綠色高分子材料的研制與應(yīng)用分析

王 全

（內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市青山區(qū)包頭市檢驗檢測中心，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

引言

高分子材料種類具有多樣性，并且具有加工方便、質(zhì)量輕且產(chǎn)品美觀度較高等特征，備受人們的關(guān)注，并且在各行業(yè)中得到廣泛地運(yùn)用，除了在生活中運(yùn)用率較高，在高精尖技術(shù)專業(yè)領(lǐng)域中也需要高分子材料作為支撐。高分子材料加工期間與其產(chǎn)生的廢棄物均會加速環(huán)境惡化進(jìn)程，所以使用綠色化高分子材料是必然趨勢。高分子綠色化主要可包括綠色高分子材料合成與應(yīng)用，象征可降解高分子材料的合成與使用及其環(huán)境穩(wěn)定高分子材料的回收、循環(huán)使用；而高分子綠色合成則象征高分子合成無害化與對環(huán)境的友好性?；诖?，本文就綠色高分子材料研制、應(yīng)用方面進(jìn)行分析，內(nèi)容如下。

1 綠色高分子材料的研制

1.1 “原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng)開發(fā)

理想型“原子經(jīng)濟(jì)”反應(yīng)是原料分子中的原子能夠完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，并且不會生成廢棄物，達(dá)到原料百分百利用率與廢物“零排放”的效果。例如聚氨酯泡沫塑料重要的生產(chǎn)原料包含環(huán)氧丙烷，兩步反應(yīng)氯醇法是傳統(tǒng)使用方式中最常見的，此方案不但會生成危險性較高的氯氣，并且還會生成大量含氯化鈣的廢水，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到極大的干擾?，F(xiàn)今，國內(nèi)外均在開發(fā)“原子經(jīng)濟(jì)”新方法，包括鈦硅分子篩上催化過氧化氫、氧化丙烯制環(huán)氧丙烷等，此方式中采用TS-1 分子篩作為催化劑，溫度控制在50 ℃以下，壓力不超過0.1 MPa，可獲得安全氧源。同時，環(huán)氧丙烷具有較高的選擇性，其反應(yīng)后生成水，消耗少且不會生成污染，原子利用率最高可達(dá)77%，所以具有較好的工業(yè)化前景；但是此方式仍然伴有一定的缺陷，原材料中雙氧水價格高昂，無法展示其競爭優(yōu)勢。伴隨著我國化工生產(chǎn)技術(shù)水平提升，此類缺點(diǎn)正是重點(diǎn)解決的問題，逐步地開發(fā)出綠色生產(chǎn)工藝。高分子化學(xué)家強(qiáng)調(diào)：綠色反應(yīng)主要包括無副產(chǎn)物、副產(chǎn)物無害處理、反應(yīng)條件對環(huán)境無害、催化劑無害四個部分，所以在生產(chǎn)綠色高分子材料時需要重點(diǎn)關(guān)注上述四點(diǎn)內(nèi)容，才能實現(xiàn)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益雙豐收[1]。

1.2 運(yùn)用無毒無害的原材料

原材料中采用毒性較強(qiáng)的氫氰酸、光氣等，能夠讓中間體順利地轉(zhuǎn)變?yōu)楸匦璧姆磻?yīng)性基團(tuán)、官能團(tuán)。但是為了確保機(jī)體使用健康性，更加推崇使用無害、無毒的原料進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。目前，在熔融情況下采用碳酸二甲酯、雙酚A 聚合完成聚碳酸酯的新技術(shù)，其可代替?zhèn)鹘y(tǒng)光氣合成方式，并且使用無毒無害原材料，不會采用甲基氯化物，能夠使生產(chǎn)過程和使用期間安全性得到保障。

