2.4　基于LCA的复合材料清洁生产[12—16]

清洁生产（clean production，CP）是现代产业发展的总趋势，是传统制造业向绿色制造业转型的必由之路。

清洁生产是指改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管理、综合利用各种资源等，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或者避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除生产过程对人类健康和环境的危害。

清洁生产的原则是预防为主，从源头开始，通过生产过程控制，实现经济效益和环境效益的统一。可以认为，清洁生产的实质是将传统的环境污染“末端治理”的理念转变为“预防为主”的理念，从根本上解决工业生产的环境污染问题。

从可持续发展出发。复合材料清洁生产主要面对三个方面的问题：

（1）环境问题。复合材料的生产是指将组分材料，即纤维增强体和树脂基体复合制造成产品或制件的过程。从复合材料产业链看，组分材料原材料的生产，如树脂基体的合成，纤维的生产等也会产生大量的环境问题。复合材料生产的环境问题主要来自所用组分材料、预浸料制备、纤维预型件制作、成型工艺以及成型辅助材料废弃物等。其中热固性复合材料的降解和回收困难是最大的环境问题。另外，溶液法制备预浸料需要大量的有机溶剂，热压罐大型制件成型消耗的大量辅助材料，如吸胶毡、透气布、脱模膜、真空袋、密封胶条等，这些都是高性能和高成本的材料，用过后不能回收，只能废弃处理。此外还有预浸下料形成的边角料，如铺层错误还会造成整个制件报废。相对金属材料，复合材料的环境问题更严重，更需认真处理。

（2）社会问题。在溶液法制备预浸料和复合材料成型过程中，有大量有机溶剂剩余物和低分子挥发物排出，造成空气污染，影响人体健康。另外复合材料退役件，废品的掩埋和焚烧都会造成极大的生态和社会问题。

（3）经济问题。复合材料，特别是高性能复合材料的高投入、高能耗和高成本一直是困扰人们的问题，其中制造成本占50％～70％，包括专用设备的高投入和运行，如大型热压罐、高端纤维缠绕机、自动铺丝/铺带机等，这些专用设备技术要求高、配套控制系统复杂、制造成本高，另外成型过程的能耗高，辅助材料的消耗高。实现复合材料成型制造的绿色化和低成本化一直是重点研究课题，目前已取得重要进展，如大型或超大型复合材料制件的非热压罐成型，在航空航天领域已成功开发应用，并有可能发展成为取代传统热压罐成型的绿色制造技术。

2.4.1　基于LCA清洁生产的一般方法

基于LCA的复合材料清洁生产可以针对具体的产品或生产企业，也可针对一个行业或一个地区的产业运行和管理。运用LCA的技术框架可进行清洁生产整个过程的分析和评价。

（1）确定清洁生产的目标和范围。从清洁生产的需求出发，梳理生产过程中与环境影响有关的因素，找出资源消耗和环境影响最突出的问题，确定清洁生产的审计对象（如产品、工序或措施），研究清洁生产能取得最大社会和经济效益的可能性，规划和界定清洁生产的具体目标和研究范围。

（2）清洁生产清单分析。在确定目标和范围的基础上，按生命周期清单分析方法和程序进行清洁生产审计，也称编目列表分析，是对确定的目标和范围中的所有边界条件进行输入和输出的定量化的数据分析和计算，对复合材料的清洁生产，需要收集各种数据，如原料成分和性能、成型设备和技术、产品性能和质量、副产物、边角料和废弃物、资源和能源消耗等。完备的有实用价值的数据收集是费时和费力的，因此，如有可能，可使用LCA软件数据库中的数据或一些专业数据库的数据。清单分析需要处理庞大的数据，必须运用相关的软件来完成，目前国内外已研发出许多实用性的软件用于各种不同的LCA。清单分析有各种不同的方法模式，但基本要求是确定的边界条件以及各种数据、图表等必须具有完整性、准确性、有效性和实用性，以提高LCA评价的准确性。

（3）影响评价。影响评价建立在清单分析的基础上，是针对清洁生产的各个环节进行环境影响评价，根据清单分析数据与环境影响的相关性，得出一个能表征被评估对象所造成的环境负荷的具体指标，以评价各种环境问题造成的潜在环境影响的严重程度。这是将清单分析得到的大量环境数据转化为环境影响指数进行比较和评估的过程，最后得出定量化的各种指标来评价被审核对象造成的环境负荷。

（4）生命周期解释。生命周期解释是把清单分析和影响评价的结果进行归纳以形成结论和建议的阶段。在前面三部分工作的基础上，找出改进潜力最大的影响类型或生产环节，得出一个评估结论，特别是提出如何减小环境损害的建议，提出改进措施，使方案对环境的影响最小。如果要使方案切实可行，还必须进行技术和经济可行性分析。

