欧洲电气电子产品循环塑料设计实用指南（一）——面向再生和源自再生的设计-- 迪族网

欧洲电气电子产品循环塑料设计实用指南（一）——面向再生和源自再生的设计

来源：电器杂志　2023-08-28 20:49:43

2021年3月，受欧盟委员会资助的“面向循环经济的消费后高技术再生聚合物”（Post-Cons umer High-tech Recycled Polymers for a Circular Economy，简称PolyCE）项目发布了《电气电子产品面向再生和源自再生的设计：设计者实用指南》（以下简称《指南》），旨在帮助设计者/制造商将生命周期理念融入电气电子产品的设计中，将产品使用的塑料材料的生命周期转变为可持续生命周期。

PolyCE是一个由20个专家组织组成的合作项目。这些专家来自欧洲大学、研究机构、再生企业和设计公司，目标是研究如何改善塑料在电气电子产品中的循环利用，从而大幅减少原生塑料的使用，增加再生塑料的使用。

《指南》侧重于循环塑料设计，介绍了面向再生和源自再生两种设计策略，解释了如何以循环方式设计塑料的外壳和内部零件，并提出若干指南。这些指南是由基于PolyCE项目在2017~2020年间的执行结果制定的，并因及时反映了当前的状况而被欧盟委员会联合研究中心（JRC）2023年1月发布的《可持续产品生态设计法规-新产品优先级的初步研究》技术报告草案所引用。

本文将详细介绍《指南》的相关设计策略和应用案例，为中国家电行业应对塑料循环利用的要求提供思路和借鉴。

塑料再生利用的重要性

如今，人们很难想象这个世界没有塑料。人类社会从塑料革命和塑料提供的大量功能中受益匪浅。以欧洲为例，塑料的产量从1950年的150万吨增长到2019年的亿吨，塑料行业的营业额超过3600亿欧元/年，从业人员数量超过160万人。

虽然塑料行业的持续创新使得使用更少的材料实现相同的功能成为可能，但由于产品（如电气电子产品）应用塑料的多样性和复杂性日益提高，重复使用或再生利用塑料变得更加复杂。这导致产品在生命周期的后期对环境会产生巨大的影响，由此产生的废物流也越来越受到关注。废弃电气电子产品（WEEE）被认为是欧盟乃至全球增长最快的废物流之一。根据《全球电子垃圾监测》（Global E-Waste Monitor），2019年全球产生的电气电子垃圾达到创纪录的5360万吨。

如今，WEEE再生利用的主要经济驱动力是对金、银、钯、铜等稀有贵金属的回收利用。电气电子产品的塑料外壳和内部零件的再生利用仍是一项重大的挑战。这主要是因为电气电子产品所使用的塑料是由许多不同的聚合物和添加剂组成的复杂混合物。

2018年，作为第一个欧洲循环经济行动计划（CEAP）的一部分，欧盟委员会通过了一项覆盖全欧洲的“循环经济塑料战略”。这一战略旨在改变未来塑料和塑料产品的设计、生产、使用和再生利用方式。最重要的是，欧盟制定了一个雄心勃勃的目标——到2025年，欧盟市场上的新产品中含有1000万吨再生塑料，这是2016年使用量（近400万吨）的两倍还多。

产品80%以上的环境影响是在设计阶段确定的。面向再生的设计（Design FOR Recycling）策略是欧盟塑料战略一个特别重要的组成部分。初始设计对电气电子产品在使用寿命结束时的再生利用至关重要，需要产品研发人员应用面向再生的设计策略，以满足再生利用企业的原料要求。

除了面向再生的设计策略，源自再生的设计（Design FROM Recycling）策略也将在闭合材料循环和实现欧盟委员会2025年的目标方面发挥关键作用。目前，大多数再生材料因质量低通常处于降级使用状态，多用于建筑、运输或基础设施建设等领域。快速增长的电气电子废物产生了大量的、种类繁多的塑料，更好地分选且保持材料的纯度成为再生工艺中的挑战。为在塑料行业实现以可持续发展为导向的创新，电气电子产品行业亟需关于面向再生和源自再生的设计指南和开发标准。相关指南对于增加再生物在消费类电气电子产品等高价值领域中的应用比例具重要意义。

