植物纖維紙蜂窩制備的環境影響評價

董少策，李承高，張旭鋒 ，咸貴軍*

（1.哈爾濱工業大學土木工程學院，結構工程災變與控制教育部重點實驗室，哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業大學土木工程學院，土木工程智能防災減災工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150090；3.中航復材（北京）科技有限公司，北京 101300）

0 前言

復合材料蜂窩夾層結構將面板的高強、高模特性與蜂窩芯材的低密度、高剛性特征有機結合起來，在航空航天等領域得到廣泛應用［1］。而芳綸紙蜂窩因其輕質高強、高模、阻燃性能好、低介電損耗以及耐高溫等優勢，已成為飛機用復合材料蜂窩夾層結構的首選芯材［2-3］。但制備芳綸紙蜂窩的原料（芳綸纖維等）來源于不可再生資源，不可降解，且價格昂貴。近年來，開發環保型植物纖維紙蜂窩芯材已取得了一定的進展［4-5］。據文獻［5］報道，采用植物纖維和聚酯纖維部分取代芳綸纖維制備的植物纖維紙蜂窩的壓縮強度和L向剪切強度有一定的下降，但其仍滿足Q/6S 1015-2005的要求，并且其阻燃性能滿足飛機內飾指標要求，可以認為植物纖維紙蜂窩具備應用于飛機內飾構件及次級結構的潛力。植物纖維具有綠色、可再生等特點［6］，可減小紙蜂窩制備對環境的影響，對于推動飛機制造業綠色可持續化發展具有積極意義。但關于植物纖維紙蜂窩制備降低環境影響的量化研究尚未見報道。本研究采用已在航空領域廣泛應用［7-15］的生命周期評價方法，量化植物纖維紙蜂窩制備的環境影響，并與傳統芳綸紙蜂窩制備的環境影響進行對比，突出植物纖維紙蜂窩的環境優勢，分析了影響植物纖維紙蜂窩和芳綸紙蜂窩制備環境影響的主要因素，并進行數據敏感性分析，確保所得結論的正確性。從而為植物纖維紙蜂窩的大規模使用提供環境影響方面的量化評估。

1 研究方法

生命周期評價（life cycle assessment，LCA）指的是對一個產品/產品系統整個生命周期的輸入、輸出和可能的環境影響進行匯編與評價。ISO 14040［16］和ISO 14044［17］規定，一個完整的生命周期評價研究通常需要4步：目標和界限定義（goal and scope definition）、清單分析（life cycle inventory analysis，LCI）、影響評價（life cycle impact assessment，LCIA）和解釋（interpretation）。本文基于“從搖籃到門（cradle to gate）”的生命周期評價方法，考慮原材料獲取和蜂窩加工兩階段對環境的影響，利用萊頓大學環境科學中心（centre of environmental science，University of Leiden，荷蘭）開發的CML評價方法［18］和11個環境影響指標，研究并比較了植物纖維紙蜂窩與傳統芳綸紙蜂窩制備對環境的影響。本文在進行環境影響的建模和計算中，使用了sphera solutions GmbH公司（Leinfelden-Echterdingen，德國）開發的 GaBi軟件［19］。GaBi軟件包含“流（flow）”、“過程（process）”、和“計劃（plan）”3個層次，操作者通常需要在計劃層面中確定自己研究所需要的輸入和輸出物的數量，然后再倒推過程層面中需要確定的輸入和輸出流的數量，一直追溯到基礎流為止。而GaBi數據庫中豐富的“過程”和“計劃”數據（類如電能、水等數據庫），可大大減少數據收集工作強度。

1.1 目標和界限定義

本研究的主要目標是獲得植物纖維紙蜂窩制備的環境影響，并與傳統芳綸紙蜂窩制備的環境影響進行對比，并明確影響蜂窩芯材制備環境影響的主要因素。

在本LCA研究中，采用從“搖籃到門”的生命周期評價方法，主要關注原料生產以及蜂窩制造過程中消耗電能對環境的影響。芳綸紙蜂窩的制備過程包括生產芳綸紙、涂膠、疊合、熱壓處理、定型、浸膠、固化等步驟。而由于植物纖維混雜紙本征不阻燃，植物纖維紙蜂窩制備過程加入了浸阻燃劑的步驟，具體包括：生產植物纖維混雜紙、混雜紙表面涂抹芯條膠、疊合混雜紙、熱壓處理、定型、浸膠、浸阻燃劑、固化與片切［5］。其生產過程如圖1所示。鑒于此，本研究的界限包括蜂窩組成原料生產過程和蜂窩加工過程。

