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生態環境材料

標籤:綠色材料

1發展

據《2013-2017年中國生態環境材料行業發展前景與投資預測分析報告》數據顯示中國「十一五」期間生態環境保護投資約佔同期國內生產總值(GDP)的1.35%,其中2010年財政環保支出2426億元,同比增長25.4%。在「十二五」期間中國生態環境保護投資將達3.1萬億,較「十一五」期間的投資額增長121%。國家對生態環境保護投資力度的加大將直接推動中國生態環境材料的發展。生態環境材料的應用範圍非常廣泛,發展前景十分廣闊。隨著人們環保意識的提高,生態環境材料的應用也將越來越廣泛。前瞻網預測,未來中國生態環境材料產業市場增長率將繼續保持在20%以上,中國生態環境材料產業市場規模在2012年將超過300億元。

2生態環境材料的定義

生態環境材料是指那些具有良好的使用性能和優良的環境協調性的材料。良好的環境協調性是指資源、能源消耗少,環境污染小,再生循環利用率高。生態環境材料是人類主動考慮材料對生態環境的影響而開發的材料,是充分考慮人類、社會、自然三者相互關係的前提下提出的新概念,這一概念符合人與自然和諧發展的基本要求,是材料產業可持續發展的必由之路。生態環境材料是由日本學者山本良一教授於20世紀90年代初提出的一個新的概念,它代表了21世紀材料科學的一個新的發展方向。

3發展生態環境材料的意義

人類的生產過程從材料的生產-使用-廢棄的過程來看,可以說是將大量的資源提取出來,又將大量廢棄物排回到自然環境的循環過程,人類在創造社會文明的同時,也在不斷的破壞人類賴以生存的環境空間。傳統的材料研究、開發與生產往往過多的追求良好的使用性能,而對材料的生產、使用和廢棄過程中需消耗大量的能源和資源,並造成嚴重的環境污染,危害人類生存的嚴峻事實重視不夠。
生態環境材料是在人類認識到生態環境保護的重要戰略意義和世界各國紛紛走可持續發展道路的背景下提出來的,是國內外材料科學與工程研究發展的必然趨勢。

4生態環境材料的評價

目前通常採用生命周期評價(Life cycle assessment,LCA)的基本概念、原則和方法對材料或產品進行環境行為評估。國際標準化組織(IS014040:2005)對LCA的定義:對一個產品系統的生命周期輸入、輸出及其潛在環境影響的彙編和評價。生命周期是指產品系統中前後銜接的一系列階段,包括產品原材料的提取與加工、製造、運輸和銷售、使用、再使用、維持、循環回收,直至最終處理。在LCA研究中有四個階段:1)目標和範圍的確定;2)清單分析;3)影響評價;4)解釋。

5生態環境材料研究的主要方向

生態環境材料研究的主要方向有:① 減少人均材料流量,減少材料集約化程度 ;② 減少壽命周期中的環境負荷,使用生態化的生產工藝 ;③開發天然能源,使用藏量豐富的礦物和天然材料;④ 避免使用有害物質,使用「清潔」材料 ;⑤使用長壽命材料,強化再生利用,強化生物降解性;⑥修復環境,強調生態效率(性能一環境負荷比);⑦環境負荷小的高分子合金設計;⑧可再生循環高分子材料的設計;⑨完全降解高分子材料設計;⑩高分子材料加工和使用過程中產生的有害物質無害化處理技術。

6生物降解材料

生物降解材料是20世紀80年代後由於環境和能源之間的矛盾凸顯而發展起來的一種新型高分子材料 。它是指在一定條件下、一定時間內能被細菌、黴菌、藻類等微生物降解的一類高分子材料。真正的生物降解高分子在有水存在的環境下,能被酶或微生物水解降解,從而使高分子主鏈斷裂,分子量逐漸變小,以致最終成為單體或代謝成二氧化碳和水。
生物降解材料的研究進展
目前在生物降解材料方面研究最熱、發展最快的為醫用生物降解高分子材料。主要為聚乳酸(PLA)類醫用高分子降解材料,因其無毒、無刺激性、強度高、易加工成型,具有優良的生物兼容性,可生物降解吸收,在生物體內經過酶解,最終分解成水和二氧化碳,所以廣泛用於醫療方面。筆者以PLA類醫用生物降解材料為例說明生物降解材料的研究進展。

