高分子材料綠色制造與可持續(xù)發(fā)展

于立坤

摘要：隨著開(kāi)發(fā)利用石化資源帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，傳統(tǒng)合成高分子材料受到越來(lái)越多的限制，開(kāi)發(fā)和利用綠色環(huán)保的天然高分子材料成為發(fā)展的新趨勢(shì)。因此，高分子材料領(lǐng)域掀起了一股綠色浪潮，長(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)工業(yè)在人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步中扮演著重要的角色。同時(shí)，化學(xué)過(guò)程對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。為實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，21世紀(jì)化工行業(yè)將通過(guò)自身產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，研發(fā)“環(huán)保型”化工產(chǎn)業(yè)。“綠色技術(shù)”已成為21世紀(jì)化學(xué)和化學(xué)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重要的科技前沿。使用綠色高分子材料不僅可以減少浪費(fèi)量，節(jié)約能源，減少污染，還能方便人們的生活。本文從高分子材料的原料（單體）、催化劑、合成加工過(guò)程以及循環(huán)回收等角度綜述了高分子材料綠色制造與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：高分子材料;綠色制造;可持續(xù)發(fā)展

引言

高分子材料是現(xiàn)代工業(yè)和高新技術(shù)的重要基石，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)以及國(guó)家安全的重要保證。我國(guó)是世界高分子產(chǎn)品制造第一大國(guó)，并擁有全球最大的消費(fèi)市場(chǎng)。高分子制造產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度大、綜合性強(qiáng)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)體系中具有不可或缺的重要地位。與其他工業(yè)制品一樣，大規(guī)模生產(chǎn)的高分子材料制品在生產(chǎn)和使用中也必然出現(xiàn)大量廢棄物。本文從高分子材料的原料（單體）、催化劑、合成加工過(guò)程以及循環(huán)回收等角度綜述了高分子材料綠色制造與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，如圖1。

圖1 綠色高分子材料

1綠色高分子材料的研制

1.1開(kāi)發(fā)“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng)

斯坦福大學(xué)的教授提出了原子經(jīng)濟(jì)的概念，即少數(shù)原子的原料分子被轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。理想的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)是，原子在100%的原料分子中成為產(chǎn)品，不產(chǎn)生副產(chǎn)品或廢物，實(shí)現(xiàn)浪費(fèi)的“零排放”。因此，這一過(guò)程具有良好的工業(yè)前景，這一方法的缺點(diǎn)是過(guò)氧化氫成本高，缺乏可能的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)也克服了這些缺陷，發(fā)展了綠色生產(chǎn)工藝。

1.2采用無(wú)毒無(wú)害的原料

對(duì)于進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為必要功能組合反應(yīng)的中間體，高毒性氫氣體和氫氰酸繼續(xù)被用作生產(chǎn)現(xiàn)代勞動(dòng)力的原料。利用雙酚A和二甲基碳酸氫聚合物在熔融狀態(tài)下生產(chǎn)聚碳酸酯的新技術(shù)研發(fā)，取代了傳統(tǒng)的光氣體合成途徑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)綠色化學(xué)目標(biāo)：一是不使用有毒有害原料，由于在熔融狀態(tài)下反應(yīng)，未使用可疑的致癌物的甲基氯化物作為溶劑。此外，開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)異苯丙烯生產(chǎn)甲基丙烯酸酯的新合成途徑，取代了以往基于丙酮和氫氰化物的氰化丙酮方法。

1.3利用可再生資源合成化學(xué)品

目前廣泛使用的生物原料代替石油是保護(hù)環(huán)境的長(zhǎng)期方向。生物原料主要由淀粉和纖維素組成，容易轉(zhuǎn)化為葡萄糖，后者由于木質(zhì)素的結(jié)晶和共存，更難通過(guò)纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖。以葡萄糖為原料的鹽酸技術(shù)取得重大進(jìn)展，該技術(shù)通過(guò)酶反應(yīng)產(chǎn)生去甲酸、鄰苯二甲酸和酚類(lèi)，特別是不需要苯作為尼龍?jiān)仙a(chǎn)的技術(shù)。由于苯是已知的致癌物質(zhì)，從大量的合成有機(jī)原料中去除苯是一種綠色的化學(xué)標(biāo)記，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上是可行的競(jìng)爭(zhēng)。此外，主動(dòng)使用生物或農(nóng)業(yè)廢物（如合成聚葡萄糖）生產(chǎn)新型聚合物，一系列具有天然產(chǎn)品、綠色涂層和制備多種耐水性再生纖維素環(huán)境材料的可互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物。特別注意，因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)解決若干環(huán)境問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)是聚合物原料的單體無(wú)害，生物催化轉(zhuǎn)化方法優(yōu)于傳統(tǒng)的聚合物方法。

