦能的關鍵材料。

    過渡族金屬

    1)鈦

    鈦的強度比鐵高,密度僅為鐵的一半。在20°C時,鈦的密度為4.54 g /cm3,抗拉強度為434 MPa。這種特性使其成為汽車,航天航空和海洋工業的最佳結構材料之一,也是循環經濟的一種支柱性材料。

    鈦以其高的強度重量比、耐腐蝕和耐熱性而著稱,(熔點為1668℃,比熱容為520 J/(kg·K), 20℃時的導熱系數為22 W/(m·K))。鈦也可用于炊具、個人電子產品和家用電器。鈦是一種高度生物相容性的材料,能植入人體,是骨植入材料的首選材料。


    2)鐵

    毫無疑問,鐵是人類最多使用的金屬,很大程度上是由于豐富的自然資源、低廉的價格和種類繁多的應用。在20°C下,純鐵的一般密度為7.87 g/cm3,抗拉強度為540 MPa,比熱容為449 J/(kg·K)。熔點為1538℃。

    但是,鐵與空氣直接接觸時,很容易生銹,這是個令人關注的問題。因為,循環經濟要求功能性材料的各方面性能均能在循環中得以保持。

    幸運的是,通過與眾多合金元素的結合,可形成眾多不同等級的鋼,例如不銹鋼,它們使鐵具有耐腐蝕(以及其它性能,如柔韌性和硬度),使鐵成為世界上最通用的金屬之一,非常適合循環經濟。

    3)金

    金本身具有好的塑性,延展性和導電性。它可以被軋制成金箔,可被塑形或彎曲,金也是優質的導電體。金相對較軟,可通過與銅,銀或其他金屬的合金化來硬化。


    在20℃時,金具有相對較高的密度,為19.3g / cm 3,熔點為1065℃。一旦在產品中摻入金,它就不會在產品中消失,這也是循環經濟中對材料的期待。


    堿性金屬

    4)鋰

    鋰與我們的日常生活息息相關,眾所周知的用途是可充電電池。鋰離子電池幾乎為市場上的每一臺筆記本電腦、手機和幾乎每一輛電動汽車提供電力。鋰是所有固體元素中最輕的,在20℃時的密度為0.54 g/cm3,布氏硬度為5 [-]。另外,鋰也是所有金屬中最活潑的。

    當然,鋰的重要性不僅僅在于電池。當鋰與某些過渡金屬元素合金化時,它會變得更穩定,可用在飛機專用零件,車輛以及潛在的航天器中。

    本質而言,鋰有助于延長產品的壽命,這也是循環經濟所看重的產品特性。


    其他金屬

    5)鋁

    鋁的用途十分廣泛,涉及的領域包括電力、建筑、航空航天、消費電子產品、飲料容器等。鋁具有無限的可回收性和可重復使用性。

    純鋁相對較軟,在20°C下的布氏硬度為245 [-]。鋁被合金化后會變硬。

    鋁具有良好的延展性和韌性,并且是熱和電的良好導體,在20°C下,電阻率為2.6E-8 Ω·m,熱導率為221 W /(m·K)。


    鋁是循環經濟中最受青睞的材料,因為它具有無限可重復使用性和可回收性。鋁是現有對環境最友好的金屬之一,因而被視為“綠色金屬”。


    非金屬材料

    6)PPVC塑料

    塑料在循環經濟中起著至關重要的作用。其可重復利用性(而非生物降解性)是循環經濟的關鍵點,因此,任何可長期使用且不易分解的塑料都是循環經濟的最愛。


    相對于常規聚氯乙烯(PVC)材料,增塑聚氯乙烯(PPVC)具有更好的抗拉強度和阻燃性,以及更好的低溫沖擊強度。它的一般密度為1.16 – 1.35 g /cm3,在20°C時的最大許用應力為5 – 28 MPa,這使PPVC成為相對理想的再使用材料。


    另外,PPVC高達65℃的最高使用溫度和900 - 1800 J/(kg·K)之間的比熱容,使之能夠在較長的產品壽命內,承受惡劣的工況條件。PPVC已經在管道、扶手、電纜和電線護套、地板覆蓋物等場景得到了廣泛應用。


    隨著世界逐漸遠離一次性塑料制品和類似產品,未來我們可能會看到更多的PPVC。


    - 04 -


    鑒于循環經濟所需的諸多關鍵材料,均已得到廣泛使用和廣泛供應,因此,向循環經濟的過渡應該是可行的。主要的問題還在于消費習慣的轉變,也就是說,從習慣于使用“一次性物品”和“正常報廢物品”,轉向使用“可重復使用、持久耐用的優質產品”。


    同濟大學經濟與管理學院教授諸大建先生指出,發展循環經濟,要從當下末端廢物回收利用,轉變為真正的循環經濟全壽命周期管理。循環經濟的目的是預防和減少垃圾和廢棄物產生,而不是事后的廢棄物排放后進行利用和處理,不能把循環經濟等同于末端的資源回收利用和垃圾經濟。


    我國新一輪的五年發展規劃要針對幾種主要的資源消耗和廢棄物產生運用全生命周期管理手段,要覆蓋從資源開采、制造、消費、消費后處理等環節以及這些環節間的運輸物流等,建立清晰的從物質流全過程減少物質消耗和廢棄物產生的政策圖像。


    政策激勵要超越當下為主的末端廢棄物回收利用,使得循環經濟向生產和消費的上游推進,包括再制造延長產品使用壽命周期,發展產品服務系統和平臺共享經濟,不賣產品賣服務,以及在開采端用可再生資源作為原材料。


    Be or Not to Be? 發展循環經濟,從某種程度上說,取決于整個社會的集體意愿。 


    2020年10月28日
    寫于上海東鼎國際大廈B座5層


    參考資料

    http://www.mee.gov.cn/ywgz/fgbz/fl/201811/t20181114_673624.shtml

    https://matmatch.com/blog/here-is-what-you-should-know-about-key-materials-for-a-circular-economy/

    https://mp.weixin.qq.com/s/AIDAHZD5L8CUBb5g-Qt6Hg

    孫忠明知鋼       3天前

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