幾種重要的生物降解材料及應用

當前國內外研究的高分子生物降解材料主要有:①澱粉基降解材料 。澱粉基降解材料指的是其組成中含有澱粉或其衍生物作為共混體系的一類材料。澱粉作為可再生資源價廉易得,澱粉填料能促進基體樹脂的降解,加工和成型利用現有的填充塑料加工技術和設備,使用性能與基體樹脂接近或相當。②PLA類降解材料 』。PLA無毒、無刺激性、強度高、易加工成型,具有優良的生物兼容性,可生物降解吸收,在生物體內經過酶解,最終分解成水和二氧化碳。PLA類降解材料是一種新型功能性醫用高分子材料。③ 聚酸酐降解材料 。20世紀70年代人們利用其水解不穩定性,開發出生物降解材料。由於其優良的生物兼容性和表面溶蝕性,在醫學領域得到廣泛的應用。④ 聚氨酯(PUR)降解材料 。可降解性PUR主要有纖維素/木質素/樹皮改性PUR、單糖或二糖改性PUR和澱粉改性PUR。廣泛用於建築、傢具、電器等行業。⑤ 聚對苯二甲酸乙二酯(PET)/聚乙二醇(PEG)降解材料 。PET是一種性能優良的通用高分子材料,當其中加入PEG進行熔融共縮聚,可以合成具有微相分離結構的嵌段共聚物,其降解速度明顯加快,為聚合物用作環境友好材料和生物醫學材料奠定了基礎。
生物降解材料的應用極為廣泛,包括醫藥、農業、工業包裝、家庭娛樂等 。近年來發展的生物降解性吸收高分子材料是指材料完成醫療作用后,在一定時間內被水解或酶解成小分子參與正常的代謝循環,從而被人體吸收或排泄。生物降解塑料已被用在血管外科、矯形外科、體內藥物釋放基體和吸收性縫合線等醫療領域。農用降解材料最終轉化成提高土質的材料,主要有農用覆膜、藥物的控制釋放。在塑料卡中(如信用卡、IP卡等)加入降解性材料也能使其在廢棄后迅速降解而不污染環境。目前在美國等西方發達國家 ,包裝材料和方便袋等都已使用可降解的紙材料或紙袋。這些材料的使用大大降低了對環境的白色污染,提高了環境質量。中國目前已經開始重視白色污染的問題,2008年6月1日開始實行的「限塑令」就充分說明了這一點。

7長壽命高分子材料

長壽命高分子材料的開發是未來高分子材料重要研究內容之一,但是應根據用途和是否對環境產生深遠影響進行綜合研究 。通過延長高分子材料的使用壽命,從而提高資源的利用率,降低資源開發速度。目前日本在長壽命高分子材料研究方面處於領先地位,日本出興光產公司開發了長壽命藍光和綠光有機發光材料 ,此材料改進了藍光有機發光材料的分子結構,因而得到電流發光效率為9 cd/A,半壽命為223 000 h,不僅改進了綠光有機發光材料的色純度,而且提高了壽命。蘭偉等 對用於長壽命熱電池的氣相SiO,複合保溫材料進行了研究。其所研製的保溫材料在500~C,密度為0.265 g/em 時,導熱係數為0.0629 W/(Ill·K),接近美國同類材料Min—K的水平。

8仿生物材料

人工製造的具有生物功能、生物活性或者與生物體相容的材料稱為仿生物材料。仿生物材料在生物兼容性的基礎上,從材料的製備到應用都與環境、人體有著自然的協調性。已經研究開發的仿生物材料主要有生物陶瓷及其複合材料、組織工程材料和仿生智能材料等。組織工程材料是用於取代某些生物體組織器官或恢復、維持以及改善其功能的一類仿生物材料。常見的組織工程材料包括組織引導材料、組織誘導材料、組織隔離材料、組織修復材料和組織替換材料等。仿生智能材料是指能模仿生命系統,同時具有感知和驅動雙重功能的材料。仿生智能材料剛剛出現十餘年,但已經發展成為生物材料領域最引人注目的研究熱點之一。目前主要有智能高分子凝膠材料、智能藥物釋放體系以及仿生薄膜材料等。

9生態環境材料的發展趨勢

生態環境材料經過十幾年的發展和研究,以下幾點已為世界公認:① 材料的環境性能將成為2l世紀新材料的一個基本性能;②用LCA方法評價材料產業的資源和能源消耗、三廢排放等將成為一項常規的評價方法;③結合資源保護、資源綜合利用,對不可再生資源的替代和再資源化研究將成為材料產業的重要發展方向;④各種生態環境材料及其產品的開發和廣泛應用是其發展的重點。
高分子生態環境材料未來的發展方向是:① 開發高效生產技術,使高分子材料精細化、功能化、高性能化以及生態化;②優化設計,根據各種高分子材料製品用途進行可降解或長壽命高分子材料的設計;③探討與環境協調的再生循環方法,使高分子材料廢棄物變廢為寶,實現資源再生利用。
總之,生態環境材料必將成為未來新材料的一個重要分支,作為跨材料科學、環境科學以及生態科學等學科的新型材料,在保持資源平衡、能源平衡和環境平衡,實現社會和經濟的可持續發展等方面將起到非常重要的作用。如果在生產和生活中廣泛使用該類材料,就可以實現社會的可持續發展,使資源和能源得到有效的利用,使我們的生產和生活環境得到有效的保護。該類材料代表著科學技術發展的方向和社會發展進步的趨勢,必將對人類社會進步起到巨大的推動作用。
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