植物纤维纸蜂窝制备的环境影响评价

时间：2024-07-28

董少策，李承高，张旭锋，咸贵军*

（1.哈尔滨工业大学土木工程学院，结构工程灾变与控制教育部重点实验室，哈尔滨 150090；2.哈尔滨工业大学土木工程学院，土木工程智能防灾减灾工业和信息化部重点实验室，哈尔滨 150090；3.中航复材（北京）科技有限公司，北京 101300）

0 前言

复合材料蜂窝夹层结构将面板的高强、高模特性与蜂窝芯材的低密度、高刚性特征有机结合起来，在航空航天等领域得到广泛应用［1］。而芳纶纸蜂窝因其轻质高强、高模、阻燃性能好、低介电损耗以及耐高温等优势，已成为飞机用复合材料蜂窝夹层结构的首选芯材［2-3］。但制备芳纶纸蜂窝的原料（芳纶纤维等）来源于不可再生资源，不可降解，且价格昂贵。近年来，开发环保型植物纤维纸蜂窝芯材已取得了一定的进展［4-5］。据文献［5］报道，采用植物纤维和聚酯纤维部分取代芳纶纤维制备的植物纤维纸蜂窝的压缩强度和L向剪切强度有一定的下降，但其仍满足Q/6S 1015-2005的要求，并且其阻燃性能满足飞机内饰指标要求，可以认为植物纤维纸蜂窝具备应用于飞机内饰构件及次级结构的潜力。植物纤维具有绿色、可再生等特点［6］，可减小纸蜂窝制备对环境的影响，对于推动飞机制造业绿色可持续化发展具有积极意义。但关于植物纤维纸蜂窝制备降低环境影响的量化研究尚未见报道。本研究采用已在航空领域广泛应用［7-15］的生命周期评价方法，量化植物纤维纸蜂窝制备的环境影响，并与传统芳纶纸蜂窝制备的环境影响进行对比，突出植物纤维纸蜂窝的环境优势，分析了影响植物纤维纸蜂窝和芳纶纸蜂窝制备环境影响的主要因素，并进行数据敏感性分析，确保所得结论的正确性。从而为植物纤维纸蜂窝的大规模使用提供环境影响方面的量化评估。

1 研究方法

生命周期评价（life cycle assessment，LCA）指的是对一个产品/产品系统整个生命周期的输入、输出和可能的环境影响进行汇编与评价。ISO 14040［16］和ISO 14044［17］规定，一个完整的生命周期评价研究通常需要4步：目标和界限定义（goal and scope definition）、清单分析（life cycle inventory analysis，LCI）、影响评价（life cycle impact assessment，LCIA）和解释（interpretation）。本文基于“从摇篮到门（cradle to gate）”的生命周期评价方法，考虑原材料获取和蜂窝加工两阶段对环境的影响，利用莱顿大学环境科学中心（centre of environmental science，University of Leiden，荷兰）开发的CML评价方法［18］和11个环境影响指标，研究并比较了植物纤维纸蜂窝与传统芳纶纸蜂窝制备对环境的影响。本文在进行环境影响的建模和计算中，使用了sphera solutions GmbH公司（Leinfelden-Echterdingen，德国）开发的 GaBi软件［19］。GaBi软件包含“流（flow）”、“过程（process）”、和“计划（plan）”3个层次，操作者通常需要在计划层面中确定自己研究所需要的输入和输出物的数量，然后再倒推过程层面中需要确定的输入和输出流的数量，一直追溯到基础流为止。而GaBi数据库中丰富的“过程”和“计划”数据（类如电能、水等数据库），可大大减少数据收集工作强度。

1.1 目标和界限定义

本研究的主要目标是获得植物纤维纸蜂窝制备的环境影响，并与传统芳纶纸蜂窝制备的环境影响进行对比，并明确影响蜂窝芯材制备环境影响的主要因素。

在本LCA研究中，采用从“摇篮到门”的生命周期评价方法，主要关注原料生产以及蜂窝制造过程中消耗电能对环境的影响。芳纶纸蜂窝的制备过程包括生产芳纶纸、涂胶、叠合、热压处理、定型、浸胶、固化等步骤。而由于植物纤维混杂纸本征不阻燃，植物纤维纸蜂窝制备过程加入了浸阻燃剂的步骤，具体包括：生产植物纤维混杂纸、混杂纸表面涂抹芯条胶、叠合混杂纸、热压处理、定型、浸胶、浸阻燃剂、固化与片切［5］。其生产过程如图1所示。鉴于此，本研究的界限包括蜂窝组成原料生产过程和蜂窝加工过程。