循环产品设计和循环塑料设计

欧盟将电气电子产品产生的废物流分为温度交换设备、显示器和监视器、灯、大型设备、小型设备、小型IT和通信设备六大类。每一类废物的处理需要按照不同的步骤进行，这样的分类有助于组织再生流和再生工艺。不同类别的产品有自身特定的再生挑战。要使产品完全循环，设计者/制造商需要知道不同产品类别面临何种挑战。因此，循环设计的第一步是将产品与正确的类别相匹配，并调查再生系统的组织方式以确定适用的规则。

《指南》指出，开展产品循环开发活动，意味着设计者/制造商将进入新的领域，需要学习新的知识和规则，并涉及与再生行业的合作。这个领域还处在不断发展中，并非所有规则都为人所知，因此设计者/制造商的行动将有助于建立重要的知识体系和合作伙伴关系。此外，新产品应具备经济可行性，并有可匹配的商业案例。《指南》的最终目标是为制造商建立一个可持续的、有效的系统。这个系统通过提供材料以理想的质量重复使用，从而从废物中提取最大的价值，或者从为防止污染而开发的再生步骤中创造价值。

《指南》同时强调，6个可再生利用的产品类别可能无法完全满足设计者/制造商的需求。这意味着当确定产品类别后，设计者/制造商还需要调查开展材料再生相关条件。理清这一点后，设计者/制造商就可以定义产品的再生利用策略，并了解要应用的面向再生的设计规则。

《指南》以“第五类-小型设备”为例说明了该产品类别的再生步骤（详见图1）。

图1 小型设备的再生步骤

此类小型设备在使用寿命结束时通常不会被拆卸（拆开），而是整体破碎。这意味着设计者/制造商将面向再生的设计规则应用于该类产品塑料零件的设计时，应确保收集产品中使用的所有塑料类型变得更加容易。这样才能使再生企业在开展再生生产的过程中更轻松地收集塑料，并尽可能使材料保持原始的质量，受到更少的污染，从而让再生塑料更适合在更多的产品类别中重复使用。

为利用面向再生的设计原则成功地设计出循环产品，设计者/制造商需要确定如何最好地重复使用产品的各个部分。可再生利用性必须成为产品开发时一项强制性产品要求。

《指南》指出，为准确地确定产品的循环性，设计者/制造商需要调查的不仅是面向再生和源自再生的设计原则，还需要了解整个循环经济系统。艾伦.麦克阿瑟基金会（Ellen McArthur Foundation）制作的模型很好地概述了循环经济系统（见图2）。《指南》涉及的是用橙色标出的再生利用部分。

图2 艾伦.麦克阿瑟基金会的全循环生态系统

如今，WEEE再生利用的主要经济驱动力源于对金、银、钯和铜等稀有贵金属的回收利用。通过所谓的“城市采矿”过程（从电气电子废物中开采金属），从印刷电路板中重新获取这些有价值的材料已经在进行中。然而，不利的一面是，塑料等其他潜在的可再生材料在此过程中可能因为经济价值较低而被丢弃。要收集材料以供重复使用，重要的就是改变产品的的设计方式，既要考虑再生材料的使用，又要考虑再生材料寿命结束时的再生利用。

成功应用这一方法将创造新的经济价值：再生的塑料材料将保留更多的原始质量（接近原生塑料），通过使其适合重复使用，从而在多个层面上防止污染。

《指南》侧重于以循序渐进的方式实施循环设计，帮助设计者/制造商建立一个更大的、积极的未来，通过学习来提出改进思路，在设计和批量生产工艺中制定和实施循环解决方案。

实施循环设计，连接两个世界

为实施循环设计活动，《指南》介绍了可供选择的两种主要设计方法。一是面向再生的设计（Design FOR Recycling），即创造一种在寿命结束时能够更好、更容易再生利用的产品；二是源自再生的设计（Design FROM Recycling），即创造一种（部分）由再生材料制成的产品。

要在“面向再生”或“源自再生”之间做出选择，设计者/制造商需要考虑这两者的背景。通过观察产品的整个生命周期，区分两个相关的“世界”。一是产品开发的“世界”（图3中的蓝色部分），侧重于产品构思、开发和生产，产品设计者、工程师、模具商、制造商和消费者合作创造有价值的产品。二是材料回收利用的“世界”（图3中的绿色部分），侧重于产品的寿命结束后的废物收集和再生利用，市政当局、废物收集者和废物处理者从废物中创造价值。

图3 Pezy Group所述的循环开发

当前，这两个世界是彼此独立运作的（见图4），产品开发和废物循环过程（再生利用等）各自以线性方式进行。创建循环产品（适合再生利用并由再生材料制成）的一个重要条件是从线性方法转变为考虑整个价值链的整体方法。

