木塑甲板制造的生命周期评估：基于中国的一个工业案例研究，探讨了如何减少环境影响

《Environmental Research》：Life cycle assessment of wood plastic decking manufacturing: Reduction of Environmental impacts based on an industrial case study in China.

本研究针对中国年产超2万吨木塑地板块企业，开展全生命周期评估，揭示原材料获取和生产工艺是主要环境负荷来源，太阳能替代可使全球变暖潜能降低38.9%，25%-100%回收率可减少富营养化等潜在风险达8%，但长距离海运增加臭氧层破坏等影响，提出优化回收策略和能源转型的建议。

　　气候变化促使全球范围内努力减少碳排放，给制造业在降低产品生态足迹方面带来了重大挑战。本研究聚焦于中国一家年产量超过20,000吨的木质复合塑料（WPC）地板生产设施，采用“从摇篮到坟墓”的全生命周期评估（LCA）方法，探讨了WPC地板在不同生产阶段对环境的影响。研究发现，原材料获取和关键制造过程——即原材料预混、造粒以及共挤出——是主要的环境影响来源。如果将传统能源（如中国的电网电力）替换为太阳能，全球变暖潜能（GWP）可以减少38.9%。尽管机械测试确认了回收木质复合塑料（WPCs）在部分原材料替代中的可行性，但其流变学性质限制了更广泛的再利用。尽管回收过程由于在研磨阶段的高能耗而显得能量密集，但其全球变暖潜能仍比焚烧低84.2%。敏感性分析显示，回收率从25%提升至100%可以显著降低海洋富营养化潜力、淡水生态毒性潜力、海洋生态毒性潜力以及人类非致癌毒性潜力，降幅最高可达8%。然而，远距离海上运输（最多20,000公里）则会增加臭氧层破坏和人类健康中臭氧形成潜力。此外，回收材料的替代率对环境影响有较大影响，而产品使用寿命对环境影响的影响则相对较小。本研究为木质复合塑料地板行业的利益相关者提供了可操作的见解，使他们能够在不大幅修改现有生产工艺的情况下，减少其对环境的影响。

木质复合塑料（WPCs）因其相对环保的生产过程、能够融入回收材料的能力以及耐用的最终用途而受到科学界和各行业的广泛关注。这些材料具有许多优势，例如低密度、成本效益、抗湿气、霉菌、昆虫和真菌的能力，以及比天然木材更强的耐用性。这些特性使WPCs成为建筑应用中传统木材的可行替代品，尤其是在户外地板方面。随着全球森林资源短缺和对建筑材料碳足迹的担忧增加，传统木材产品的需求也在不断增长，这凸显了WPCs作为可持续解决方案的潜力，能够减少森林砍伐并提高资源利用效率。然而，WPCs的广泛采用也带来了终端处理方面的重大挑战。由于其异质结构，将亲水性木材纤维与疏水性热塑性材料结合在一起，使得回收工作变得复杂，并且在再加工过程中常常导致材料降解、污染以及质量下降。因此，目前大多数废弃的WPCs被送往垃圾填埋场或焚烧处理，而不是进入闭环回收系统。这需要创新性的策略来减少环境影响并确保长期的可持续性。

尽管已有若干研究探讨了废弃WPCs的回收利用（Burgstaller和Renner，2023），但目前尚无专门针对废弃复合地板材料的商业化回收计划。因此，这些材料通常最终被填埋或用于能源回收（Zhao等，2022）。回收WPCs提供了显著的环境效益，包括减少废弃物、节约原材料以及延长碳储存。此外，废弃物回收和循环经济倡议在全球范围内日益受到重视。例如，欧盟设定了到2025年实现塑料废弃物回收率50%、到2030年实现55%的雄心目标（欧洲委员会，2018）。同样，美国环境保护署（EPA）在2021年发布了国家回收战略，以推动循环经济的发展（美国EPA，2021）。同年，中国国家发展和改革委员会发布了“十四五”循环经济发展规划，旨在到2025年实现建筑废弃物利用率达到60%（国家发展和改革委员会，2021）。这些举措表明，全球范围内对材料再利用和回收的重视程度正在不断提升。