图1 植物纤维纸蜂窝制备过程Fig.1 Manufacturing process of plant fiber honeycomb cores

功能元（functional unit）是产品功能的数量化定义，可以作为新产品/产品系统与原产品/产品系统环境影响对比研究的基础。在本文LCA研究中，功能元为1 kg的植物纤维纸蜂窝和1 kg的芳纶纸蜂窝。

1.2 清单分析

清单分析是指对LCA研究界限中所包含过程的输入和输出数据的收集与计算。芳纶纸蜂窝的组成原料包括芳纶纸（芳纶纤维为原料）、芯条胶（丁腈橡胶改性环氧树脂/乙酸乙酯混合物）、浸胶（酚醛树脂/乙醇混合物）、水、乙醇和乙酸乙酯，加工过程中消耗的能源为电能。植物纤维纸蜂窝的组成包括植物纤维混杂纸（植物纤维、聚酯纤维和芳纶纤维为原料）、芯条胶（丁腈橡胶改性环氧树脂/乙酸乙酯混合物）、浸胶（酚醛树脂/乙醇混合物）、水、乙醇、乙酸乙酯以及为提高阻燃性能添加的氮磷系阻燃剂，蜂窝加工过程中同样消耗电能。

各组分的具体用量来自于蜂窝加工厂的计算和反馈，由于商业保密原因，具体数值不能公布。但相较于芳纶纸蜂窝，植物纤维纸蜂窝中混杂纸［50%质量分数的芳纶纤维被植物纤维（25%）和聚酯纤维（25%）取代］、芯条胶、乙醇、乙酸乙酯和电能的用量保持一致，增加了63.75%的浸胶，以及一定数量的氮磷系阻燃剂。

生产芳纶纤维、水、乙醇以及电能的环境影响来自于GaBi软件数据库中相应的“过程”数据，电能使用的是混合电力结构，其结构参照2017年度中国电力平衡表中数据［20］。植物纤维的环境影响由文献［21］进行估算。丁腈橡胶改性环氧树脂环境影响基于文献［22］数据进行估算。由于缺乏其生产过程中的能耗数据，本文只考虑了丁腈橡胶和环氧树脂本身的环境影响。而由于植物纤维纸蜂窝和芳纶纸蜂窝中所用的丁腈橡胶改性环氧含量都较少（分别为1.50%和2.09%），该简化可以认为对最终结果影响不大，但为了证明结论的合理性，1.6部分仍进行了相应的敏感性分析。酚醛树脂、乙酸乙酯的环境影响分别根据文献［23］、和文献［24］-［25］的数据估算。考虑到GaBi数据库中数据的可获得性，本文中选择三聚氰胺聚磷酸盐（melamine polyphosphate，MPP）作为阻燃剂，其环境影响根据文献［26］数据估算。由于丁腈橡胶改性环氧树脂和乙酸乙酯的环境影响估算过程中都存在着一定的简化，因此本文在敏感性分析部分，通过改变这两种物质用量，确定其对植物纤维纸蜂窝和芳纶纸蜂窝总的环境影响贡献的大小。

1.3 影响评价

影响评价需要将LCI（清单分析，life cycle inventory analysis，LCI）阶段的污染物排放与LCIA阶段（影响评价，life cycle impact assessment，LCIA）选用的环境影响指标联系起来。为方便后续绘图，后文将采用缩写EICI代表环境影响类别指标（environmental impact category indicator）。具体的转化公式如下：

式中 Z——环境影响类别指标值

wi——第i种污染物的排放量

ni——污染物wi对应的环境影响类别指标转化特征因子

通过上述公式可将清单分析过程中得到的不同流程的污染物排放，转化为不同的环境影响类别指标值。GaBi软件中包含多种环境影响评价方法对应的指标转化特征因子，待完成在GaBi中的建模之后，可快速得到环境影响类别指标值。

