2.3　LCA在绿色复合材料中的应用

复合材料的LCA目前尚未得到广泛的研究和应用，目前大多数绿色复合材料的LCA主要聚焦于建筑结构的木塑复合材料以及用于汽车工业的植物纤维复合材料，当然也包括其他一些材料，如生物基聚合物等。基本的方法是将这类材料与其他传统材料相比较，如玻璃纤维复合材料、钢材和混凝土材料。

由于LCA涉及的内容繁多，所以本章仅选择某些特殊案例加以阐述。

2.3.1　木塑复合材料的LCA[6—8]

木塑复合材料（wood-plastic composites，WPC）是采用木纤维或植物纤维以各种不同的形态作为增强材料或填料，经过预处理后使之与热塑性树脂基体，如聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等复合而成的一种新型木质材料，通过挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺，可生产出不同尺寸和形状的板材或型材。木塑复合材料及其产品兼备木材与塑料的双重特性，木质感强，可根据需要制造出不同颜色和许多木材所没有的特性——机械性能高，质轻、防潮、耐酸碱、便于清洗、易于加工、价格低廉等，同时也克服了木质材料吸水率高、易形变开裂、易被虫蛀霉变的缺点。

木塑复合材料目前在主要应用在建筑领域，大量用作非结构性住宅装饰结构件，例如门窗装饰部件，走廊、屋顶、汽车装饰材料以及户外花园和公众场所的各种设施等。

作为一种新型的绿色材料，木塑复合材料在节能环保方面体现出两大优点：①原材料的提取能最大限度地提高资源利用率，木屑、竹屑、稻壳、麦秸、大豆皮、花生壳、甘蔗渣等农作物废弃料都可制备成木质纤维用作复合材料的增强体；②木质复合材料大多都可回收再用，减少环境的负荷。

Lal Mahalle等对两种木塑复合材料进行了生命周期评价，采用生态聚合物聚乳酸作基体材料，与木质纤维复合制备复合材料，一种是木质纤维与纯聚乳酸（polylactic acid，PLA）制备的复合材料，另一种是木质纤维与聚乳酸和热塑性淀粉料（thermoplastic starch，TPS）的混合料制备的复合材料，两者都采用挤压工艺成型。

评价按2006年ISO 14040和ISO 14044规定的方法进行，将两种木塑复合材料进行互相比较，再与聚丙烯基复合材料进行比较。目标与范围确定和清单分析根据美国环境保护署（US environmental protection agency）提出的环境影响评价方法，围绕全球气温变暖、同温层臭氧损耗、土壤和水资源酸化、雾霾、人类健康、生态毒性等选择了输入和输出数据。

研究表明，用纯聚乳酸制备的木塑复合材料，其环境影响因子要高于用淀粉料混合物制备的复合材料，主要原因是用纯聚乳酸作复合材料的基体材料，其用量要高于含有淀粉料混合物的聚乳酸用量，导致更多石化燃料的消耗；此外聚乳酸的长途运输也增加了影响因子，而淀粉料是当地提供的。因此，聚乳酸混合料的环境性能要优于纯聚乳酸，这就为这种木塑复合材料的环境性能改进提供了依据。最后，将这两种复合材料与聚丙烯基复合材料进行比较，所有的环境影响因子都低于聚丙烯基复合材料。因此用生态聚合物代替石化聚合物基体，具有很大的发展潜能，因为它能在产品“从摇篮到坟墓”的整个生命周期内有效地减少环境负荷。

近年来国内在这方面也有不少研究，如用LCA来评价木材加工和中密度纤维板生产使用的环境影响问题。

中密度纤维板（medium density fiberboard，MDF）简称中纤板，实际上是一种木质纤维复合材料，是以小径级原木、木材采伐、加工剩余物以及非木质的植物纤维为原料，与聚合物黏合剂，如脲醛树脂、酚醛树脂等混合，再经热压后制成的一种人造板材。由于具有较好的性价比，加工方便，自20世纪60年代以来，得到快速发展，被大量用于中高档家具、室内装修、音响壳体、乐器、车船内装修、建筑等行业。作为大规模生产和应用的材料，中密度纤维板原料的制取、制备、生产、使用和废弃过程，要消耗大量的资源、能源，同时也排放出大量的废气、废水和工业固体废弃物，造成环境污染。

中纤板的LCA是按照国标GB/T 14040—2007，分析我国中纤板工业产品生产过程中不同生命周期阶段的能源、资源消耗及对环境的影响，找出影响环境的主要因子，从而提供改进生产工艺、进行绿色清洁生产的机会与途径。

