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生态环境材料

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  报告数据显示我国“十一五”期间生态环境保护投资约占同期国内生产总值(GDP)的1.35%,其中2010年财政环保支出2426亿元,同比增长25.4%。在“十二五”期间我国生态环境保护投资将达3.1万亿,较“十一五”期间的投资额增长121%。国家对生态环境保护投资力度的加大将直接推动中国生态环境材料的发展。生态环境材料的应用范围非常广泛,发展前景十分广阔。随着人们环保意识的提高,生态环境材料的应用也将越来越广泛。未来中国生态环境材料产业市场增长率将继续保持在20%以上,中国生态环境材料产业市场规模在2012年将超过300亿元。

  良好的环境协调性是指奔誉肯仔资源、能源消耗少,环境污染小,再生循环利用率高。生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料,是充分考虑人类、社会、自然三者相互关系的前提下提出的新概念,这一概念符合人与自然和谐发展的基本要求,是材料产业可持续发展的必由之路。生态环境材料是由日本学者山本良一教授于20世纪90年代初提出的一个新的概念,它代表了21世纪材料科学的一个新的发展方向。

  人类的生产过程从材料的生产-使用-废弃渗艰洪的过程来看,可以说是将大量的资源提取出来,又将大量废弃物排回到自然己键堡环境的循环过程,人类在创造社会文明的同时,也在不断的破坏人类赖以生存的环境空间。传统的材料研究、开发与生产往往过多的追求良好的使用性能,而对材料的生产、使用和废弃过程中需消耗大量的能源和资源,并造成严重的环境污染,危害人类生存的严峻事实重视不够。

  生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的,是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势。

  目前通常采用生命周期评价(Life cycle assessment,LCA)的基本概念、原则和方法对材料或产品进行环境行为评估。国际标准化组织(IS014040:2005)对LCA的定义:对一个产品系统的生命周期输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。生命周期是指产品系统中前后衔接的一系列阶段,包括产品原材料的提取与加工、制造、运输和销售、使用、再使用、维持、循环回收,直至最终处理。在LCA研究中有四个阶段:1)目标和范围的确定;2)清单分析;3)影响评价;4)解释。

  生态环境材料研究的主要方向有:① 减少人均材料流量,减少材料再迁集约化程度 ;② 减少寿命周期中的环境负荷,使用生态化的生产工艺 ;③开发天然能源,使用藏量丰富的矿物和天然材料;④ 避免使用有害物质,使用“清洁”材料 ;⑤使用长寿命材料,强化再生利用,强化生物降解性;⑥修复环境,酷棵戏强调生态效率(性能一环境负荷比);⑦环境负荷小的高分子合金设凶项戒计;⑧可再生抹应夜抹循环高分子材料的设计;⑨完全降解高分子材料设计;⑩高分子材料加工和使用过程中产生的有害物质无害化处理技术。

  生物降解材料是20世纪80年代后由于环境和能源之间的矛盾凸显而发展起来的一种新型高分子材料。它是指在一定条件下、一定时间内能被细菌、霉菌、藻类等微生物降解的一类高分子材料。真正的生物降解高分子在有水存在的环境下,能被酶或微生物水解降解,从而使高分子主链断裂,分子量逐渐变小,以致最终成为单体或代谢成二氧化碳和水。

  生物降解性高分子材料的降解通常是以化学方式进行的,即在微生物活性的作用下,酶进入聚合物的活性位置并渗透至聚合物的作用点后,使聚合物发生水解,从而使聚合物的分子骨架发生断裂,成为小的链段,并最终断裂成稳定的小分子产物,完成降解过程。一般高分子材料通过生物物理作用、生物化学作用和酶的直接作用等途径而进行降解。

  目前在生物降解材料方面研究最热、发展最快的为医用生物降解高分子材料。主要为聚乳酸(PLA)类医用高分子降解材料,因其无毒、无刺激性、强度高、易加工成型,具有优良的生物兼容性,可生物降解吸收,在生物体内经过酶解,最终分解成水和二氧化碳,所以广泛用于医疗方面。笔者以PLA类医用生物降解材料为例说明生物降解材料的研究进展。