本研究采用CML评价方法，由莱顿大学环境科学中心提出［18］，包含的环境影响类别指标如下：

非生物耗竭潜力（元素）［abiotic depletion potential（elements），ADPE］：评估自然资源中元素的可获得性，如矿物质或矿石，单位：kg Sb eq；

非生物耗竭潜力（化石能源）［abiotic depletion potential（fossil），ADPF］：描述化石能源的减少，如重油、天然气和煤等，单位：MJ；

酸化潜力（acidification potential，AP）：描述雨水或雾气PH值降低，单位：kg SO2eq；

富营养化潜力（eutrophication potential，EP）：描述过度营养物质供应对陆地和水体生态影响，单位：kg P eq；

淡水水生生态毒性潜力（freshwater aquatic ecotoxicity potential，FAEP）：描述向空气、水和土壤排放有毒物质对淡水生态系统的影响，单位：kg DCB eq；

全球变暖潜力（不包含生物碳）［global warming potential（exclude biogenic carbon），GWP］：描述大气中温室气体的热吸收，排除生物固碳，单位：kg CO2eq；

人体毒性潜力（human toxicity potential，HTP）：描述环境中排放有毒物质对人体可能造成的伤害，单位：kg DCB eq；

海洋水生生态毒性潜力（marine aquatic eco-toxicity potential，MAEP）：描述环境中排放有毒物质对海洋生态造成的破坏，单位：kg DCB eq；

臭氧层消耗潜力（ozone layer depletion potential，OLDP）：描述卤代烃所造成臭氧层破坏的程度，单位：kg R11 eq；

光化学臭氧形成潜力（photochemistry ozone creation potential，POCP）：描述挥发性有机物产生地面臭氧的相对能力，单位：kg Ethene eq；

陆地生态毒性潜力（terrestric eco-toxicity potential，TEP）：描述排放至环境中化学物对陆地生态系统造成的破坏，单位：kg DCB eq。

1.4 解释

解释指的是根据已经确定的目标及界限，对影响评价阶段的结果进行解释，明确影响被研究产品或者产品系统环境影响的主要因素，得到相应结论或提出减小环境影响的改进方法。

1.5 权重方法

权重方法在LCA中属于可选择的步骤，基于值选择。本文所用权重值来自于GaBi软件中内嵌的权重方法“Global，CML 2016，excl biogenic carbon（global equivalents weighted）”。此权重方法与1.3中的影响评价方法对应，均来源于CML模型。权重方法通过赋予不同的环境影响类别权重值，将所有的环境影响类别指标值转化为单一的值，方便进行不同产品系统之间环境影响的比较。虽然值选择在LCA中属于可选择步骤，但也被应用于LCA研究［27-28］，因为值选择结果可以得出更直观的结论。本文所采用的权重值如表1所示。

1.6 敏感性分析

敏感性分析是确定LCA研究结果如何被数据的不确定性、假设、分配方法和计算过程所影响的步骤。在本文中，通过增大丁腈橡胶改性环氧和乙酸乙酯的数量为原有数量的1.1倍，分析这两种物质对两种蜂窝芯材制备的整体环境影响的贡献大小。另外，本文也分析了芳纶纸用量改变对芳纶纸蜂窝制备环境影响的作用。

2 结果与讨论

2.1 植物纤维纸蜂窝与芳纶纸蜂窝制备环境影响比较

在GaBi中完成制备工艺的建模之后，通过GaBi中内嵌的平衡（balance）计算，可得到植物纤维纸蜂窝和芳纶纸蜂窝制备的环境影响类别指标值，具体数值如表2所示。图2则进行了两种蜂窝各个环境影响类别指标值的对比，由图2可见，植物纤维纸蜂窝在所有指标上均低于芳纶纸蜂窝，具体降低率见表2。其中，植物纤维纸蜂窝在OLDP指标上的降低率最大，而在POCP指标上，两种蜂窝的环境影响基本相同。

表2 芳纶纸及植物纤维纸蜂窝制备的环境影响类别指标值Tab 2 EICI values for manufacturing plant fiber honeycombs and aramid paper honeycomb cores

图2 两种蜂窝芯材制备环境影响类别指标值比较Fig.2 Comparison between EICI values for manufacturing two honeycomb cores

