新材料是指那些在某種程度上對工業(yè)系統(tǒng)而言是全新的材料。如納米材料、石墨烯和稀土元素等。對于新材料而言，重要的不是這些材料的存在，而是它們是否可以實現(xiàn)工業(yè)領域的規(guī)模應用。而循環(huán)經(jīng)濟則是指盡可能長時間地維持材料的最高使用價值。為此，產(chǎn)品在設計的時候必須確保其耐用性、易修復性和可回收性。
     目前工業(yè)用材料的類型越來越復雜，這不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品品種上，也體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)規(guī)模及如何結合使用方面。許多新材料的開發(fā)改善了環(huán)境，如輕質材料可提高燃料運輸效率，但隨著材料復雜性的增加，則很難從廢棄產(chǎn)品中恢復其價值。而且新材料的回收還需要新的廢物管理基礎設施。如果在開發(fā)新材料的早期階段就考慮到這些因素，則有望避免潛在的問題。
一、建立新材料循環(huán)經(jīng)濟的必要性
     產(chǎn)品使用的全生命周期過程及其原始價值的可回收性，是由一系列相關因素決定，見表1。其中一些因素是材料固有的，而其他因素則是使用材料的產(chǎn)品固有的。而產(chǎn)品生命周期結束指的是最后一個用戶使用完并丟棄某一產(chǎn)品。此外，生產(chǎn)過程也會產(chǎn)生廢物，正如表1所示，許多因素可以增加回收價值。本報告將重點關注規(guī)模化應用的產(chǎn)品所涉及的材料和工藝，并探討如何充分利用這些材料和工藝。
表1 產(chǎn)品全生命周期中可循環(huán)使用能力判斷

通常回收包括3個過程：
一是收集。任何產(chǎn)品或材料回收的第一步是，確保其實現(xiàn)可再生回收或循環(huán)利用的條件，這一過程通常稱為“逆向物流”。 收集的過程主要取決于產(chǎn)品自身價值、市場機制以及立法等要求。
二是分揀。這通常涉及兩個階段。分離可回收的任何產(chǎn)品及零部件；將其余部分加工成材料流。
三是再加工。再加工的目標是生產(chǎn)出可與原始材料完全相同的材料。如金屬的再加工等。但是當回收材料過于多樣化時，則需要損失一部分材料。如當電子廢物被粉碎并送去再加工后，其中的稀土金屬將損失。
二、建立新材料循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展路徑
    建立新材料的循環(huán)體系，一方面是由于材料價值的因素，另一方面就是政策驅動。圖1展示了建立最大限度實現(xiàn)新材料循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展路徑。
圖1 新材料循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展路徑

 如果某一種材料不能被分離并轉化為適于再加工的形式，一是可以投資使用更好的分揀和識別技術；二是更改設計，以便單獨拆除和加工高附加值零部件。如果某一種材料可從廢物流中分離出來，但由于缺乏相關技術或就近運輸成本較高而沒有進行再加工的設施，那么一是研究開發(fā)新設施。這將取決于是否存在適當?shù)脑偌庸ぜ夹g，原料的充足性及再加工材料的市場價值；二是可與學術界或其他研究機構合作開發(fā)解決方案。但是，如果回收材料的市場不夠大，無法維系一個新的再加工設施，那么就需要政府來決策。

如果某一種材料可以進行分離和再加工，但其價格只占其原始價值的一小部分，那么一是提升現(xiàn)有再加工技術；二是考慮進行商業(yè)化推廣。
  如果與原始替代材料相比，制造商更難使用回收材料，則再加工商可與制造商或其供應商合作，將回收材料轉換為適合其工藝的形式。
圖2展示了收集系統(tǒng)發(fā)展面臨的障礙。如果沒有收集系統(tǒng)，則需評估材料是否可以支持商業(yè)收集和再加工供應鏈。這將取決于材料的貨幣價值和可用數(shù)量。如果材料的價值不夠高，或總的市場規(guī)模過小，無法支持可行的再加工設施，則只能依靠政策驅動來進行回收。
圖2 收集系統(tǒng)發(fā)展面臨的障礙

