环境材料(第四章再生循环)

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环境材料(第四章再生循环)
4.3.7 金属合金的设计--超级通用合金
▪ 现在针对不同的用途开发了不同的材料，材料的
种类一直在增加。这么多不同种类组成的材料混 杂在一起，使废料的再生循环很困难。
▪ 超级通用合金即是合金种类最少，而且能满足多
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4.2.2 美国再生资源法规立法的可 能性
▪美国虽尚无一部全国实行的再生循环法规。
但从20世纪80年代中期开始,先后已有半数 以上的州制订了不同形式的再生循环法规， 各地方再生循环物品的回收活动迅猛发展， 半数以上的人口参与了这一活动。
▪不管美国在法规制订方面如何，但在“产
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•4.2.3 日本再生循环法规的实施
2)指定产品 易再生产品的制造：要求在产品的设计阶段要进行 事前论证并作好记录，要求在材质及结构、分类、 信息提供、提高技术等方面下工夫。 3)指定副产品 促进副产品的利用。要求厂家做出促进利用再生资 源的计划，务必按规格、型号要求进行加工、生产； 配备必要的设备，提高技术等。
迄今为止，材料研究者一直在致力于研究和开发更强、更 韧，能在更严酷的环境下使用的具有更高性能的材料。结果 是各种各样化学组成的材料被开发出来，但在以往的材料开 发过程中关于如何节约能源及如何作到易于循环的观念是很 淡薄的。
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4.3.2 计算机辅助材料预测技术
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4.3.5 塑料合金的研究
将二种以上的聚合物复合，作为具有新功能的材料即所谓塑料合金。
例如：将液晶聚合物（LCP）和工程塑料复合，做成轻质和机械 强度兼备且容易再生循环的材料。这种材料作为取代上述有机/无 机复合材料的新材料而被普遍关注。
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4.3 材料的再生循环设计
材料的可循环再生设计是在设计阶段就充分考虑材料的循 环再生性，不仅比后期处理难度小，而且效益高。
8.3.1 考虑再生循环的材料设计
如何建立和发展社会性再生循环体系；极力减少资源采掘 量并持续不断地提供高质量的材料。
4.1 再生循环－可持续发展的途径
•4.1.1 再生循环的背景
▪ 对于某种生物来说没有用途的东西，在某些场合
可能是其他生物的资源，自然界中将所有的生物 有机地联系起来，就形成一个循环系统（生物 圈）。
▪ 如何减少废弃物是迫切需要解决的课题。 ▪ 除了能源以外，许多矿产资源如锌、镉、锡等也
面临枯竭。
• 在1993年3月，德国联邦议会通过了新的废弃物
处理法。被称作“循环型经济废弃物法”，主张 “生产者和消费者共同对产品的全过程负责”， “用再资源化代替简单的废弃物处理”，使生产 过程开始就明确提倡制订“循环型经济”、“再 生义务”和“回收义务”，为工业垃圾的再资源 化奠定了基础。
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日本的通产省工业技术院，在预测拉伸性能时， 通过计算成功地开发了能大幅度提高现有合金性能 的Ti合金。
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(2)组成变化不太敏感的合金
▪ 作为合金的强化机制，常用的有马氏体相变及第
二相的析出等相变现象，这些相变或析出现象受 化学组成影响的程度比固容强化作用更大，当偏 离某一合金成分时，相变或析出现象有可能完全 不发生。
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再生循环的形态
(1) 单纯再利用（reuse） 将不同的东西可以直接提供给其他消费者利用。 (2)部件的回收再利用 将废弃物中一部分零部件取出，可将这类部件用在别的系统 上继续发挥其结构和功能的作用。 (3)作为原材料再利用（recycle） 将一定组成的物质直接利用还是通过“分解、分离”成与原 材料更接近的物质，这在工艺的概念上是完全不同的。 (4)能源回收（reclaim) 有机物燃烧会放出能量，金属则有时被称作是通过还原等过 程而聚集在一起的能量块。
▪ 再生循环对于像铝、铜、钛、镍等合金体系更为
紧迫，也期望能发展类似的材料预测技术。
▪ 材料的性能可通过化学成分的选择以及由控制加
工、热处理等制造工艺而确定的微观组织来决定。
▪ 采用以基础理论为指导的材料预测技术来控制生
产、使用、废弃、回收的循环，这是“金属材料 环境材料化”的重要课题。
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▪ 与此相反，固溶强化与合金组成的关系是比较平
缓而连续的，再生循环造成的杂质及合金元素量 的变动对性质的影响较小。因此，固溶合金可以 作为有前途的再生循环候选材料。
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(3)金属再生循环的逐次降级使用情况
▪ 在合金学中，通过添加合金元素的配比，晶粒度
种用途要求的标准体系合金。
▪ 另一方面，在再生循环时，难以使废料的品位一
致，也难以避免由于杂质的混入而造成的化学成 分变化。
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(1)通用合金
▪ 由有限的元素构成，通过改变其配比可在
大范围内改变其性能的合金系。 A.Fe-Ni-Cr系钢：改变Fe、Ni、Cr的相对含 量，可得到铁素体钢到不锈钢等一系列钢种， 这些钢的组织及性能有很大的变化。 B.Ti合金：改变Ti、Al、V的相对含量，可使 合金的组织与性能发生很大的变化。
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例：Ti合金的基本组成与组织设计
▪ Ti在882℃的相变温度以上是β相，以下是α相。依 合金元素的种类与添加量不同，可分类为α、α+β 以及β合金。
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将一些理论上不能解释的现象方便地数值化了， 并成功的制造出高性能的机械。
然而到目前为止，类似的情况在材料的设计中还 十分罕见。一些数值化后而又含义模糊的部分还期 望将来基础理论发展后再给予替换或修正。