1.3 采用可再生資源合成化學(xué)品

石油在工業(yè)生產(chǎn)中的使用，會生成大量的廢棄物，導(dǎo)致環(huán)境被污染。而生物原料則能夠彌補(bǔ)這一缺陷，是環(huán)境保護(hù)的重要導(dǎo)向。上世紀(jì)90 年代，M.Holtzapple 教授將廢棄生物原料轉(zhuǎn)化為工業(yè)化學(xué)品、燃料、動物飼料。生物原料主要組成部分包含纖維素、淀粉等，淀粉能轉(zhuǎn)化為葡萄糖，而纖維素與葡萄糖的轉(zhuǎn)化具有較高的難度?，F(xiàn)目前已有技術(shù)中，葡萄糖經(jīng)過酶反應(yīng)后能夠獲得對苯二酚等物質(zhì)，但是苯對機(jī)體的傷害是眾所周知的，所以去除苯是能夠提升綜合競爭力的關(guān)鍵。而生物廢物、農(nóng)業(yè)廢物制作新型聚合物也得到社會的重點(diǎn)關(guān)注，其不但可達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的，并且還能實現(xiàn)無害化，可減少白色污染的生成，減少對環(huán)境生成的壓力[2]。

1.4 仿酶催化

酶作為生物高分子的一類，其催化反應(yīng)得到矚目，具有專一性、高效性及條件溫和的特征，但是純天然酶較為罕見，并且制作壓力較大且敏感易變，在使用期間仍然存在諸多不足之處需要解決。人工酶是與純天然酶極為相似的物質(zhì)，其主要來源于天然酶，從中篩選出活性中心結(jié)構(gòu)等因素，聯(lián)同底物生成協(xié)同效應(yīng)，能夠發(fā)揮酶的優(yōu)異能力，并且制作難度較小，穩(wěn)定性較高，人工酶可發(fā)揮較好的結(jié)合、催化與對底物識別作用，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色高分子目標(biāo)。

1.5 材料的再生循環(huán)技術(shù)

合理運(yùn)用材料并將其進(jìn)行回收再利用，是材料的再生循環(huán)技術(shù)，是值得關(guān)注的一項技術(shù)。德國科學(xué)家基于再生循環(huán)技術(shù)觀念，開發(fā)出裂解PVC 回收鹽酸新工藝，并且將其作為生產(chǎn)PVC 的原料。而日本公司采用粉碎、加熱、分解等程序，讓PE 或者PP 等材料向燃料油轉(zhuǎn)變，能夠讓廢棄物的處理成本進(jìn)一步降低。

2 綠色高分子材料的應(yīng)用

2.1 光降解塑料

于日光暴曬后出現(xiàn)劣化分解反應(yīng)并讓材料喪失機(jī)械強(qiáng)度，被稱為光降解，其實際上也是快速光老化的主要表現(xiàn)。光降解塑料的制作方式主要有兩種，包括共聚光敏單體和普通聚合物、添加光敏劑，譬如，烯烴類單體、乙烯基甲基酮共聚后能夠產(chǎn)生包括聚丙烯等多種聚合物?，F(xiàn)目前，針對光降解的使用方式仍然處于眾說紛紜階段，部分學(xué)者認(rèn)為光降解后部分化合物會被土壤所吸收，參與自然界循環(huán)中，而部分物質(zhì)會遍布于土壤、地面，若無法使其降解或者轉(zhuǎn)化，則可能會引發(fā)更加嚴(yán)重的污染情況，對于環(huán)境污染造成的危險更高。存在報道資料證實，聚合物中含有金屬螯合物光敏劑等，會讓生物降解碎片盡可能地完成降解工作，并可將其運(yùn)用于垃圾袋等一次性產(chǎn)品中。

2.2 生物降解塑料

2.2.1 淀粉塑料

生物降解塑料中主要可包含淀粉、纖維素等天然多糖類物質(zhì)，其自身屬于擁有較高穩(wěn)定性的化學(xué)結(jié)構(gòu)，所以在工業(yè)生產(chǎn)中具有顯著的作用，其中占比最高的為淀粉類。研究顯示，淀粉的接枝聚合物加入淀粉作為相容劑，能夠提升親水性淀粉、樹脂的包容性，包括磷酸鹽、丙烯酸丁酯。