圖1 植物纖維紙蜂窩制備過程Fig.1 Manufacturing process of plant fiber honeycomb cores

功能元（functional unit）是產品功能的數量化定義，可以作為新產品/產品系統與原產品/產品系統環境影響對比研究的基礎。在本文LCA研究中，功能元為1 kg的植物纖維紙蜂窩和1 kg的芳綸紙蜂窩。

1.2 清單分析

清單分析是指對LCA研究界限中所包含過程的輸入和輸出數據的收集與計算。芳綸紙蜂窩的組成原料包括芳綸紙（芳綸纖維為原料）、芯條膠（丁腈橡膠改性環氧樹脂/乙酸乙酯混合物）、浸膠（酚醛樹脂/乙醇混合物）、水、乙醇和乙酸乙酯，加工過程中消耗的能源為電能。植物纖維紙蜂窩的組成包括植物纖維混雜紙（植物纖維、聚酯纖維和芳綸纖維為原料）、芯條膠（丁腈橡膠改性環氧樹脂/乙酸乙酯混合物）、浸膠（酚醛樹脂/乙醇混合物）、水、乙醇、乙酸乙酯以及為提高阻燃性能添加的氮磷系阻燃劑，蜂窩加工過程中同樣消耗電能。

各組分的具體用量來自于蜂窩加工廠的計算和反饋，由于商業保密原因，具體數值不能公布。但相較于芳綸紙蜂窩，植物纖維紙蜂窩中混雜紙［50%質量分數的芳綸纖維被植物纖維（25%）和聚酯纖維（25%）取代］、芯條膠、乙醇、乙酸乙酯和電能的用量保持一致，增加了63.75%的浸膠，以及一定數量的氮磷系阻燃劑。

生產芳綸纖維、水、乙醇以及電能的環境影響來自于GaBi軟件數據庫中相應的“過程”數據，電能使用的是混合電力結構，其結構參照2017年度中國電力平衡表中數據［20］。植物纖維的環境影響由文獻［21］進行估算。丁腈橡膠改性環氧樹脂環境影響基于文獻［22］數據進行估算。由于缺乏其生產過程中的能耗數據，本文只考慮了丁腈橡膠和環氧樹脂本身的環境影響。而由于植物纖維紙蜂窩和芳綸紙蜂窩中所用的丁腈橡膠改性環氧含量都較少（分別為1.50%和2.09%），該簡化可以認為對最終結果影響不大，但為了證明結論的合理性，1.6部分仍進行了相應的敏感性分析。酚醛樹脂、乙酸乙酯的環境影響分別根據文獻［23］、和文獻［24］-［25］的數據估算。考慮到GaBi數據庫中數據的可獲得性，本文中選擇三聚氰胺聚磷酸鹽（melamine polyphosphate，MPP）作為阻燃劑，其環境影響根據文獻［26］數據估算。由于丁腈橡膠改性環氧樹脂和乙酸乙酯的環境影響估算過程中都存在著一定的簡化，因此本文在敏感性分析部分，通過改變這兩種物質用量，確定其對植物纖維紙蜂窩和芳綸紙蜂窩總的環境影響貢獻的大小。

1.3 影響評價

影響評價需要將LCI（清單分析，life cycle inventory analysis，LCI）階段的污染物排放與LCIA階段（影響評價，life cycle impact assessment，LCIA）選用的環境影響指標聯系起來。為方便后續繪圖，后文將采用縮寫EICI代表環境影響類別指標（environmental impact category indicator）。具體的轉化公式如下：

式中 Z——環境影響類別指標值

wi——第i種污染物的排放量

ni——污染物wi對應的環境影響類別指標轉化特征因子

通過上述公式可將清單分析過程中得到的不同流程的污染物排放，轉化為不同的環境影響類別指標值。GaBi軟件中包含多種環境影響評價方法對應的指標轉化特征因子，待完成在GaBi中的建模之后，可快速得到環境影響類別指標值。

本研究采用CML評價方法，由萊頓大學環境科學中心提出［18］，包含的環境影響類別指標如下：

非生物耗竭潛力（元素）［abiotic depletion potential（elements），ADPE］：評估自然資源中元素的可獲得性，如礦物質或礦石，單位：kg Sb eq；