三、細分新材料領域循環(huán)體系的建設
1.碳纖維復合材料
    20世紀50年代起，碳纖維復合材料在運輸和可再生能源領域中得到迅速發(fā)展。隨著應用的快速增長，對汽車用碳纖維的回收成為重點。成功回收汽車用碳纖維可以形成一個良性循環(huán)，增加汽車部門的材料使用。由于成本高昂，碳纖維目前僅應用于高端汽車部門。捷豹路虎汽車公司開展的研究表明，碳纖維零部件成本比鋼材零部件成本高出20倍，比鋁材零部件成本高出10倍，也就是說，在向大眾市場推廣碳纖維之前，必須降低碳纖維成本（見圖3）。
圖3 汽車制造業(yè)碳纖維質量和成本情況

與原材料相比，從加工廢物中收集纖維的交易貼現(xiàn)率為20%～40%。也就是說，從報廢車輛中回收優(yōu)質碳纖維可大大提高低成本纖維的供應，并加速促進向輕量化節(jié)能汽車的過渡。汽車碳纖維的生命周期如圖4所示。
圖4 汽車碳纖維的生命周期

（1）存在的障礙一是材料障礙。熱解是回收纖維唯一的商業(yè)化技術。但熱解將燃燒復合材料中的聚合物 （質量約為材料的1/3），其中僅有一小部分能量以熱能的形式被回收。
二是技術障礙?，F(xiàn)有分揀或再加工基礎設施不適用于纖維回收。現(xiàn)有分揀基礎設施需要進行粉碎，這一過程一是可能導致回收纖維材料過?。欢强赡軒聿牧系奈廴?。
三是市場障礙。優(yōu)質回收碳纖維市場已經(jīng)供大于求，其從生產(chǎn)廢物中回收大量的纖維。
（2）面臨的機遇
一是產(chǎn)品重新設計。由于碳纖維復合材料不適用于為金屬車輛開發(fā)的組裝系統(tǒng)，例如螺栓連接和焊接，因此有機會開發(fā)更適合于復合材料的方法，同時便于回收環(huán)節(jié)的拆卸過程。這將需要更新設計軟件，以更好地考慮復合材料的特點。可以拆除車頂或車身板等部件，以生成純碳纖維復合材料部件流，通過維修操作進行重復使用，或通過現(xiàn)有的熱解設施進行再加工。
二是開發(fā)替代回收技術。一是可利用“流化床熱解”技術替代傳統(tǒng)熱解技術，這項技術可在商業(yè)前階段回收優(yōu)質纖維。并更適用于處理廢物原料的可變性質；二是考慮研究熱固性復合材料的化學回收技術。這些技術能夠增加回收纖維的一致性，因而可實現(xiàn)高價值回收。
三是增加回收纖維的價值。一是擴大應用范圍，使用回收碳纖維來替代其他材料。例如，將回收纖維用于非織造墊中，可以提供與玻璃纖維和鋁相同的性能，但質量更低。二是增加回收纖維的一致性，以提供與原始纖維相同的功能，但由于目前僅停留在實驗室規(guī)模，因此需要進一步投資對其進行商業(yè)化推廣。三是通過將回收纖維用于銷售給汽車制造商的中間產(chǎn)品中，可以進一步增加回收纖維的價值。
四是改良汽車復合材料中的聚合物。目前大多數(shù)的碳纖維復合材料包含熱固性塑料，這是不可回收的，而熱塑性復合材料可通過加熱進行重新塑形或熔煉，提高其對快速制造的適用性和再循環(huán)能力。它們還具有重塑部件以供再利用的潛力。聚醚醚酮（PEEK）是汽車應用中性能等同于熱固性材料的唯一一種熱塑性塑料，但其價格高昂。因此，需研發(fā)可更好地涂覆纖維預制件的增材或新熱塑性塑料（即降低粘性），改良熱塑性塑料；研發(fā)可以更好地實現(xiàn)碳纖維-熱塑性塑料粘合的涂料（即使得纖維更易于用于制造業(yè)的涂料），改良纖維；還可以提高熱固性聚合物的再循環(huán)能力。
因此，碳纖維復合材料循環(huán)體系如表2所示。
表2 碳纖維復合材料循環(huán)體系的建立

