讓塑料和我們的生活更相宜

■甘 覽 黃 正

塑料是由高分子聚合物加入適當?shù)奶砑觿┖髽?gòu)成的。 從合成方式上區(qū)分，有的聚合物是小的片段（單體）直接手拉著手連接在一起的，這些聚合物稱之為加聚聚合物；還有的聚合物在手拉手的過程中，會排出水等小分子，這些聚合物稱之為縮聚聚合物（見圖1）。 當前大部分的塑料都是通過人工合成得到的。

圖1 聚合物反應

塑料廣泛存在于人們衣食住行所使用的物質(zhì)中（見圖2）。 當你翻開衣服的面料成分表時，你會看到一部分叫作滌綸的材料。滌綸是一種聚酯纖維，又叫PET，學名聚對苯二甲酸乙二醇酯。它是由對苯二甲酸和乙二醇縮聚而來的，由于其具有著非常好的力學性能，被廣泛的應用在衣服面料之上。 除此之外，由于其透明度高，常見的礦泉水瓶、飲料瓶都是由PET 組成的。

圖2 人類衣食住行所涉及的塑料產(chǎn)品

當你打開手機App 點了一份外賣，熱騰騰的飯盒里飄出誘人的香味之時，你可能不會注意到包裝食物的飯盒也是一種塑料產(chǎn)品。老式的發(fā)泡飯盒就是由聚苯乙烯（PS）組成的。聚苯乙烯易加工成型，適合大量生產(chǎn)，曾是一次性飯盒最重要的原材料。 當前一次性飯盒多用聚丙烯（PP）制造。

當你忙碌了一天的學習和工作，走進小區(qū)看到外墻懸掛的一根根排水管道時，你有沒有想過其實它們也是由塑料組成的。這種塑料稱為聚氯乙烯（PVC），它一度是世界上產(chǎn)量最大的通用塑料，由于具有著非常好的機械性能、介電性能和非常高的抗沖擊強度，在很多建筑材料上有著廣泛的用途。

當你走出家門，拿起口罩時，沒錯，你又遇上了塑料，這就是聚丙烯（PP）。 聚丙烯熔噴布是N95 口罩最重要的組成原料，聚丙烯的安全無毒加上熔噴布的過濾能力，在疫情期間，為廣大的醫(yī)療一線工作者和普通市民提供了安全保障。

另一類常見的高分子材料是聚乙烯塑料。聚乙烯（PE）是全球產(chǎn)量最大的一種塑料，大部分塑料袋、吸管、保鮮膜都是由聚乙烯組成的，農(nóng)民使用的農(nóng)用膜和一些醫(yī)用材料都有聚乙烯的身影。

可見，塑料已經(jīng)成為國民經(jīng)濟和人們衣食住行中不可缺少的基本物質(zhì)，被廣泛應用于日常生活、交通運輸、國防軍工等諸多領域。 塑料如此受歡迎，是因為其具有質(zhì)輕、易加工、耐腐蝕等優(yōu)點。 目前塑料年產(chǎn)約3.6 億噸，超過了大多數(shù)其他人造材料，而且年產(chǎn)量在不斷增長。 在幫助建立現(xiàn)代世界、方便人們生活的同時，塑料的使用也造成了重大的環(huán)境和資源問題：絕大多數(shù)的塑料源于石化資源且難以自然降解，在人類至今生產(chǎn)的90 億噸塑料中，約2/3 成為廢棄物，不僅造成資源浪費，而且導致碳排放和“白色污染”等全球共性問題（見圖3）。

圖3 生活中隨處可見的塑料垃圾

塑料污染所產(chǎn)生的這些涉及生態(tài)、環(huán)境、資源等影響社會可持續(xù)發(fā)展的一系列問題已得到社會高度關注。2019年聯(lián)合國環(huán)境大會將塑料污染稱為“需要全球關注的問題”，同年，BP、Exxon Mobil、BASF、中石化等近30家跨國公司組成的“終結(jié)塑料垃圾聯(lián)盟”，致力于開發(fā)全新方案解決塑料垃圾問題。 2020年，發(fā)改委和生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布了《發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部關于進一步加強塑料污染治理的意見》。 2021年以來，全國各地禁塑令集體升級，超市和大型商場不再使用不可降解塑料袋，連喝飲料的吸管也變成了可降解材料。