尽管全球范围内对材料回收的重视程度不断上升，但关于废弃WPCs回收的研究仍然有限。Zhou等（2022）通过圆锥双螺杆挤出技术，回收了使用寿命结束的高密度聚乙烯（HDPE）基WPC窗型材，以生产超高填充木质纤维/聚乙烯复合材料。添加马来酸酐接枝聚乙烯作为相容剂，显著提高了废弃WPC引入复合材料的拉伸和弯曲性能以及蠕变抗性。为了缓解由于废弃木质复合地板组成变化而导致的质量波动，本研究团队与木质复合地板制造商共同开发了“以旧换新”的服务概念。该倡议旨在利用销售和分销网络进行废弃木质复合地板的回收，消费者可以通过参与回收活动获得新购买产品的折扣。通过建立专门的销售与回收渠道，可以系统地记录关键信息，包括材料类型、使用历史和环境暴露情况。这些信息有助于实现针对性的分类和优化回收工艺，确保原料的一致性。本研究中的地板具有共挤结构：功能性的外层增强了耐用性和美观性，而核心层则提供了机械强度。目前，核心层主要由回收材料构成，这促使制造商在扩大回收废WPCs的应用方面表现出浓厚兴趣，以替代原始原料。然而，关键挑战依然存在，包括（1）由于材料降解和污染，回收WPCs的加工性能存在显著的变异性，以及（2）需要量化这种闭环系统的环境效益，以验证其可持续性声明。

本研究中，回收的废木质复合塑料地板被与原始核心层WPC材料按不同比例混合，以生产复合配方。这些复合材料的弯曲性能、流变行为和形态特征也被系统分析，以评估回收材料替代的可行性。通过这些分析，研究提供了关于材料加工性能（例如流变学变化带来的能量需求）和性能匹配度（例如机械强度和微观结构完整性）与原始材料的实证证据。随后，使用工业生产数据进行“从摇篮到坟墓”的全生命周期评估（LCA），以量化当前WPC地板生命周期的环境影响。研究范围进一步扩展，以评估三种废弃物管理情景——回收、填埋和焚烧，以及评估替代能源来源，以减少碳排放和其他环境负担。通过将材料性能数据与LCA结果相结合，例如利用流变学数据优化回收情景中的能耗估算，以及利用机械和形态学研究结果验证产品耐用性和替换率的假设，本研究旨在为制造商提供可行的见解，以通过优化回收策略和能源转型，减少WPC地板的环境足迹。

在本研究中，回收的聚乙烯基WPC废料（简称RP）来源于户外暴露2至7年后的共挤WPC地板（图1a），其密度为1.26 g/cm3。原始核心层WPC材料（简称WP）如图1b所示，其密度为1.33 g/cm3。这两种材料均由宁波恒龙新材料有限公司提供，该公司位于中国浙江省。原材料的组成是根据供应商提供的数据确定的，详细信息见表1。

WPC复合材料的弯曲性能如图4所示。研究发现，RP含量的增加显著提升了木质复合塑料地板的弯曲模量和弯曲强度。具体而言，RP100的弯曲模量和弯曲强度分别比WP100高出23.1%和53.6%。RP与WP的主要区别在于其组成：RP包含木质复合塑料（WPCs）的外层和核心层材料，而WP仅由核心层材料构成。这一差异使得RP在物理和化学特性上与WP有所不同，从而影响了其在复合材料中的表现。

本研究的局限性在于其基于中国一家工业规模设施的具体操作数据，该设施年产量超过20,000吨WPC地板，收集的数据来自2023年的生产过程。虽然这为特定案例的LCA提供了坚实的基础，但仍然存在一些限制。首先，回收聚乙烯（PE）的生命周期影响数据（LCI）是研究的一个主要限制因素。回收塑料的供应链本质上是复杂的，其来源多样，这使得获取准确的LCI数据变得困难。此外，由于本研究主要关注WPC地板的回收和再利用，因此可能未能全面考虑其他相关材料和过程的环境影响。最后，本研究的结果可能受到特定生产条件和回收技术的限制，因此在其他地区或不同生产设施中的适用性可能需要进一步验证。

本研究的结论和建议指出，通过实施优化的回收策略和能源转型，可以有效减少WPC地板的环境足迹。具体而言，研究发现，回收材料的替代率对环境影响具有显著影响，而产品使用寿命的影响则相对较小。这表明，提高回收率是减少环境负担的关键。同时，研究还强调了替代能源在降低碳排放方面的潜力，特别是在将传统能源替换为太阳能的情况下，可以显著减少全球变暖潜能。此外，本研究提出的“以旧换新”服务概念，不仅有助于提高回收率，还能通过经济激励促进消费者的参与，从而推动循环经济的发展。未来的研究可以进一步探讨不同回收技术对材料性能和环境影响的具体影响，以及如何在不同地区和生产设施中推广这些策略。同时，加强供应链管理，提高回收材料的质量和一致性，也是实现可持续发展的关键方向。