（5）清洁生产方案实施。LCA用于清洁生产的最终目的就是通过LCA实现清洁生产，使产品对环境的影响最小。

在完成上述工作之后，就可以实施清洁生产方案。实施清洁生产方案是一件大事，应采用系统工程的理念和方法，实行整体上的配合和努力，并制定切实可行的实施方案，认真落实。

2.4.2　复合材料清洁生产的研究内容

从技术上考虑，复合材料清洁生产的基本思想是采用绿色工艺和绿色制造，通过LCA评价，更新设计观念，正确合理选材、改善产品体系，最大限度地提高资源、能源的利用水平，将环境污染减到最少。基于LCA的清洁生产技术框架如图2-7所示。

复合材料的可设计性以及成型工艺的可选择性为实现清洁生产提供了极大的发展空间。在复合材料的整个生命周期中，特别是对于航空航天高端应用的高性能复合材料，成型制造是一个高能耗、高投入和高成本的环节，制造成本占总成本的50％～70％，其中主要是大型成型设备高投入（如热压罐等）和热固化成型的高能耗，从20世纪90年代开始复合材料低成本化，许多低成本制造技术得到开发和应用，使复合材料绿色制造和清洁生产进入实际性的阶段，但从发展趋势看，复合材料的绿色化技术，特别是清洁生产和绿色制造技术，仍面临着重大挑战。

复合材料的清洁生产是根据复合材料是由两种以上不同材料复合的特点，按照图2-7所示框架，基于LCA方法，进行清洁生产实施和管理。

2.4.2.1　产品开发

产品开发主要是指产品的概念设计到详细设计，在设计过程中就要考虑产品整个生命周期其他各个阶段的资源消耗、环境影响以及产品的属性（如可制造性、可装配性、可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。这就是所谓的绿色设计。

绿色设计是实现清洁生产的前提，是一种并行工程的设计理念，在设计过程中材料选择、结构设计、工艺设计、包装运输设计、使用维护设计、拆卸回收设计、报废处置设计等多个设计阶段同时进行、相互协调，各阶段和整体设计方案、分析评价结果要及时进行信息交流和反馈，它要求在产品生命周期中涉及单位、集体和个人共同配合协调，从而在设计研发过程中及时改进，最终使产品设计达到最优化。

绿色设计的基本思想是“面向X的设计”（design for X，DFX），X表示前面提到的产品的各种属性，有关内容将在第3章中专门介绍。

2.4.2.2　材料选用

复合材料的组分材料选择非常重要，除满足性能和质量要求外，针对清洁生产，应尽量选择在生产过程中无公害排放、低成本和低能耗、使用寿命长以及可回收的原材料。从20世纪90年代开始用可回收的高性能热塑性树脂作基体材料与高性能纤维复合制备高性能复合材料，这方面的研究已取得重要进展，热塑性复合材料向飞机主承力结构件应用方向发展，如空客公司已成功地用玻璃纤维增强的PPS热塑性复合材料制造空客A-380机翼前沿。又如用生物基高分子材料作基体与天然植物纤维复合制备全降解型复合材料也得到了快速发展，被越来越多地用于汽车、建筑、家居及船舶等领域。

材料的选择还包括新型材料的开发，如低温固化而又具有高温性能的树脂基体，光固化、微波固化、电子束固化的树脂基体都能为降低能耗、清洁生产提供很大发展空间。

2.4.2.3　工艺控制

工艺控制是复合材料清洁生产的重要环节，直接关系到产品的性能和质量以及制造成本。清洁生产的工艺控制是针对产品制定出最优化的成型工艺方案，使制造过程在高效和低能耗的条件下完成，既能保证最终的性能和质量，又能减少或避免废料和有害物的排放。

树脂基复合材料采用热压成型，工艺控制的主要内容是针对所选用的树脂基体实现温度、压力和时间之间工艺参数的优化组合，现在主要用数字模拟仿真来实现，通过数字化模型定量描述复合材料成型过程中的一些性能参数，如树脂流变性、黏度、固化度、压力分布等随温度、压力和时间的变化关系，然后按模型给定的工艺条件进行成型过程的控制。

工艺控制的数字模拟仿真现已发展到智能化的现场监控，即通过先进的传感技术，用光纤、压电晶片、磁流变等传感器放置在制件不同部位，在成型过程中现场感知和测量一些性能参数的变化，并将测量结果输送到计算机控制终端，与数字模型比较，实现对成型过程的全程现场监控。

2.4.2.4　材料改进

复合材料制造和生产是将两种组分材料复合的过程，成型工艺优化是实现清洁生产的重要保证，而成型工艺又与组分材料的性能有关，因此原材料的改性一直是复合材料重要的研究内容，原材料的改性不仅能提高复合材料的使用性能，也能改善复合材料的成型工艺性能。例如，在环氧树脂固化体系中，加入一定量的路易斯碱及无机碱作为亲核型促进剂。能使高温固化的环氧树脂的固化温度降低50℃左右。又如酚醛树脂固化温度一般在180℃以上，添加固化促进剂或高反应性的物质，如碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸丙烯酸酯类的碳酸盐与碳酸酯、间苯二酚、异氰酸酯等是较好的固化促进剂，能使固化温度降低，缩短固化时间，降低能耗。

