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1、2 0 1 0 年中国绿色制造新年论坛镁合金、塑料、铝合金与不锈钢手机外壳材料生命周期评价张铁军1，葛振亮1，肖培春2(1 烟台大学机电汽车工程学院山东烟台2 6 4 0 0 5；2 南京理工大学机械工程学院江苏南京2 1 0 0 9 4)攮要：镁合金具有较好的加工性能，较高的强度，重量轻，韧性好，屏蔽性好，特别是具有极强的可回收性能，越来越受人们的青睐在手机外壳材料上的应用得到了迅速发展，本文简述了手机的使用及环境污染状况，并应用简式L C A 矩阵法对镁合金、塑料、铝合金以及不锈钢四种材料进行初步分析和比较结果表明，镁合金在能耗，材料的性能，资源消耗、环境污染及材料的再生利用方面都明显优于
2、其它几种材料关键词：镁合金；塑料；铝合金；不锈钢；生命周期评价L i f eC y c l eA s s e s s m e n tS t u d yo fM a g n e s i u mA l l o y s，P l a s t i c、A l u m i n u mA l l o y sa n dS t a i n l e s sS t e e lo fM o b i l eP h o n eC r u s tZ H A N GT i e-j u n ,G EZ h e n 1 i a n g I,X I A OP e i-c h u n 2(1 S c h o o lo f M e c
3、 h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g A u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g Y a n t a iU n i v e r s i t y,S h a n d o n g,Y a n t a i2 6 4 0 0 5；2 S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,U a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y
4、,N a n j i n g2 1 0 0 9 4)A b s t r a c t：T h ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o y sa sm o b i l ep h o n es h e l lm a t e r i a l si sd e v e l o p e dr a p i d l yb e c a u 辩o ft h e i re a s ym a c h i n i n g，h i g hs U e n g t h,l i g h tw e i g h t，g o o dt o u g h，g o o de l e
5、 c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n de s p e c i a l l ye a s i l yr e c y c l e dp r o p 酬c s P e o p l ep u tm o r ea t t e n t i o no nt h ed e v e l o p m e n to fm a g n e s i u ma l l o y s T h eu f ea n dp o l l u t i o nt e n d e n c yo f m o b i l ep h
6、o n e s a sw e l la Sc o m p a r e da n da s s e s s e da m o n gp l a s t i c s、a l u m i n u m、s t a i n l e s ss t e e la n dm a g n e s i u ma l l o y sa sm o b i l ep h o n es h e l lm a t e r i a lt h r o u g hs i m p l el i f ec y c l em a t r i x 骶d i s c u s s e d T h er e s u l t ss h o wt
7、 h a tt h em a g n e s i u ma l l o y sa r es u p e r i o rt Ot h eo t h e rm a t e r i a l si nt h e i re n e r g y n s u m p t i o n,p e r f o r m a n c e，r e c y c l i n ga n de n v i r o n m e n t a lb u r d e n s K e yw o r d s：m a g n e s i u m,p l a s t i c，a l u m i n u m,s t a i n l e s ss