非生物耗竭潛力（化石能源）［abiotic depletion potential（fossil），ADPF］：描述化石能源的減少，如重油、天然氣和煤等，單位：MJ；

酸化潛力（acidification potential，AP）：描述雨水或霧氣PH值降低，單位：kg SO2eq；

富營養化潛力（eutrophication potential，EP）：描述過度營養物質供應對陸地和水體生態影響，單位：kg P eq；

淡水水生生態毒性潛力（freshwater aquatic ecotoxicity potential，FAEP）：描述向空氣、水和土壤排放有毒物質對淡水生態系統的影響，單位：kg DCB eq；

全球變暖潛力（不包含生物碳）［global warming potential（exclude biogenic carbon），GWP］：描述大氣中溫室氣體的熱吸收，排除生物固碳，單位：kg CO2eq；

人體毒性潛力（human toxicity potential，HTP）：描述環境中排放有毒物質對人體可能造成的傷害，單位：kg DCB eq；

海洋水生生態毒性潛力（marine aquatic eco-toxicity potential，MAEP）：描述環境中排放有毒物質對海洋生態造成的破壞，單位：kg DCB eq；

臭氧層消耗潛力（ozone layer depletion potential，OLDP）：描述鹵代烴所造成臭氧層破壞的程度，單位：kg R11 eq；

光化學臭氧形成潛力（photochemistry ozone creation potential，POCP）：描述揮發性有機物產生地面臭氧的相對能力，單位：kg Ethene eq；

陸地生態毒性潛力（terrestric eco-toxicity potential，TEP）：描述排放至環境中化學物對陸地生態系統造成的破壞，單位：kg DCB eq。

1.4 解釋

解釋指的是根據已經確定的目標及界限，對影響評價階段的結果進行解釋，明確影響被研究產品或者產品系統環境影響的主要因素，得到相應結論或提出減小環境影響的改進方法。

1.5 權重方法

權重方法在LCA中屬于可選擇的步驟，基于值選擇。本文所用權重值來自于GaBi軟件中內嵌的權重方法“Global，CML 2016，excl biogenic carbon（global equivalents weighted）”。此權重方法與1.3中的影響評價方法對應，均來源于CML模型。權重方法通過賦予不同的環境影響類別權重值，將所有的環境影響類別指標值轉化為單一的值，方便進行不同產品系統之間環境影響的比較。雖然值選擇在LCA中屬于可選擇步驟，但也被應用于LCA研究［27-28］，因為值選擇結果可以得出更直觀的結論。本文所采用的權重值如表1所示。

1.6 敏感性分析

敏感性分析是確定LCA研究結果如何被數據的不確定性、假設、分配方法和計算過程所影響的步驟。在本文中，通過增大丁腈橡膠改性環氧和乙酸乙酯的數量為原有數量的1.1倍，分析這兩種物質對兩種蜂窩芯材制備的整體環境影響的貢獻大小。另外，本文也分析了芳綸紙用量改變對芳綸紙蜂窩制備環境影響的作用。

2 結果與討論

2.1 植物纖維紙蜂窩與芳綸紙蜂窩制備環境影響比較

在GaBi中完成制備工藝的建模之后，通過GaBi中內嵌的平衡（balance）計算，可得到植物纖維紙蜂窩和芳綸紙蜂窩制備的環境影響類別指標值，具體數值如表2所示。圖2則進行了兩種蜂窩各個環境影響類別指標值的對比，由圖2可見，植物纖維紙蜂窩在所有指標上均低于芳綸紙蜂窩，具體降低率見表2。其中，植物纖維紙蜂窩在OLDP指標上的降低率最大，而在POCP指標上，兩種蜂窩的環境影響基本相同。

表2 芳綸紙及植物纖維紙蜂窩制備的環境影響類別指標值Tab 2 EICI values for manufacturing plant fiber honeycombs and aramid paper honeycomb cores

圖2 兩種蜂窩芯材制備環境影響類別指標值比較Fig.2 Comparison between EICI values for manufacturing two honeycomb cores

根據加工廠的反饋，植物纖維紙蜂窩相較于芳綸紙蜂窩而言，用摻雜了一定量植物纖維和聚酯纖維制備的植物纖維混雜紙取代了芳綸紙，增加了63.75%的浸膠和一定量的阻燃劑，其他條件基本保持不變。在輸入物增加的前提下（浸膠和阻燃劑），植物纖維紙蜂窩仍然實現了各個環境影響指標值的降低，因此綠色植物纖維和聚酯纖維組合相較于傳統芳綸纖維的環境影響更小，是實現上述結果的主要原因。