2.4.2.5　设备改进

复合材料的成型制造需要专门的设备和机器，如层压成型的热压罐、模压成型的热压机、拉挤成型设备、缠绕成型设备等，设备的改进能提高生产效率，降低能耗，减少废料和有害物排放率。采用能够使资源和能源利用率高、原材料转化率高、污染物产生量少的新工艺设备代替那些资源浪费大、污染严重的落后工艺设备。生产企业要进行技术改造，提高整体工艺装备和技术水平，通过新设备和新技术实施清洁生产方案，取得清洁生产效果。

同时要加强设备管理，提高设备完好率和运行率，提高人员素质，落实岗位和目标责任制，生产过程中杜绝“跑冒滴漏”，防止生产事故，使人为的资源浪费和污染排放减至最小。

2.4.2.6　技术改进

通过技术创新，研究开发既不牺牲产品功能、质量和成本，又能使环境的负面影响降到最小、资源利用率最高的新型成型工艺和制造技术，也就是采用绿色工艺和绿色制造技术。

对于复合材料的清洁生产，新型的绿色制造技术的研究可以归纳为两大类：一类是绿色制造的概念和方法的研究，主要研究有关的技术框架和理论，主要方法是数字化模拟仿真技术，包括材料供应链模型、资源优化模型、材料生产工艺模型以及各种分析计算方法；另一个领域则是面向技术应用的研究，通常针对复合材料成型工艺过程研究开发新型的低能耗和低成本的先进技术，如20世纪开始的以树脂传递模塑为代表的液体低成本技术，近年来针对大型或超大型制件成型的非热压罐成型技术，能大幅提高工效和减少预浸料下料边角料的自动铺丝/自动铺带技术等。

2.4.2.7　现场回收

提高资源利用率，节约能源和原材料，做到物尽其用。通过资源、原材料的节约和合理利用，使原材料尽可能地转化为产品或尽可能充分利用余料和边角料。复合材料层压结构是最主要的应用形式，通常是先制备成连续纤维预浸料，再按结构设计要求将预浸料切割成不同形状和尺寸的层片叠合成结构坯件，最后固化成型。预浸料下料过程中，不可避免地会产生边角料，据报道，下料形成的边角料可达制件用料的5％～10％，这些边角料一般不再适合高性能的结构应用，但回收后可用于其他应用，如将回收的纤维制备短切纤维复合材料，可用于汽车、轨道交通、机械、建筑等领域。此外，液体成型和缠绕成型过程中的剩余树脂和纤维余料均可回收、再开发和再利用。

2.4.2.8　产品改进

针对产品的使用性能和质量，以开发、生产无环境污染、对人体无害的清洁产品为目的，将环保因素预先考虑到产品设计之中，并考虑产品整个生命周期对环境的影响，是实现清洁生产的根本目的。

对复合材料而言，产品改进对实现清洁生产也非常重要，产品改进的第一个目标是提高产品的性能和质量，延长使用寿命，可回收和再利用。如针对生物树脂基复合强度和热性能普遍较低，如何通过对树脂基体和纤维增强体的改性提高强度和耐热性，是目前绿色复合材料研究的重要课题，用生物树脂基制备的复合材料大多易于回收再利用，或易于降解，有利于减少环境负荷。又如用高性能热塑性复合材料制备航空航天应用的高性能结构复合材料，目前正向主承力结构件应用发展，旨在解决热固性复合材料回收和降解困难的问题。

产品改进的第二个目标是通过新工艺新方法实现产品结构改变，如热固性预浸料一般是采用溶液法制备，这需要大量的有机溶剂，在预浸料制备和复合材料热压成型过程中，溶剂的挥发对环境和人体健康都有影响。新的工艺采用热熔法，一是将树脂融熔成流体，直接浸渍纤维；二是先将树脂制成薄膜，再与纤维均匀复合。热熔法制备预浸料快速简便，既提高了生产效率，又消除了溶剂使用造成的污染。当然生产过程要严格进行质量控制，使预浸料中的纤维分布均匀、浸渍充分，含量达到预期要求，与树脂良好地结合。

综上所述，LCA是一种以可持续发展理念为背景的新概念和新方法，它以资源、能源和环境的协调发展为目的，涉及现代社会生活的方方面面，不仅有技术层面的意义，也对决策、规划、管理以及提高全民素质、增强环保意识都有现实意义。在LCA应用多方位的发展中，面向绿色设计和制造的LCA得到了越来越多的关注和研究。

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