8、t e e l，l i f ec y c l ea s s e s s m e n t工业化的发展促进了人类生产力的巨大进步，取得了骄人的成就，然而相伴而生的全球性生态环境的迅速恶化严重威胁到2 1 世纪人类的生存与发展。反思人类过去的发展道路，人们的环保意识在不断的提高，绿色环保越来越成为人们关注的话题。绿色产品越来越受到人们的青睐，由此引发人们对绿色设计、绿色制造的深入研究。生命周期评价(L c A)是作为I S 0 1 4 0 0 0 系列标准中企业产品的评价体系标准的重要组成部分，是衡量企业产品是否为绿色产品的重要标志。本文结合L C A 法对手机外壳材料进行了生命周期评价，以期寻求获
9、得环保产品更好的生产方法和途径。6 82 0 1 0 年中日绿色制造新年论$1 手机的使用及其对环境的影响ll 手机的使用情况从1 9 8 7 年起我国的移动通信产业发生了翻天覆地的变化，手机产业的规模迅速扩大，我国己成为全球埽大的移动通信设蔷生产草地。0 8 年上半年我国的手机产量达到29 5 亿部比0 7 年同期增长了97，而0 8 年全球手机出货赶达到1 2 亿部，较2 0 0 7 年增加6。2 0 0 7 年，中国手机崩户的数母约为54 0 亿。据工业和信息化部(M I I T)公布的数据显示，截止2 0 0 8 年1 jH，中国手机用户已经逃剑68 8 3 4 亿“。iR e s e
10、 a r c h 艾瑞咨询称，截止2 0 0 9年第二季度r 巾国的手机用户为09 5 亿。圈1 说明了2 0 0 3 2 0 0 8 年每年平均新增手机用户数量及变化。图12 0 0 32 0 0 8 年每年平均新增手机用户数量及变化随着移动电话的迅速普及和移动通信技术的持续进步废旧手机成为国际上电子废弃物回收政策研究的课题“1。移动电话也正在成为我们身边一种新的污染源，I n f o m 的研究指出移动电话的平均持有时问不足1 8 十月，有资料显示5 0 的用户在一到两年内更换手机，而近2 0 的用户在不到一年内更换手机。由上面的介绍可知0 9 年我国手机用户近7 亿而现在的手机质量大体在
11、1 0 0 克，也就是说0 9 年我国的废旧手机将达到1d 亿部而由此产生的手机垃圾则有将近14 万吨。爱立信预测：到2 0 1 3 年全球手机用户将达到6 5 亿部，同样接2 0 的手机更换率则2 0 1 3 年一年废旧手机就有t 3 亿部，由此产生的手机垃圾更是多选1 3 万吨，而实际上产生的手机垃圾将更多。因此由手机所造成的污染已不容忽视，12 手机对环境的污染与回收手机污染主要是电池、外壳及电路板。本文以手机外壳为例主要讨论镁台金替代其他几种材料的资源问题、能源问题和环境负荷问题，在手机外壳材料的选择上塑料的应用很普遍。塑料由于其优异的性能在各行吾业都有着广泛的应用，但自上世纪7 0
12、年初，由于石油危机引起的能源短缺，人们开始戈洼资源和能源的1，约问题”。塑料问题也开始引起人们的普遍荧注，它荧系各行业的可持续发展。塑料问题主要包括：(1)城市固体废弃物消费后塑料的处理(2)塑末I 农膜对农田的污染问题【3)废塑料的再回收利用 4】泡沫塑料的发泡荆C F C 问题 5 l 塑料助剂中的重金属问题(6】原村料的毒性问题(7】原材料的枯竭问题等一系州f J 题。2 0 1 0 年中国绿色制造新年论坛镁合金、铝合金、不锈钢等金属材料相比于塑料，其回收利用方面还是做的比较好的。所以对环境的影响主要是考虑这三种材料生产过程的资源、能源消耗以及对环境污染物的排放等方面。手机回收利用方面，
13、少数著名的手机生产商和销售商已经开始展开活动。2 0 0 5 年1 2 月，中国移动联合摩托罗拉、诺基亚共同发起了手机“绿箱子环保计划”，开展回收旧手机及其配件活动。2 0 0 7 年1 0 月，京瓷、索尼等2 2 家日本主要的通信公司、手机及电池制造商自发成立了一个民间组织，将其命名为“锂电池自主回收促进会”，开展手机电池回收活动。2 0 0 8年5 月1 5 日，国美通讯启动了“回收旧手机绿色行动”，在全国1 2 0 0 多家门店开展以旧换新活动。以上这些活动说明了人们环保意识的提高以及对环境保护的重视。2 手机外壳材料的L C A 研究2 1 手机外壳材料及性能比较制作手机外壳的材料要求
14、具有强度高、耐热导热性良好、具电磁屏蔽性、尺寸稳定、外观好等特点，技术向轻量薄壁化方向发展，以期达到保护、散热、美观的作用。通常主要采用A B S、P P O、P C 工程塑料、合金与碳纤维或玻璃纤维的复合材料等，另外还有一些手机则采用金属材料：铝、镁、不锈钢等合金。表1 1 8-,0 1 给出了镁合金、塑料、铝合金以及不锈钢的物理性能参数。表1 各种材料物理性能比较材料名密度杨氏模导热系数抗拉强延伸比强减震系数(g c m a)量(W M k)度率度(G p a)(M P a)()镁合金A Z 9 l1 8 24 57 22 8 081 5 43 0 6 0A M 6 01 7 94 56
15、22 7 01 51 5 1铝合金2 7 07 11 0 03 1 531 1 72-5钢铁7 8 62 0 04 25 1 72 26 61 0-1 7塑料A B S1 0 32 1O 27 263 4P C1 2 36 70 21 0 438 5在3 5 M P a 载荷下振动能量的吸收率。表l 中的数据可以看出镁合金的优异性能，镁及其合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高等优点n。其密度为1 7 4 9 c m 3，仅为铝密度的2 3，钢密度的1 4：与铝合金、钢和塑料相比镁合金的比强度最高，如果用镁合金代替A B S 塑料，则材料重量可以最大减低3 6，厚度降低6