目前文獻中關于航空用蜂窩芯材的環境影響研究較少，文獻［15］在使用不同的環境友好材料減小飛機內面板環境影響的研究中，涉及到芳綸紙蜂窩的環境影響計算，但其將蜂窩芯材的環境影響簡化為了芳綸紙的環境影響，并且未給出芳綸紙建模的具體過程。此研究中，生產0.41 kg的芳綸紙，貢獻了約13.5 kg的CO2當量，即每千克芳綸紙會產生約32.93 kg的CO2當量，而在本研究中，每千克芳綸紙會產生約55.54 kg的CO2當量，兩者處于同一數量級，而具體數量差異可能來源于文獻中將芳綸蜂窩簡化為芳綸紙，并且文獻中采用了不同的影響評價方法（ReCiPe）。而且，由于LCA研究具備時空特定性（time-specific和location-specific），直接比較LCA結果的具體數值比較困難。根據文獻［15］的計算，對飛機內壁板碳排放而言，20.50%質量的芳綸紙會產生約64%左右的碳排放，側面說明了芳綸紙高環境影響的特性，也說明使用更環境友好的植物纖維和聚酯纖維取代傳統芳綸纖維降低蜂窩芯材整體環境影響的科學性。

2.2 芳綸紙蜂窩環境影響貢獻分析

同2.1部分的計算過程一樣，表3顯示了芳綸紙蜂窩不同原料以及加工中所消耗電能對應的11個環境影響類別指標值。而圖3則是芳綸紙蜂窩原料生產和加工中消耗電能環境影響對于整個芳綸紙蜂窩制備環境影響的貢獻。

表3 芳綸紙蜂窩各原料及加工中消耗電能的環境影響類別指標值Tab.3 EICI values of consumed electricity and components of aramid paper honeycomb cores

圖3 芳綸紙蜂窩原料及加工過程中電能對其制備環境影響貢獻Fig.3 Contribution of components and electricity consumed to the whole EICI values for manufacturing aramid paper honeycomb cores

從圖3可以看出，芳綸紙是對所有11個指標貢獻都最多的原料，其對所有指標的貢獻都超過了68%，而對OLDP指標的貢獻率超過了99%。其次，電能對芳綸紙蜂窩制備的環境影響貢獻較大，其對上述11個指標的環境影響貢獻比例依次為2.53%、14.44%、18.57%、19.09%、7.85%、18.86%、17.76%、19.79%、0.21%、15.68%和15.97%。而乙醇對FAEP和HTP的指標值貢獻較大，其環境影響貢獻比例分別為8.53%和6.09%，對其他指標的貢獻都小于5%；芯條膠對TEP指標值貢獻了5.91%，對其他指標的貢獻都小于5%；而乙酸乙酯和浸膠對所有指標的貢獻都小于5%。由于芳綸紙的高環境影響特性，使用更環保的植物纖維混雜紙替代芳綸紙是減小芳綸紙蜂窩環境影響的有效方式。

2.3 植物纖維紙蜂窩環境影響貢獻分析

在進行了芳綸紙蜂窩原料生產和消耗電能（加工過程中）的環境影響貢獻分析之后，本研究也計算了植物纖維紙蜂窩不同原料生產和電能（加工過程中）消耗的環境影響貢獻。表4為植物纖維紙蜂窩各原料生產和消耗電能的環境影響類別指標值，而圖4則為不同原料生產及電能消耗對植物纖維紙蜂窩環境影響的貢獻。

表4 植物纖維紙蜂窩各原料及消耗電能的環境影響類別指標值Tab.4 EICI values of consumed electricity and components of plant fiber honeycomb cores

從圖4可以看出，植物纖維混雜紙對植物纖維紙蜂窩制備的11個環境影響類別指標值的貢獻都最大，其對所有的指標的貢獻都超過了55%，對OLDP指標的貢獻超過了99%。其次是電能對植物纖維紙蜂窩制備的環境影響貢獻較大，其對上述11個指標的環境影響貢獻值依次為4.27%、17.10%、21.15%、20.43%、10.13%、22.56%、19.28%、24.57%、0.42%、15.78%、20.29%。乙醇對ADPF、FAEP和HTP的環境影響貢獻值分別為5.63%、11.07%和6.65%，對其他指標的貢獻都小于5%。芯條膠對TEP指標值貢獻了7.14%，對其他指標的貢獻都小于5%；浸膠對ADPF和HTP兩指標值分別貢獻了5.54%和6.02%，對其他指標的貢獻都小于5%；而乙酸乙酯對所有指標的貢獻都小于5%。