该研究的范围界定是按中纤板生产普遍采用的工艺流程进行划分，包括原材料的获取阶段、生产加工阶段、使用阶段和废料处理及回收再生处理阶段。

原材料获取阶段主要包括制造中纤板原料（木材）的获取、工艺用气的获取、辅助化工原料的获取；生产加工阶段包括木材的提取、干燥、分选、施胶、铺装、预压、热压、冷却、裁边、砂光等过程；再生处理阶段主要考虑使用后的中纤板及边角废料的回收和处理。

清单分析是对生产中纤板的能源、原材料消耗及废物排放量的鉴定及量化，评估产品生产过程或活动中对环境带来的负担（见图2-4）。

影响评价阶段包括原材料消耗分析、能源消耗分析、环境排放清单分析，如废水排放、废气排放、固体废弃物排放、噪声污染等。其中中纤板生产过程中的水环境污染负荷见表2-1。

通过中纤板的LCA对木质材料，包括人造纤维板材料发展政策的确定、研究的重点和方向的确立等工作都具有一定的现实意义。

2.3.2　天然纤维复合材料的LCA[9，10]

天然纤维是指从自然界的原料提取的纤维。目前性能较好，用得较多的是植物纤维，如木质纤维、竹纤维等，可用做增强体制造的复合材料，也被越来越多地用于汽车和船舶内装、建筑、家居等领域。天然纤维复合材料的LCA评价主要是与玻璃纤维复合材料作比较，通过LCA的评价，现在天然纤维复合材料作为一种“绿色”或“生态复合材料”被越来越多地认知和接受。

国内外关于天然纤维复合材料的LCA有过不少的研究和报道，图2-5所示是用玻璃纤维复合材料和非织物亚麻纤维复合材料制造的车库门面板的LCA对比结果。

如图2-5所示，在所列的9类环境影响中，包括氮化作用（NP）、臭氧层的破坏（ODP）、生物体的损害（ECA）、温室效应（GWP）、环境酸化（AP）、光化学氧化物生成（POCP），人类健康损害（HT）、不可再生的能源消耗（EDP）、固体废物（solidwaste）等。两种复合材料门板的环境影响指数几乎没有差别，但玻璃纤维门板的固体废弃物约为亚麻纤维的3倍。

如果仅从原材料来考虑，亚麻纤维的环境影响应比玻璃纤维低得多，但原材料的提取只是LCA清单分析的一个方面，如果将产品生产加工过程中的环境影响考虑进去，通过对两种复合材料门板的生产加工过程进行对比，上述结果就可以得到清楚的解释。研究发现，亚麻纤维复合材料门板在生产过程中有较多的工艺程序，如亚麻原料的采集、运输、纤维成丝和纤维毡的制备等，而更主要的原因是采用聚酯树脂作黏合剂，胶衣树脂作表面光洁剂，从而极大地增加了其对环境影响的程度。

该案例清楚地表明，LCA是一个全方位地评价产品或行为的环境影响的方法，如果仅从某一个方面来考虑，所得的结果很可能是不客观全面的，这也是目前LCA在继续研究发展的一个原因。

天然纤维复合材料在建筑领域得到广泛应用，在汽车和轨道交通中也体现出广阔的应用前景，天然纤维复合材料的LCA研究表明，相对于玻璃纤维复合材料，天然纤维生态复合材料在汽车和轨道交通的应用可以体现出15％～50％的可持续发展潜能，而这主要是由于它的轻质高强在节能减排方面具有巨大的社会效益和经济效益，而且大多生态复合材料易于回收和再利用，可大幅提高资源的利用效率。

2.3.3　复合材料与金属材料的比较[11]

用LCA评价复合材料与金属材料的环境影响是非常有效的方法，如图2-6所示为铝合金、不锈钢和玻纤/聚酯复合材料制造的电动滚梯扶栏型材的LCA评价结果，三种型材均取100m线性长度，评价从原材料和成型加工的能耗开始，经过清单分析，确定温室效应、酸雨效应、富营养化、臭氧层损耗、雾霾、水消耗、能耗等七种环境影响因子。

LCA结果表明，铝合金扶栏对环境的影响最大，不锈钢略低于铝合金，而玻纤/聚酯复合材料的平均影响不到前两者的1/3，这充分体现了纤维增强的树脂基复合材料在绿色环保方面的优势。