2.生物塑料
    生物塑料指的是生物基塑料或可生物降解塑料。生物基塑料是由植物或其他非化石燃料原料制成的塑料，包括常見的塑料類型，如聚乙烯和目前小規(guī)模應用的應急塑料；可生物降解塑料可化學分解成無毒化合物，包括在正常條件下可分解的塑料，以及只有在工業(yè)堆肥或厭氧消化設施內(nèi)才會分解的塑料。這2個類別并不相互排斥，因為有些生物塑料既是生物基塑料又是可生物降解塑料。
盡管目前對生物塑料關注度逐漸提高，但實際上生物基塑料僅占整個塑料市場的一小部分（約0.5%），生物塑料市場結構如圖5所示。
圖5 2015年生物塑料市場

（1）存在的障礙
一是材料障礙。在某些情況下，與傳統(tǒng)塑料相比，生物塑料的功能性更低。這限制了其應用范圍，可能出現(xiàn)多種聚合物用于類似應用的現(xiàn)象，從而給回收帶來障礙。
二是技術障礙。利用現(xiàn)有廢物管理系統(tǒng)對生物塑料進行回收可能帶來技術障礙，如提高現(xiàn)有分揀技術的復雜性，特別是給物理分揀帶來困難。但如不將生物塑料與其他聚合物相分離，則會不利于回收，并產(chǎn)生污染。
三是市場障礙。并不是所有的塑料包裝都進行收集回收。雖然英國幾乎所有地方均收集塑料瓶，但只有少數(shù)地方收集其他硬塑料，如壺、桶和托盤，且很少有地方收集塑料薄膜。即使市場上的所有生物塑料都被收集，目前要維持一個可行的閉環(huán)回收工廠供給仍不充足。
（2）面臨的機遇
一是以廢棄生物質用作原料。可以使用二次原料，如廢物或其他工藝的低價值副產(chǎn)物，生產(chǎn)生物塑料。一方面，對環(huán)境影響??；另一方面，還可以確保英國產(chǎn)量，確保獲得相關知識產(chǎn)權。但是，轉用有機廢物原料遠非易事。需考慮經(jīng)濟可行性和原料可用性的季節(jié)變化。此外，將廢物原料轉化為生產(chǎn)生物塑料所需的化學材料的許多過程都依賴于大量消耗資源的酶。
     為了促進生物塑料廢物原料的使用，有必要采取以下措施：繪制可用的原料，包括其供應數(shù)量和任何季節(jié)性變化；確定從特定廢物流到特定生物塑料的最直接轉換路徑，如來自乳制品廢物的PLA；優(yōu)先生產(chǎn)平臺化學品，即可生產(chǎn)許多其他化學品的化合物，及使用高產(chǎn)量原料生產(chǎn)的化合物，例如，利用農(nóng)業(yè)廢物中的纖維素生產(chǎn)乙醇；確定將生物燃料生產(chǎn)或厭氧消化等其他生物燃料工藝的輸出用于生物塑料生產(chǎn)的適宜性，與糖（最簡便的生物材料轉換方式）相比，衡量不同廢物原料易用性的指標將有助于實現(xiàn)這一點。必須加強食品生產(chǎn)和制造業(yè)部門之間的合作，以增加用作原料的廢棄生物質的使用。應召集公共部門，提供信息和資助研究和發(fā)展。
    二是改進分揀過程。為了防止建立的回收流被污染，必須按照聚合物類型識別和分揀塑料。雖然這可以通過近紅外光學分揀技術來實現(xiàn)，但不是所有設施都擁有這一技術，即使有，含有黑色素或完全被標簽覆蓋的產(chǎn)品可能加大這一技術的復雜性。幸運的是，近期引入市場或接近市場的許多解決方案，使用光學技術來提高分揀效率。此外，正在開發(fā)數(shù)字水印和熒光油墨，以實現(xiàn)更細粒度的塑料分揀。
     三是選擇性使用可生物降解塑料。在普遍采用光學分揀技術對收集的塑料進行分揀之前，可生物降解塑料的使用應限制在目前尚未實現(xiàn)回收循環(huán)的應用中。此外，還應提高人們對如何使用各種塑料的認識。為解決這一問題，可以按照應用對聚合物類型進行標準化，并制定相關法規(guī)條例。