根据加工厂的反馈，植物纤维纸蜂窝相较于芳纶纸蜂窝而言，用掺杂了一定量植物纤维和聚酯纤维制备的植物纤维混杂纸取代了芳纶纸，增加了63.75%的浸胶和一定量的阻燃剂，其他条件基本保持不变。在输入物增加的前提下（浸胶和阻燃剂），植物纤维纸蜂窝仍然实现了各个环境影响指标值的降低，因此绿色植物纤维和聚酯纤维组合相较于传统芳纶纤维的环境影响更小，是实现上述结果的主要原因。

目前文献中关于航空用蜂窝芯材的环境影响研究较少，文献［15］在使用不同的环境友好材料减小飞机内面板环境影响的研究中，涉及到芳纶纸蜂窝的环境影响计算，但其将蜂窝芯材的环境影响简化为了芳纶纸的环境影响，并且未给出芳纶纸建模的具体过程。此研究中，生产0.41 kg的芳纶纸，贡献了约13.5 kg的CO2当量，即每千克芳纶纸会产生约32.93 kg的CO2当量，而在本研究中，每千克芳纶纸会产生约55.54 kg的CO2当量，两者处于同一数量级，而具体数量差异可能来源于文献中将芳纶蜂窝简化为芳纶纸，并且文献中采用了不同的影响评价方法（ReCiPe）。而且，由于LCA研究具备时空特定性（time-specific和location-specific），直接比较LCA结果的具体数值比较困难。根据文献［15］的计算，对飞机内壁板碳排放而言，20.50%质量的芳纶纸会产生约64%左右的碳排放，侧面说明了芳纶纸高环境影响的特性，也说明使用更环境友好的植物纤维和聚酯纤维取代传统芳纶纤维降低蜂窝芯材整体环境影响的科学性。

2.2 芳纶纸蜂窝环境影响贡献分析

同2.1部分的计算过程一样，表3显示了芳纶纸蜂窝不同原料以及加工中所消耗电能对应的11个环境影响类别指标值。而图3则是芳纶纸蜂窝原料生产和加工中消耗电能环境影响对于整个芳纶纸蜂窝制备环境影响的贡献。

表3 芳纶纸蜂窝各原料及加工中消耗电能的环境影响类别指标值Tab.3 EICI values of consumed electricity and components of aramid paper honeycomb cores

图3 芳纶纸蜂窝原料及加工过程中电能对其制备环境影响贡献Fig.3 Contribution of components and electricity consumed to the whole EICI values for manufacturing aramid paper honeycomb cores

从图3可以看出，芳纶纸是对所有11个指标贡献都最多的原料，其对所有指标的贡献都超过了68%，而对OLDP指标的贡献率超过了99%。其次，电能对芳纶纸蜂窝制备的环境影响贡献较大，其对上述11个指标的环境影响贡献比例依次为2.53%、14.44%、18.57%、19.09%、7.85%、18.86%、17.76%、19.79%、0.21%、15.68%和15.97%。而乙醇对FAEP和HTP的指标值贡献较大，其环境影响贡献比例分别为8.53%和6.09%，对其他指标的贡献都小于5%；芯条胶对TEP指标值贡献了5.91%，对其他指标的贡献都小于5%；而乙酸乙酯和浸胶对所有指标的贡献都小于5%。由于芳纶纸的高环境影响特性，使用更环保的植物纤维混杂纸替代芳纶纸是减小芳纶纸蜂窝环境影响的有效方式。

2.3 植物纤维纸蜂窝环境影响贡献分析

在进行了芳纶纸蜂窝原料生产和消耗电能（加工过程中）的环境影响贡献分析之后，本研究也计算了植物纤维纸蜂窝不同原料生产和电能（加工过程中）消耗的环境影响贡献。表4为植物纤维纸蜂窝各原料生产和消耗电能的环境影响类别指标值，而图4则为不同原料生产及电能消耗对植物纤维纸蜂窝环境影响的贡献。

表4 植物纤维纸蜂窝各原料及消耗电能的环境影响类别指标值Tab.4 EICI values of consumed electricity and components of plant fiber honeycomb cores