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4.3.3 应用材料预测技术使材料环 境材料化
• 1992年8月提出了“限制废车条例”的提案。其最重要的
议题就是汽车制造商有义务回收废旧车。并要求就以下内 容制定相应的措施：
(1)追求在设计及制造中的可分解性；
(2)促进贴商标及再生循环的程序；
(3)制造过程中的再利用与再生循环等。
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4.2.1 欧洲的环保政策
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4.1.3再生循环的问题
(1) 消费者首先必须参与利用废弃物资源的行动： a)分类回收；b)购买再生原料制品。
(2) 通过再生循环获得廉价的原材料 在相同的经济利润前提下，存在着最经济的再生循环率。 影响再生循环率的手段：可通过技术的开发，社会体制的
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•本讲内容
•4.1 再生循环－可持续发展的途径 •4.2 面对再生循环的环境保护政策 •4.3 材料的再生循环设计 •4.4 金属材料再生循环的现状 •4.5 塑料的再生技术 •4.6 建筑材料的再生循环 •4.7 干电池的综合回收与利用
支持和提高原材料的价格（在金融、税率上采取措施）予以 干预。 (3) 再生循环面临的困难。
再生材料品质和数量上的不稳定。 分选分离都很费事，导致处理费用的提高，增加能耗及回 收过程使用化学药品带来的环境负荷方面的影响。
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4.1.3再生循环的问题
生循环系统。
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4.1.2 再生循环的形态
▪将废弃物作为资源再生利用，其利用方式
随制造过程的阶段不同而有很大差异，不 同阶段进行再生利用时，所要解决的问题 的意义及重点也不相同。
▪在进行再生循环时，要根据解决的问题来
选择具体实施的阶段。
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环境材料的最大目标之一就是开发可以 反复使用的材料，在技术进步的前提下，创 造一个可以顺利开展再生循环利用的社会、 经济体系，使人们形成一种自觉选择、使用 环境协调型产品的意识。
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•(4)再生循环的发展方向 •A.杂质无害化技术。 •B.通用性材料。 •C.长寿命材料：延长材料的使用寿命，减少 废弃。
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4.2 面对再生循环的环境保护政策 4.2.1 欧洲的环保政策
• 欧洲各国对环境保护持积极态度 。德国1972年制定了 “废弃物处理法”。为了与这个政令配合，成立了DSD （Duel System Deutschlaud）公司。
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最近，关于Ti合金也有了基于热力学数据的相 平衡计算。根据正则熔体模型的热力学计算，可以 相当精确地计算多元素Ti合金中的相平衡。此外， 利用亚晶格模型可以处理Ti3Al等化合物，也可以计 算Ti-Al-Sn-Zr系的α/Ti3Al相平衡问题。这样，通过 计算来预测结构的组织正在成为可能。
等微观组织的控制等，以谋求合金的高性能。然 而，在再生循环时，组成一复杂，分选与分离就 困难了。此外，存在不能分离的合金元素时，有 可能使原来各合金元素的功能不能充分发挥出来。
▪ 因此，以废金属作原料的金属再生循环，实际上
倒不如说仍是以“逐次降级使用”为主，既一级 一级地向低级别产品再生的过程。
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(4)简单合金的可再生循环设计
▪ 简单合金：就是组元组成简单的合金。简单合金
品责任制”的意识方面是走在前面的国家。
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•4.2.3 日本再生循环法规的实施
▪ 1991年10月开始实施“关于促进利用再生资源的 法律”，目的在于确保资源的有效利用，抑制废 弃物的产生及保护环境。
▪ 从再生循环的角度规定了一些重要的行业、产品 和副产品如： (1)指定一些行业 要求这些行业促进再生资源的利用，做出利用 再生资源的计划。
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•4.1.1 再生循环的背 景
建立符合自然规律的物质循环系统的战略方
针应遵循如下两条原则：
（1）尽可能使用在自然界中可循环的材料，
并将自然百度文库循环应用到其废弃和生产过程中。
（2）尽可能少使用在自然界中不可循环的材
料。对那些非用不可的材料，应事先先设计一个再
液晶聚合物经加热后变成兼有固体和液体两者特征的液晶状态， 它是一种流动性很强的热塑性材料。在高温下融化形成均匀层，当 成型后使温度下降时，液晶聚合物便分散在聚合物基体当中。由于 形成原纤维（微小纤维），所以它可以发挥与玻璃纤维同样的增强 效应。
这种材料粉碎时，即使原纤维被破坏了，再成形时原纤维又能形 成，因此再生循环后性能变化不大，可大体保持原始的机械强度。
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•4.3.4 复合材料与环境材料
▪ 把塑料＋玻璃纤维、碳纤维制成复合材料，作为
一种环境材料而引人注目。
▪ 有机材料和无机材料复合的典型代表是玻璃纤维
强化塑料（FRP），它作为轻质和强度兼备的材 料有多种用途，而要使这种复合材料成为有利于 地球环境的环境材料，就必须作到容易再生循环 才行。
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4.3.6热塑性弹性体
▪ 热塑性弹性体是兼备橡胶与热塑性塑料特点的新 材料，在粘接剂、机电产品、汽车制造等方面已 被大量使用。
▪ 这种材料具有橡胶的性质，同时还可以熔融成形， 与必须加硫的橡胶相比更容易再生循环。热塑性 弹性体是由软链段和硬链段组成，硬链段承受强 度，软链段产生柔性。由它们组合可制造出多种 热塑性弹性体。