2.2.2 合成降解塑料

除開淀粉塑料，還存在其他能夠完全被降解的合成塑料。應(yīng)用頻率較高的為PLA（人工合成的可生物降解的熱塑性脂肪族聚酯）等，PLA 能夠讓在羥基、羧基在特定的狀態(tài)下，經(jīng)脫水后形成。且高分子PLA 具有較強(qiáng)的機(jī)械性，可符合醫(yī)療材料需求并被機(jī)體吸收分解的速度快，能夠提升肢體恢復(fù)速度，可運(yùn)用于手術(shù)縫合線、植入片中，在臨床得到關(guān)注和重視。PHB（微生物合成的聚羥基丁酸酯）是另一種合成塑料，其主要是通過氧狀態(tài)下真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌用糖發(fā)酵獲取的聚酯，性能類似于PP，屬于可完全降解的物質(zhì)，現(xiàn)目前主要運(yùn)用于日常一次性剃刀等產(chǎn)品生產(chǎn)中[3]。

3 綠色高分子材料未來展望

綠色化學(xué)得到重視并逐漸發(fā)展的時間不超過10年，現(xiàn)目前已得到眾多學(xué)者和社會的重視。因傳統(tǒng)工業(yè)更新升級是一個漫長的過程，需要投入大量人力和物力，所以短時間內(nèi)期望新工藝替換傳統(tǒng)工藝，采用綠色高分子產(chǎn)品替換傳統(tǒng)高分子產(chǎn)品的難度較高。因此，在綠色高分子發(fā)展、生產(chǎn)和運(yùn)用期間，需要重視下述幾點(diǎn)問題：一方面需要考慮用戶的要求，關(guān)注產(chǎn)品材料的性能；一方面需要關(guān)注綠色環(huán)保，減少資源、能源損耗，減少廢棄物排放量，重視對環(huán)境的保護(hù)工作，避免過分追求利益的觀念出現(xiàn)；高分子產(chǎn)品設(shè)計時，需要關(guān)注到產(chǎn)品與環(huán)境的協(xié)調(diào)作用，需要將生產(chǎn)設(shè)計與廢棄物循環(huán)利用，減少環(huán)境污染相結(jié)合；強(qiáng)調(diào)社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，重點(diǎn)關(guān)注科學(xué)技術(shù)效益，能夠讓高分子產(chǎn)品順應(yīng)時代可持續(xù)發(fā)展的步伐。伴隨著綠色化學(xué)觀念在工業(yè)生產(chǎn)中不斷深入，人們對于綠色高分子認(rèn)識度和重視度也得到提升，其未來趨勢可能為：彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝不足之處，使用綠色環(huán)保的材料，并且減少廢棄物生成，實現(xiàn)材料的可持續(xù)循環(huán)利用，與環(huán)境保持協(xié)調(diào)關(guān)系；創(chuàng)新高效生產(chǎn)技術(shù)。使得高分子材料的發(fā)展更加趨向于精細(xì)化、功能化、高性能化，具有更強(qiáng)的科學(xué)性；優(yōu)化綠色高分子設(shè)計，通過實際用品使用途徑，完成高分子可降解設(shè)計；實現(xiàn)循環(huán)再生利用，讓高分子材料產(chǎn)生的廢棄物能夠得到循環(huán)利用，將廢棄物變?yōu)閷毼铮坏軌蛱嵘?jīng)濟(jì)效益，同時還能達(dá)到資源回收利用的目的。

4 結(jié)語

現(xiàn)目前，國家強(qiáng)調(diào)提升各企業(yè)、社會組織的環(huán)保意識，綠色化學(xué)也逐漸蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)目前，針對綠色高分子材料的生產(chǎn)運(yùn)用已代替?zhèn)鹘y(tǒng)高分子生產(chǎn)技術(shù)，以其環(huán)保、綠色的優(yōu)勢性，不僅能夠讓生活環(huán)境得到優(yōu)化，同時還能節(jié)約能源，減少排放，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，因此可大力推廣運(yùn)用，將高分子材料變廢為寶，從而提升資源再生利用率。