图4 Pezy Group所述的线性开发

将产品开发从线性转变为循环将带来巨大挑战。《指南》指出，要成功开发循环产品，设计者/制造商必须尝试连接“两个世界”，使它们以循环的方式运行，将它们视为一个世界，并以此为基础定义面向再生的设计方法。同时，设计产品的初始方式决定了可再生材料和/或再生材料“重生”的可能，从而防止产品在使用寿命结束时变成废物。因此，为了实现循环，设计者/制造商在项目开始时考虑产品将如何再生利用是至关重要的。

为此，《指南》引入了“门A”和“门B”的概念。这两扇门是两个世界之间的连接点，在将它们连接在一起方面发挥着重要作用。

“门A”面向再生的设计：在这个关口，设计者/制造商的任务是开发一个以定性和定量的方式实现最佳再生的设计。

“门B”源自再生的设计：在这个关口，设计者/制造商的任务是在可能的情况下应用再生材料。

从今天进入门A的大多数产品（在寿命结束时）来看，它们并不是为材料回收利用世界设计的，面向再生的设计尚未得到应用。门B则经常显示，材料回收利用的输出（可用的再生材料）与产品设计者能够创建良好的源自再生的设计所需的规范输入之间缺少连接。然而，在产品循环开发中，这两者将是共存且合作的关系。

循环开发的两个层面

选择基于“面向再生”或“源自再生”原则的设计取决于设计者/制造商想要实现的目标。然而，这两种方法的应用，都需要从两个层面看待产品（见图5）。在产品层面，执行关键功能和美学的总装配；在零件层面，实现特定子功能，并由特定材料制成的单独零件。

图5 产品层面和零件层面

无论设计者/制造商决定把重点放在哪里，都需要始终关注生产方面：使用何种技术来生产产品，以及这些技术与循环解决方案的关系。面向再生的设计项目侧重于设计整个产品，并创建一个有利于以后的最佳再生的产品构架。在启动通常的开发活动之前，设计者/制造商需要规划产品如何最好地进入再生流。

为实现这一点，产品中使用的所有零件都应设计为易于分离，避免胶水固定和使用有毒材料。一旦明确了需求，在开发产品构架的同时，设计者/制造商就可以选择将再生塑料用于产品的零件。这取决于制造商的可持续发展目标、可用预算以及整合寻找合适材料所需的活动（和时间）。

源自再生的设计项目通常侧重于（重新）设计适合使用再生塑料的产品零件。为了更好地实现循环，设计者/制造商可以选择从改变现有产品的材料开始，并用再生塑料生产（部分）零件。这是培养专业知识和了解合适选项的好方法，还将让设计者/制造商深入了解使用再生塑料可能对产品和生产造成的影响。《指南》称之为“插入式方法”（Drop-in Method）。这种方法旨在创建实践学习，而无需对开发和模具进行大量投资。另一种选择是使用尽可能多的再生塑料从头开始设计全新的产品。

需要注意的是，“插入式方法”不应与“插入式材料”相混淆。“插入式材料”在业内指的是在不影响生产工艺的情况下对材料进行一对一的更换。应用“插入式方法”意味着在现有工艺中测试再生塑料，以了解材料、零件、模具和生产工艺的变化。一旦从该测试中证明了材料性能并获得了可比较的结果，设计者/制造商就可以开始在（批量）生产中使用再生材料。

源自再生的设计方法还可以帮助设计者/制造商说服自己的公司相信循环产品的价值。这种方法具有较好的经济效益，有助于企业建立实施循环发展战略的信心。

面向再生的设计（Design FOR Recycling）

通过应用面向再生的设计方法，设计者/制造商的目标是制造适合整个价值链的产品，包括再生过程的所有步骤。这些产品的设计应确保使用的所有材料都能保持最高质量，且可以最大程度地被重复使用。

欧洲近年来制定了许多指南，以支持企业实现面向再生的设计，并赋能塑料再生设计。目前，几乎所有的指南都是为包装行业制定的。这是由于包装行业对塑料的需求最高，产生了当下大部分的塑料垃圾。

《指南》结合上述指南中相关的内容，提出了电气电子产品面向再生设计的相关指南，可应用于设计电气电子产品的塑料外壳和零件。同时，从PolyCE项目中学到的新知识也被纳入《指南》，两者共同提供了一套涵盖塑料价值链的最新且完整的设计指南。（中国家用电器协会万春晖编译）（未完待续）

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