四是實現(xiàn)生物塑料的潛力。確定可能用于不同應用的生物塑料，特別是可生物降解塑料開發(fā)產(chǎn)品系統(tǒng)。目前，大多數(shù)生物塑料都在實現(xiàn)其可回收性，特別是生物降解能力。其中，很多生物塑料還有可能采用廢物原料制成，或通過解聚進行回收。
現(xiàn)有生物塑料可提供與傳統(tǒng)塑料完全相同的功能的應用仍較少。與碳纖維相類似的是，新的生物塑料可能有效用于復合材料應用。如果此類聚合物可解聚，則其可幫助解決從復合材料應用中回收材料的問題。此外，還可以在3D打印中使用生物塑料。PLA是一種廣泛用于3D打印的材料。因此，需要開展更多的材料科學研究來改善生物塑料的功能，包括改善現(xiàn)有生物塑料性能，研發(fā)可用于生產(chǎn)新生物塑料的新生物單體。
因此，生物塑料循環(huán)體系如表3所示。

3.增材制造材料
增材制造（AM）技術是通過逐層堆積而非從初始板材中移除材料來生產(chǎn)某一物品，后者稱為“減材制造”。其使用的技術類型如圖7所示。
圖６ 增材制造的6種技術類型

增材制造可以使用任何可以熔化或成型的材料，包括塑料聚合物、金屬、蠟、木材、陶瓷材料、巧克力甚至人體組織，并由計算機輔助設計（CAD）軟件驅動。過去30年來，增材制造的使用迅速增長，從1987年首次投入商業(yè)應用到2016年全球市場規(guī)模達到50億美元。增材制造設備客戶的收益分布如圖8所示。與傳統(tǒng)制造技術相比，增材制造技術可以快速、低成本地生產(chǎn)定制產(chǎn)品。
圖７ 增材制造設備客戶的收益分布

由于增材制造技術具有快速成型、創(chuàng)新設計、小批量生產(chǎn)、資源利用效率高等特點，因此，增材制造技術有望支持各行各業(yè)向循環(huán)經(jīng)濟過渡。
（1）存在的障礙
一是生產(chǎn)獨特復雜多材料產(chǎn)品能力降低了可回收性。增材制造技術的規(guī)模化定制可以實現(xiàn)將不同材料組合整合到同一類型產(chǎn)品中，但這將給分離和回收有用材料帶來極大障礙。形式的定制可能不會構成威脅，如僅由一種聚合物制成的玩具。然而，多種材料類型的定制就很難處理。為了避免增加不可回收產(chǎn)品的數(shù)量，應開展特定部門分析，以確定應避免增材制造生產(chǎn)的哪些材料組合及哪些應用。
二是對電子廢物的潛在貢獻。英國國內(nèi)3D打印機的市場依然相對較小。據(jù)估計，2015年3月，英國僅銷售了10萬臺3D消費打印機，但2013年一年就出售了200多萬臺傳統(tǒng)消費打印機。預計到2030年，美國和歐洲將有一半家庭擁有3D打印機，因此，這可能帶來不斷增長的電子廢物問題。避免這種情況的一個方法是，通過租賃或基于服務的商業(yè)模式擴大增材制造技術的使用。由于硬件成本相對較高，這些方法被廣泛用于商業(yè)傳統(tǒng)打印機的供應。此類服務通常由打印機制造商或專門的印刷服務公司直接提供。此外，也可以通過3D中心使用3D打印機，這些新的平臺將為希望在本地打印的人群提供服務。由于硬件仍在開發(fā)當中，在設計階段可以最大化重復使用和再制造的潛力。更耐用的硬件將提高租賃或基于服務的商業(yè)模式的盈利能力。
（2）面臨的機遇
一是實現(xiàn)產(chǎn)品耐用性、可維修性和可回收性方面的重新設計。目前發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟面臨的障礙之一是，大多數(shù)產(chǎn)品在設計之初并未考慮到可回收性，因此使用增材制造技術來降低產(chǎn)品重新設計的成本，可以進一步擴大再利用、維修和回收產(chǎn)品范圍。此外，增材制造技術可以使產(chǎn)品設計更符合循環(huán)經(jīng)濟的商業(yè)模式。
二是支持再制造。再制造和維修是增材制造的新應用領域，尤其是那些通常認為無法維修的物品，如軸承和密封件。因此，需進一步確定增材制造技術可適用于哪些再制造以及哪些部門，從而增加獨立再制造企業(yè)的生存能力。
三是生產(chǎn)小批量和停產(chǎn)備件。生產(chǎn)零件已是增材制造技術最常見的應用之一。增材制造技術可以克服備件可用性局限的問題，可以根據(jù)需要生產(chǎn)備件，降低維修產(chǎn)品的成本。增材制造硬件成本的降低也將增加獨立維修企業(yè)，和生產(chǎn)自有備件并從事簡單維修工作的家庭的生存能力。
    然而，使用增材制造生產(chǎn)備件也存在一些問題。即在生產(chǎn)原本不是使用增材制造生產(chǎn)的零件時，也就是沒有相關數(shù)字設計文件時，增材制造技術的適用性。其中關鍵的因素就是開發(fā)增材制造 CAD文件的難易程度。3D掃描技術可用性和精細化的提高可解決這一問題，但應注意知識產(chǎn)權和保修限制設計問題。
    四是資源利用效率更高的生產(chǎn)。增材制造的明顯吸引力之一是，其能夠減少生產(chǎn)中使用的材料數(shù)量。由于增材制造技術將堆積而不是移除多余的材料，因此從理論上來說，僅使用最終產(chǎn)品所需的材料量。增材制造還能夠通過空心件及選擇性地將材料施加到承載區(qū)域，高效地使用材料。此外，還可以加大使用可回收原材料，加強對未使用印刷品和印刷材料的回收，從而降低增材制造使用材料的環(huán)境影響。