16、4；其耐冲击性能、阻尼吸震性能良好，抗震和降噪方面为铝合金的1 0 _ 1 5 倍：镁合金比铝合金、塑料具有更好的延伸率，且耐凹陷性能好，与其他金属相比抗变形能力大，由冲撞引起的凹陷小于其他金属：导热性良好，虽然镁合金的导热系数不及铝合金，但是比塑料高出数十倍，非常符合高散热要求的I T 产品；镁合金还具有良好的耐腐蚀性能，且电磁屏蔽能力强，防电磁波干扰，镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果好，使用镁合金可以省去电磁波屏蔽膜的电镀工序，从而减少了制造丁序，7 02 0 1 0 年中国绿色制造新年论坛节省了生产能耗。因此，使用镁合金来制造手机外壳其性能优势非常明显。2 2 不同材料生
17、产过程的能耗及污染状况手机外壳材料不同于汽车材料，它只在生产过程中耗能，在使用过程中不会因材料不同对能耗有影响。镁合金、塑料、铝合金以及不锈钢材料资源消耗、能源消耗及环境影响如表2 ,2-I s J 所示。表2 生产1 t 原材料的能耗与排放物分析材料能耗气体排放量k g废水排放固体废弃备注k w hC 如C O烟尘S 0 2量k g物排放量粉尘k g趾j s1 9 9 7 7 91 7 9 4 8 1 0 3 12 7 1 3 9 8 31 0 8 5 4 7由于数据16搜集较多，铝1 3 5 5 08 5 6 65 69 4 93 4 22 6 3 3 12 9 9 7为便于比钢1 5 7
18、 3 6 18 2 0 01 1 02 9 55 14 8 5 0较都化为镁1 5 1 0 01 3 4 0 02 0 37 6 66 0 0 0统一单位进行比较由于各国技术水平存在较大差异，如我国单位产值能耗为世界平均水平的2 3 倍，每创造1 美元G N P 的能耗是德国的4 9 7 倍，日本的4 4 3 倍，美国的2 1 倍，印度的1 6 5 倍，所以表中数据主要按照世界通用和成熟的技术水平，参考有关资料修正得来，限于数据采集困难，在原料的采掘过程中对森林资源、土地资源的破坏及再生过程的相关数据尚未包括在内。3 应用简式生命周期评价矩阵对手机外壳材料进行L C A 评价。3 1 简式生命
19、周期评价矩阵u 副简式生命周期评价矩阵是一种半定量的方法，其评价系统为5 X 8 二维矩阵，其中一维代表产品生命周期的5 个阶段：原料获取、产品生产、销售、使用和回收处置，另一维代表环境因素：资源消耗、能源消耗、有害物质、大气污染、水污染、土壤污染、固体废物污染与噪声污染。为便于评比，本文结合有关数据资料，根据每个元素对环境影响程度的不同划分5个等级(以数值0、l、2、3、4 表示)，数值越小表示污染越严重。对矩阵中每个元素取值，按每个元素所得数值求和作为评价指数。3 2 手机外壳材料的评价结果手机镁合金外壳的全生命周期过程包括：镁矿石的采掘，镁冶炼，镁合金加工成形，储运销售，使用及镁合金回收
20、。手机塑料外壳的生命周期过程包括：石油的开采与运输，石油的炼制和热裂解、聚合，塑料制品的加工、储运销售、使用及废塑料的最终处置。手机铝合金外壳的全生命周期过程包括：铝矿石的采掘，铝冶炼，铝合金加工成形，储运销售，使用及铝合金回收。对手机外壳材料的简式L C A 评价如表3 所示卜墉1。从镁合金、塑料、铝合金和不锈钢整个7 12 0 1 0 年中国绿色制造新年论坛生命周期来看，除同体废弃物污染及噪声污染外，其他几个因子，镁合金都优于塑料，并且镁合金比铝合金的能耗低，使得镁合金更具发展潜力。镁合金材料加工易于成型，又具备塑料外壳不具备的防电磁干扰功能。此外，镁合金导热快有利于增长手机的寿命，而且容
21、易实现废弃物的回收利用和环境保护。表3 手机外壳材料环境影响矩阵评分结果分布生命周期阶段资能源有害大气水污土壤固体废弃噪声污总计源消耗物质污染染污染物污染染消耗原料获取塑料313233432 2铝合金433444232 7不锈钢424433432 7镁合金444444332 9产品生产塑料232223432 1铝合金413323232 0不锈钢432324332 2镁合金323324332 3销售塑料334334332 6铝合金334444332 8不锈钢334444332 8镁合金334444332 8使用塑料444444443 2铝合金444444443 2不锈钢433344442 9镁合
22、金454544443 2回收处置塑料343323042 2铝合金443444342 8不锈钢333323142 2镁合金543333O42 8总计塑料1 41 51 71 41 41 71 51 71 2 3铝合金1 91 61 81 92 02 01 41 71 3 5不锈钢1 81 41 61 51 51 81 51 71 2 8镁合金1 91 81 81 91 92 01 21 71 4 04 结论应用简式生命周期评价(L C A)矩阵对镁合金、塑料、铝合金、不锈钢手机外壳材料进行初步评价和比较，结果表明：在材料的性能方面，与塑料相比，镁合金、铝合金具有高强度、导热性好、易加工成形和电磁