與此同時，生物學家和化學家也在自己的領域發(fā)揮作用。 在生物科學方面，許多科學家研究著塑料的生物降解過程，發(fā)現(xiàn)了能夠降解塑料的生物和酶，取得了顯著的進展。 而塑料作為化學合成的產(chǎn)物，化學家們也在探索著白色污染的解決方案。

可降解塑料是解決白色污染的一種可行途徑。 正如前文所說，當超市和奶茶店不再提供不可降解塑料制成的包裝袋和吸管時，一大批可降解塑料占領了人們眼球。 就目前而言，使用最廣泛的可降解塑料主要有聚乳酸（PLA）、己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物（PBAT）等。 這類塑料在堆肥的條件下，在數(shù)月時間內(nèi)可以降解成二氧化碳和水（見圖4）。

圖4 可降解聚合物PLA 和PBAT

可以預期，可降解塑料的產(chǎn)能將不斷擴大，然而以三大聚烯烴（PE、PP、PS）為代表的聚烯烴塑料，在性能和成本上仍然具有著相當大的優(yōu)勢。 作為非生物降解的通用塑料，被丟棄后在自然界可以長期存在，構(gòu)成“白色污染”的主體。 因此，開發(fā)高效化學回收技術，將聚烯烴廢塑料降解和轉(zhuǎn)化為清潔燃油和單體，甚至重要精細化學品和功能材料已成為亟待解決的挑戰(zhàn)性問題。 傳統(tǒng)高溫裂解方法條件苛刻，易結(jié)焦、選擇性差，產(chǎn)生了包含氣、油、蠟、焦的復雜混合物，產(chǎn)物利用價值低。 最近國內(nèi)外科學家通過微波等離子體高溫碳化技術，在數(shù)秒內(nèi)將不可降解塑料轉(zhuǎn)化為高度石墨化的碳，同時產(chǎn)生氫氣和多種含碳氣體。 上海有機所的黃正團隊另辟蹊徑，通過“交叉烷烴復分解”方法，實現(xiàn)了在相對溫和的條件下（175℃）聚乙烯的可控降解。 首先聚乙烯和碳鏈較短的輕質(zhì)烷烴在烷烴脫氫催化劑的作用下變成烯烴， 其在烯烴復分解催化劑作用下發(fā)生一個類似交換舞伴的過程進行重組，隨后生產(chǎn)的烯烴又被催化劑氫化生成烷烴。 在整個過程中，大分子量的聚乙烯和小分子量的輕質(zhì)烷烴的分子量發(fā)生了平均化，聚乙烯的分子量變小而輕質(zhì)烷烴分子量變大，隨著這個過程的不斷循環(huán)，聚乙烯最終得以降解為液態(tài)燃油或者聚乙烯蠟的組分（見圖5、圖6）。 雖然該方法效率還有待提升，但是其在降解產(chǎn)物的選擇性控制，以及產(chǎn)物后續(xù)利用上具有一定的特點。 不失為在塑料可控降解中的一種值得繼續(xù)探索的方法和路徑。

圖5 通過烷烴復分解的聚乙烯降解過程

圖6 交換舞伴式的烯烴復分解過程

塑料作為二十世紀最偉大的發(fā)明之一，為人類的生活帶來了極大的便利。 塑料對于建立一個更具可持續(xù)發(fā)展的未來社會具有至關重要的作用，例如，塑料被廣泛用于家庭隔熱，減少了能源消耗；相比較于傳統(tǒng)油氣車，電動汽車可以使用更多的輕質(zhì)塑料來替代金屬部件；塑料是水凈化系統(tǒng)中必不可少的活性層；無人機、機器人、個性化醫(yī)療和診斷等未來技術領域都依賴于更好的塑料材料的開發(fā)。 無疑， 塑料的使用造成了重大的環(huán)境挑戰(zhàn)。 但是人們必須意識到塑料本身并不是問題，真正的問題在于使用它的方法和人們對待它的態(tài)度。 人們需要減少一次性塑料的使用，需要提高塑料制品使用的次數(shù)，需要健全塑料的分類、回收再利用機制。 只有這樣，才可以讓塑料更好地為人類生活服務。

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