圖4 植物纖維紙蜂窩原料及加工過程中電能對其制備的環境影響貢獻Fig.4 Contribution of components and electricity consumed to the whole environmental impacts of manufacturing plant fiber honeycomb cores

因為植物纖維混雜紙的阻燃性能不能滿足要求，所以在植物纖維紙蜂窩的制備過程中，加入了浸阻燃劑的步驟。而阻燃劑對植物纖維紙蜂窩制備的環境影響貢獻也較大（對4個指標值的貢獻都超過了5%，并對ADPF指標值的貢獻接近5%），其對上述11個指標的貢獻分別為3.83%、4.74%、6.93%、9.11%、5.49%、3.66%、8.12%、2.04%、0.06%、4.25%、3.48%。

2.4 權重值結果比較

對上述提到的11個環境影響類別指標分別賦予表1對應的不同權重值之后，可以將植物纖維紙蜂窩和芳綸紙蜂窩制備的環境影響轉化為一個單獨的分值。根據計算，芳綸紙蜂窩的環境影響分值為2.77×104，而植物纖維紙蜂窩的環境影響分值為2.25×104，整體低于芳綸紙蜂窩18.77%。

為更直觀地理解兩種紙蜂窩的原料和消耗電能對各自制備的環境影響的貢獻，基于表1的權重值，本文也計算了環境影響貢獻的權重化結果。對芳綸紙蜂窩而言，電能、芯條膠、乙酸乙酯、浸膠、芳綸紙和乙醇對其制備的環境影響貢獻率分別為18.74%、0.51%、0.75%、1.02%、77.26%和1.62%。而對植物纖維紙蜂窩而言，電能、芯條膠、乙酸乙酯、浸膠、阻燃劑、植物纖維混雜紙和乙醇對其的環境影響貢獻率分別為23.07%、0.60%、0.93%、2.05%、2.63%、68.89%、2.00%。以上結果更直觀地表明芳綸紙/植物纖維混雜紙以及電能消耗是芳綸紙蜂窩/植物纖維紙蜂窩制備環境影響產生的主要原因。

2.5 敏感性分析

由于對丁腈橡膠改性環氧和乙酸乙酯的建模過程進行了一定的簡化，因此在敏感性分析部分，通過改變這兩種物質的質量，分析其對兩種蜂窩環境影響貢獻的大小。

對傳統芳綸紙蜂窩而言，在將丁腈橡膠改性環氧樹脂和乙酸乙酯的質量增加為原有含量的1.1倍之后，上述的11個環境影響類別指標值按順序分別增加0.31%、0.34%、0.13%、0.15%、0.43%、0.18%、0.44%、0.07%、0.001%、0.22%和0.62%。而對植物纖維紙蜂窩而言，當丁腈橡膠改性環氧樹脂與乙酸乙酯的質量變為原來含量的1.1倍之后，上述的11個環境影響類別指標值按順序分別增加0.49%、0.39%、0.15%、0.16%、0.55%、0.22%、0.47%、0.09%、0.003%、0.22%和0.75%。以上數值說明，丁腈橡膠改性環氧和乙酸乙酯對兩種蜂窩環境影響貢獻都較小，其簡化不會對環境影響評價結果產生較大影響。

此外，本文也針對芳綸紙用量進行了敏感性分析。當芳綸紙用量增加為原來的1.1倍之后，其對上述的11個環境影響類別指標值按順序分別增加9.23%、7.46%、7.71%、7.64%、7.44%、7.58%、6.84%、7.81%、9.98%、7.67%、7.66%。以上結果表明，芳綸紙用量的精準確定對芳綸紙蜂窩制備環境影響的評估具有重要影響。

3 結論

（1）植物纖維和聚酯纖維組合部分取代芳綸纖維制備植物纖維紙蜂窩，可以顯著降低蜂窩制備對環境影響，11個環境影響類別指標降低率在0.68%～49.41%之間，整體環境影響降低18.77%；

（2）芳綸紙蜂窩制備對環境的影響主要來自于芳綸紙原料與制備過程（電能）；

（3）植物纖維紙蜂窩制備對環境的影響主要來自于植物纖維混雜紙的制備過程，而電能和阻燃劑對其制備的環境影響也貢獻較大。