1.4仿酶催化

在當(dāng)前綠色高分子材料的研究課題中，"催化劑"是研究的熱點(diǎn)之一，值得進(jìn)一步關(guān)注和加強(qiáng)。酶是一種有效的、一體式、輕度和顯著條件的生物催化分子，但天然酶來(lái)源有限，難以純化，實(shí)際應(yīng)用仍存在許多問(wèn)題。開(kāi)發(fā)具有相似性甚至優(yōu)于酶功能的人工酶已成為當(dāng)代化學(xué)和仿生科學(xué)領(lǐng)域的重要課題之一。模擬酶是從天然酶篩選出具有一定導(dǎo)電作用的因素，設(shè)計(jì)出不僅能表現(xiàn)出酶功能，而且比非蛋白質(zhì)分子或分子酶更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定的合成設(shè)計(jì)，模擬表面酶鑒定、結(jié)合和催化，開(kāi)發(fā)出一些具有綠色聚合物特性的新的合成反應(yīng)或方法。顯然，催化劑不僅具有酶催化劑和化學(xué)催化劑的特點(diǎn)，而且是實(shí)現(xiàn)綠色高分子材料目標(biāo)的直接而有效的方法。

1.5材料的再生循環(huán)技術(shù)

材料回收技術(shù)是指多次回收再利用材料的過(guò)程。開(kāi)發(fā)一種通過(guò)分解回收鹽酸的新工藝，其中生產(chǎn)的鹽酸可以用作生產(chǎn)新PVC的原料，日本富士資源回收公司使用催化劑通過(guò)熱分解磨削工藝，使廢乙烯、聚丙烯等聚烯烴塑料轉(zhuǎn)化為燃料，這種塑料產(chǎn)生煤油或柴油，處理廢塑料的成本低廉。

2高分子材料循環(huán)利用

2.1物理循環(huán)

物理循環(huán)中最常見(jiàn)的回收方式為機(jī)械回收。該回收過(guò)程包括幾個(gè)關(guān)鍵步驟：收集、分類(lèi)、減小尺寸和清潔，進(jìn)一步分離和干燥，通過(guò)熔融加工再利用。性能降低后的再生料還可以通過(guò)進(jìn)一步的物料改性或化學(xué)改性來(lái)提高其性能。物理回收是最環(huán)保也最經(jīng)濟(jì)的回收方法。幾乎所有的熱塑性塑料都可以采用這種方法加以再生利用。例如，食品級(jí)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）飲料瓶物理回收后可生產(chǎn)纖維制品加以利用。雖然物理回收可以實(shí)現(xiàn)廢棄塑料的簡(jiǎn)單再生利用，但是該方法也存在著一定的局限性，再利用的高分子材料往往會(huì)失去原來(lái)高分子的一些性能，例如透明度及機(jī)械性能等。由于機(jī)械回收高分子得到再生高分子的可行性以及其性能主要取決于原始高分子原料的純度，因此由單一高分子組成的硬質(zhì)塑料瓶的機(jī)械回收比那些多組分高分子材料包裝更簡(jiǎn)單，更經(jīng)濟(jì)。從高分子材料循環(huán)利用的角度出發(fā)，應(yīng)該大力提倡采用單一樹(shù)脂制造產(chǎn)品。

2.2化學(xué)循環(huán)

化學(xué)循環(huán)回收是將高分子材料選擇性解聚為低分子量化學(xué)產(chǎn)品（單體，低聚物），可再聚合為原始產(chǎn)品或轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)品的用途的方法，具有潛在的吸收和循環(huán)大量廢棄高分子材料的潛力，已引起越來(lái)越多的科學(xué)和商業(yè)關(guān)注?；瘜W(xué)循環(huán)回收可以分為溶劑解聚技術(shù)和熱分解技術(shù)兩類(lèi)。

2.3能量循環(huán)

裂解是實(shí)現(xiàn)高分子能量循環(huán)最重要的技術(shù)。裂解主要是在高溫下使高分子鏈發(fā)生斷裂，由于溫度不同，從而制備得到不同鏈長(zhǎng)的石蠟、汽油、柴油以及一些裂解氣等化工產(chǎn)品。廢棄塑料裂解制備油和氣的技術(shù)可靠、原料來(lái)源廣泛、環(huán)保安全，且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，可實(shí)現(xiàn)廢棄高分子材料的回收循環(huán)利用。

2.4生物循環(huán)

生物循環(huán)回收主要從源頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備生物可降解高分子材料，利用細(xì)菌、真菌和其他一些生物合成相關(guān)酶等微生物將其降解成小分子，從而實(shí)現(xiàn)生物循環(huán)回收?？梢?jiàn)，高分子材料可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)高價(jià)值的循環(huán)利用。循環(huán)利用也是解決資源和環(huán)境問(wèn)題最有效的處理方式，而垃圾分類(lèi)是實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的前提。因此，要在全社會(huì)大力推行垃圾分類(lèi)，摒棄亂丟亂棄廢棄塑料制品的行為，使高分子材料及其制品更好地服務(wù)于人們生活，促進(jìn)高分子材料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)入新世紀(jì)，人類(lèi)面臨著能源、資源的枯竭和環(huán)境污染的威脅。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，人們重新思考了高分子材料的生產(chǎn)、使用和浪費(fèi)與環(huán)境之間的關(guān)系。綠色高分子材料從生產(chǎn)到使用可節(jié)約能源和資源，減少?gòu)U物排放，減少環(huán)境污染和回收利用，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。高分子材料最終將通過(guò)綠色制造和循環(huán)利用而實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展。

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