从图4可以看出，植物纤维混杂纸对植物纤维纸蜂窝制备的11个环境影响类别指标值的贡献都最大，其对所有的指标的贡献都超过了55%，对OLDP指标的贡献超过了99%。其次是电能对植物纤维纸蜂窝制备的环境影响贡献较大，其对上述11个指标的环境影响贡献值依次为4.27%、17.10%、21.15%、20.43%、10.13%、22.56%、19.28%、24.57%、0.42%、15.78%、20.29%。乙醇对ADPF、FAEP和HTP的环境影响贡献值分别为5.63%、11.07%和6.65%，对其他指标的贡献都小于5%。芯条胶对TEP指标值贡献了7.14%，对其他指标的贡献都小于5%；浸胶对ADPF和HTP两指标值分别贡献了5.54%和6.02%，对其他指标的贡献都小于5%；而乙酸乙酯对所有指标的贡献都小于5%。

图4 植物纤维纸蜂窝原料及加工过程中电能对其制备的环境影响贡献Fig.4 Contribution of components and electricity consumed to the whole environmental impacts of manufacturing plant fiber honeycomb cores

因为植物纤维混杂纸的阻燃性能不能满足要求，所以在植物纤维纸蜂窝的制备过程中，加入了浸阻燃剂的步骤。而阻燃剂对植物纤维纸蜂窝制备的环境影响贡献也较大（对4个指标值的贡献都超过了5%，并对ADPF指标值的贡献接近5%），其对上述11个指标的贡献分别为3.83%、4.74%、6.93%、9.11%、5.49%、3.66%、8.12%、2.04%、0.06%、4.25%、3.48%。

2.4 权重值结果比较

对上述提到的11个环境影响类别指标分别赋予表1对应的不同权重值之后，可以将植物纤维纸蜂窝和芳纶纸蜂窝制备的环境影响转化为一个单独的分值。根据计算，芳纶纸蜂窝的环境影响分值为2.77×104，而植物纤维纸蜂窝的环境影响分值为2.25×104，整体低于芳纶纸蜂窝18.77%。

为更直观地理解两种纸蜂窝的原料和消耗电能对各自制备的环境影响的贡献，基于表1的权重值，本文也计算了环境影响贡献的权重化结果。对芳纶纸蜂窝而言，电能、芯条胶、乙酸乙酯、浸胶、芳纶纸和乙醇对其制备的环境影响贡献率分别为18.74%、0.51%、0.75%、1.02%、77.26%和1.62%。而对植物纤维纸蜂窝而言，电能、芯条胶、乙酸乙酯、浸胶、阻燃剂、植物纤维混杂纸和乙醇对其的环境影响贡献率分别为23.07%、0.60%、0.93%、2.05%、2.63%、68.89%、2.00%。以上结果更直观地表明芳纶纸/植物纤维混杂纸以及电能消耗是芳纶纸蜂窝/植物纤维纸蜂窝制备环境影响产生的主要原因。

2.5 敏感性分析

由于对丁腈橡胶改性环氧和乙酸乙酯的建模过程进行了一定的简化，因此在敏感性分析部分，通过改变这两种物质的质量，分析其对两种蜂窝环境影响贡献的大小。

对传统芳纶纸蜂窝而言，在将丁腈橡胶改性环氧树脂和乙酸乙酯的质量增加为原有含量的1.1倍之后，上述的11个环境影响类别指标值按顺序分别增加0.31%、0.34%、0.13%、0.15%、0.43%、0.18%、0.44%、0.07%、0.001%、0.22%和0.62%。而对植物纤维纸蜂窝而言，当丁腈橡胶改性环氧树脂与乙酸乙酯的质量变为原来含量的1.1倍之后，上述的11个环境影响类别指标值按顺序分别增加0.49%、0.39%、0.15%、0.16%、0.55%、0.22%、0.47%、0.09%、0.003%、0.22%和0.75%。以上数值说明，丁腈橡胶改性环氧和乙酸乙酯对两种蜂窝环境影响贡献都较小，其简化不会对环境影响评价结果产生较大影响。

此外，本文也针对芳纶纸用量进行了敏感性分析。当芳纶纸用量增加为原来的1.1倍之后，其对上述的11个环境影响类别指标值按顺序分别增加9.23%、7.46%、7.71%、7.64%、7.44%、7.58%、6.84%、7.81%、9.98%、7.67%、7.66%。以上结果表明，芳纶纸用量的精准确定对芳纶纸蜂窝制备环境影响的评估具有重要影响。