  当前国内外研究的高分子生物降解材料主要有:①淀粉基降解材料 。淀粉基降解材料指的是其组成中含有淀粉或其衍生物作为共混体系的一类材料。淀粉作为可再生资源价廉易得,淀粉填料能促进基体树脂的降解,加工和成型利用现有的填充塑料加工技术和设备,使用性能与基体树脂接近或相当。②PLA类降解材料 』。PLA无毒、无刺激性、强度高、易加工成型,具有优良的生物兼容性,可生物降解吸收,在生物体内经过酶解,最终分解成水和二氧化碳。PLA类降解材料是一种新型功能性医用高分子材料。③ 聚酸酐降解材料 。20世纪70年代人们利用其水解不稳定性,开发出生物降解材料。由于其优良的生物兼容性和表面溶蚀性,在医学领域得到广泛的应用。④ 聚氨酯(PUR)降解材料 。可降解性PUR主要有纤维素/木质素/树皮改性PUR、单糖或二糖改性PUR和淀粉改性PUR。广泛用于建筑、家具、电器等行业。⑤聚对苯二甲酸乙二酯(PET)/聚乙二醇(PEG)降解材料 。PET是一种性能优良的通用高分子材料,当其中加入PEG进行,可以合成具有微相分离结构的嵌段共聚物,其降解速度明显加快,为聚合物用作环境友好材料和生物医学材料奠定了基础。

  生物降解材料的应用极为广泛,包括医药、农业、工业包装、家庭娱乐等 。近年来发展的生物降解性吸收高分子材料是指材料完成医疗作用后,在一定时间内被水解或酶解成小分子参与正常的代谢循环,从而被人体吸收或排泄。生物降解塑料已被用在血管外科、矫形外科、体内药物释放基体和吸收性缝合线等医疗领域。农用降解材料最终转化成提高土质的材料,主要有农用覆膜、药物的控制释放。在塑料卡中(如信用卡、IP卡等)加入降解性材料也能使其在废弃后迅速降解而不污染环境。目前在美国等西方发达国家 ,包装材料和方便袋等都已使用可降解的纸材料或纸袋。这些材料的使用大大降低了对环境的白色污染,提高了环境质量。我国目前已经开始重视白色污染的问题,2008年6月1日开始实行的“限塑令”就充分说明了这一点。

  长寿命高分子材料的开发是未来高分子材料重要研究内容之一,但是应根据用途和是否对环境产生深远影响进行综合研究 。通过延长高分子材料的使用寿命,从而提高资源的利用率,降低资源开发速度。目前日本在长寿命高分子材料研究方面处于领先地位,日本出兴光产公司开发了长寿命蓝光和绿光有机发光材料,此材料改进了蓝光有机发光材料的分子结构,因而得到电流发光效率为9 cd/A,半寿命为223 000 h,不仅改进了绿光有机发光材料的色纯度,而且提高了寿命。兰伟等 对用于长寿命热电池的气相SiO,复合保温材料进行了研究。其所研制的保温材料在500~C,密度为0.265 g/em 时,导热系数为0.0629 W/(Ill·K),接近美国同类材料Min—K的水平。

  人工制造的具有生物功能、生物活性或者与生物体相容的材料称为仿生物材料。仿生物材料在生物兼容性的基础上,从材料的制备到应用都与环境、人体有着自然的协调性。已经研究开发的仿生物材料主要有生物陶瓷及其复合材料、组织工程材料和仿生智能材料等。组织工程材料是用于取代某些生物体组织器官或恢复、维持以及改善其功能的一类仿生物材料。常见的组织工程材料包括组织引导材料、组织诱导材料、组织隔离材料、组织修复材料和组织替换材料等。仿生智能材料是指能模仿生命系统,同时具有感知和驱动双重功能的材料。仿生智能材料刚刚出现十余年,但已经发展成为生物材料领域最引人注目的研究热点之一。目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释放体系以及仿生薄膜材料等。

  生态环境材料经过十几年的发展和研究,以下几点已为世界公认:① 材料的环境性能将成为2l世纪新材料的一个基本性能;②用LCA方法评价材料产业的资源和能源消耗、三废排放等将成为一项常规的评价方法;③结合资源保护、资源综合利用,对不可再生资源的替代和再资源化研究将成为材料产业的重要发展方向;④各种生态环境材料及其产品的开发和广泛应用是其发展的重点。

  高分子生态环境材料未来的发展方向是:① 开发高效生产技术,使高分子材料精细化、功能化、高性能化以及生态化;②优化设计,根据各种高分子材料制品用途进行可降解或长寿命高分子材料的设计;③探讨与环境协调的再生循环方法,使高分子材料废弃物变废为宝,实现资源再生利用。

  总之,生态环境材料必将成为未来新材料的一个重要分支,作为跨材料科学、环境科学以及生态科学等学科的新型材料,在保持资源平衡、能源平衡和环境平衡,实现社会和经济的可持续发展等方面将起到非常重要的作用。如果在生产和生活中广泛使用该类材料,就可以实现社会的可持续发展,使资源和能源得到有效的利用,使我们的生产和生活环境得到有效的保护。该类材料代表着科学技术发展的方向和社会发展进步的趋势,必将对人类社会进步起到巨大的推动作用。



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