23、屏蔽等功能，可以使得3 C 产品(计算机、通信、消费类电子)2 0 1 0 年中国绿色制造新年论坛外壳材料满足当前社会的发展。在环境相容性方面，虽然镁合金、铝合金的能源消耗较高，但资源消耗、水污染、大气污染、土壤污染及材料的回收再利用等方面都优于塑料与不锈钢。与铝比较，我国镁资源的储量是相当丰富的，是世界上镁资源最丰富的国家。而铝矿的储量就逊色的多，而且需要进口，使得铝合金的应用受到了一定的限制。随着镁合金价格瓶颈的突破，可以断定未来镁合金的应用前景将会十分的广阔。参考文献 1 邓南圣，王小兵主编，生命周期评价，北京：化学工业出版社2 0 0 3 6 2 牟焕森，杨舰我国手机回收结构特征及其科
24、技政策内涵分析基于技术产品生命周期的视角科技进步与对策，2 0 0 9，2 6(7)：l O l 一1 0 5 3 手机中国，中国手机用户达6 3 亿超全欧洲移动用户h t t p：n e w s c n m o c o m 2 2 9 3 3 9 h t m l 4 中商情报网h t t p：m a s k ci c o m d a t a S h o w D a t a a s p?I D=5 4 0 9 6 5 M P P I(M o b i l eP h o n eP a r t n e r s h i pI n i t i a t i v e)G u i d a n c ed o c
25、 u m e n to nt h ee n v i r o n m e n t a l l ys o u n dm a n a g e m e n to fu s e da n de n d o f l i f em o b i l ep h o n e R t h ee i g h t hC o n f e r e n c eo ft h eP a r t i e st ot h eB a s e lC o n v e n ti o no nt h ec o n t r o lo fT r a n s b o u n d a r yM o v e m e n t so fH a z a r
26、d o u sW a s t e sa n dT h e i rD i s p o s a l，h e l di nN a i r o b i，2 7 N o v e m b e ru n t i lD e c e m b e r l，2 0 0 6 6 左铁镛等主编，循环型社会材料循环与环境影响评价一北京：科学出版社，2 0 0 8：3 6 7 何良菊，李培杰，王晓强塑料与镁合金移动电话外壳材料的生命周期评价 J 机械工程学报，2 0 0 3，(0 8)8 M i c h a e lMA v e d e v i a n。H u g hB a k e r A 跳S p e c i a l t
27、yH a n d b o o kM a g n e s i u ma n dM a g n e s i u mA l l o y s O h i o-A S MI n t e r n a ti o n a l，1 9 9 9 9 谭欣平，龙思远，李建华等镁合金在摩托车上的应用可行性研究材料热处理学报，2 0 0 1，2 2(增刊)：1 4 1 1 0 陈振华等主编镁合金一北京：化学工业出版社，2 0 0 4：4 4 8 1 1 陈振华变形镁合金一北京：化学工业出版，2 0 0 5 1 1 2 姜金龙，徐金城，寇昕莉等A B S 工程塑料的生命周期评价研究 J 郑州大学学报(理学版)2 0 0
28、6(0 2)1 3 陈伟强等铝的生命周期评价与铝工业的环境影响轻金属，2 0 0 9，(5)1 4 杨建新，刘炳江中国钢材生命周期清单分析，环境科学学报，2 0 0 2(7)1 5 高峰生命周期评价研究及其在中国镁工业中的应用【D 北京工业大学，2 0 0 8 1 6 张铁军，何敬志3 c 产品塑料与铝合金外壳材料的生命周期评价轻合金加工技术，2 0 0 8(1 0)1 7 I S 0 1 4 0 4 0：E n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t s 一1 i f ec y c l ea s s e s s m e n t P r i n c i
29、 p l e sa n df r a m e w o r k，1 9 9 7 1 8 日 山本良环境材料王天民译，徐金城等校一北京：化学工业出版社。1 9 9 7作者介绍：张铁军(1 9 6 5 一)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，副教授。通讯地址：山东省烟台市莱山区清泉路3 0 号烟台大学机电汽车工程学院邮编：2 6 4 0 0 5联系电话：1 3 8 6 4 5 7 9 8 0 0E m a il：z t j1 9 6 5 t s i n g h u a o r g c n镁合金、塑料、铝合金与不锈钢手机外壳材料生命周期评价镁合金、塑料、铝合金与不锈钢手机外壳材料生命周期评价作者：张铁军，葛振亮，肖培春作者单位：张铁军,葛振亮(烟台大学机电汽车工程学院山东烟台264005)，肖培春(南京理工大学机械工程学院江苏南京210094)本文链接：http:/