增材制造可在多大程度上幫助設計和制造更適合循環(huán)經(jīng)濟的產(chǎn)品，將隨著所涉及的產(chǎn)品類型而異。為此，需審查滿足不同部門產(chǎn)品結構、材料和成本要求的技術能力。表4顯示了已經(jīng)采用增材制造技術來提供改善的循環(huán)經(jīng)濟結果的部門。
表4 已采用增材制造技術來改善循環(huán)經(jīng)濟的部門

在汽車和航空部門中，增材制造幫助實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的潛力最大。由于硬件成本高，使用壽命長，這2個部門已采納了許多循環(huán)經(jīng)濟原則。但是，對于其他行業(yè)來說，有必要確定使用增材制造的障礙，以及如何通過進一步研發(fā)來推進這一進程。如果面臨的是成本障礙，那么隨著時間的推移，技術成本最終將會下降。 如果面臨的是無法滿足材料要求的障礙，則需要開展更具針對性的研發(fā)活動。
因此，增材制造材料循環(huán)體系如表5所示。

表5 增材制造材料循環(huán)體系的建立

四、措施建議
1.支持制造企業(yè)通盤考慮新材料全生命周期循環(huán)
在開發(fā)階段，制造企業(yè)就硬確定哪些因素將影響新材料在大眾市場的循環(huán)使用，以避免材料的回收再利用，也就是從初始階段就設計出使用時間更長、效用更高的產(chǎn)品。

2.支持部門合作研發(fā)回收材料新應用
支持供應鏈企業(yè)開展合作，最大限度地抓住物料價值最大化的機會，開發(fā)出單一企業(yè)無法單獨實現(xiàn)的系統(tǒng)。例如，再加工企業(yè)和制造企業(yè)之間的合作將確保回收材料與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的匹配。

3.資助可循環(huán)利用新材料和回收新技術研發(fā)
通過公共資助來開發(fā)和部署新材料的研究，并始終將產(chǎn)品生命周期結束時的回收考慮在內(nèi)。公共政策應該促進價值最高、環(huán)境影響最小的回收系統(tǒng)研發(fā)，而不是鼓勵垃圾填埋和焚燒等低價值方案。