高分子材料綠色制造與可持續發展

于立坤

摘要：隨著開發利用石化資源帶來的環境污染問題日益突出，傳統合成高分子材料受到越來越多的限制，開發和利用綠色環保的天然高分子材料成為發展的新趨勢。因此，高分子材料領域掀起了一股綠色浪潮，長期以來，化學工業在人類社會的進步中扮演著重要的角色。同時，化學過程對環境造成嚴重的環境污染。為實現社會的可持續發展，21世紀化工行業將通過自身產業結構調整，研發“環保型”化工產業?！熬G色技術”已成為21世紀化學和化學技術研究的熱點和重要的科技前沿。使用綠色高分子材料不僅可以減少浪費量，節約能源，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、合成加工過程以及循環回收等角度綜述了高分子材料綠色制造與可持續發展領域的研究現狀。

關鍵詞：高分子材料;綠色制造;可持續發展

引言

高分子材料是現代工業和高新技術的重要基石，已經廣泛應用于航空、航天、交通運輸、生物醫學等領域，成為國民經濟基礎產業以及國家安全的重要保證。我國是世界高分子產品制造第一大國，并擁有全球最大的消費市場。高分子制造產業關聯度大、綜合性強，在國民經濟體系中具有不可或缺的重要地位。與其他工業制品一樣，大規模生產的高分子材料制品在生產和使用中也必然出現大量廢棄物。本文從高分子材料的原料（單體）、催化劑、合成加工過程以及循環回收等角度綜述了高分子材料綠色制造與可持續發展領域的研究現狀，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開發“原子經濟”反應

斯坦福大學的教授提出了原子經濟的概念，即少數原子的原料分子被轉化為產品。理想的原子經濟反應是，原子在100%的原料分子中成為產品，不產生副產品或廢物，實現浪費的“零排放”。因此，這一過程具有良好的工業前景，這一方法的缺點是過氧化氫成本高，缺乏可能的經濟競爭力。我國也克服了這些缺陷，發展了綠色生產工藝。

1.2采用無毒無害的原料

對于進一步轉化為必要功能組合反應的中間體，高毒性氫氣體和氫氰酸繼續被用作生產現代勞動力的原料。利用雙酚A和二甲基碳酸氫聚合物在熔融狀態下生產聚碳酸酯的新技術研發，取代了傳統的光氣體合成途徑，同時實現了兩個綠色化學目標：一是不使用有毒有害原料，由于在熔融狀態下反應，未使用可疑的致癌物的甲基氯化物作為溶劑。此外，開發了一種通過異苯丙烯生產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品

目前廣泛使用的生物原料代替石油是保護環境的長期方向。生物原料主要由淀粉和纖維素組成，容易轉化為葡萄糖，后者由于木質素的結晶和共存，更難通過纖維素轉化為葡萄糖。以葡萄糖為原料的鹽酸技術取得重大進展，該技術通過酶反應產生去甲酸、鄰苯二甲酸和酚類，特別是不需要苯作為尼龍原料生產的技術。由于苯是已知的致癌物質，從大量的合成有機原料中去除苯是一種綠色的化學標記，在經濟和技術上是可行的競爭。此外，主動使用生物或農業廢物（如合成聚葡萄糖）生產新型聚合物，一系列具有天然產品、綠色涂層和制備多種耐水性再生纖維素環境材料的可互穿網絡聚合物。特別注意，因為它可以同時解決若干環境問題。其優點是聚合物原料的單體無害，生物催化轉化方法優于傳統的聚合物方法。

1.4仿酶催化

在當前綠色高分子材料的研究課題中，"催化劑"是研究的熱點之一，值得進一步關注和加強。酶是一種有效的、一體式、輕度和顯著條件的生物催化分子，但天然酶來源有限，難以純化，實際應用仍存在許多問題。開發具有相似性甚至優于酶功能的人工酶已成為當代化學和仿生科學領域的重要課題之一。模擬酶是從天然酶篩選出具有一定導電作用的因素，設計出不僅能表現出酶功能，而且比非蛋白質分子或分子酶更簡單、更穩定的合成設計，模擬表面酶鑒定、結合和催化，開發出一些具有綠色聚合物特性的新的合成反應或方法。顯然，催化劑不僅具有酶催化劑和化學催化劑的特點，而且是實現綠色高分子材料目標的直接而有效的方法。

1.5材料的再生循環技術

材料回收技術是指多次回收再利用材料的過程。開發一種通過分解回收鹽酸的新工藝，其中生產的鹽酸可以用作生產新PVC的原料，日本富士資源回收公司使用催化劑通過熱分解磨削工藝，使廢乙烯、聚丙烯等聚烯烴塑料轉化為燃料，這種塑料產生煤油或柴油，處理廢塑料的成本低廉。

2高分子材料循環利用

2.1物理循環

物理循環中最常見的回收方式為機械回收。該回收過程包括幾個關鍵步驟：收集、分類、減小尺寸和清潔，進一步分離和干燥，通過熔融加工再利用。性能降低后的再生料還可以通過進一步的物料改性或化學改性來提高其性能。物理回收是最環保也最經濟的回收方法。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，食品級聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）飲料瓶物理回收后可生產纖維制品加以利用。雖然物理回收可以實現廢棄塑料的簡單再生利用，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失去原來高分子的一些性能，例如透明度及機械性能等。由于機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塑料瓶的機械回收比那些多組分高分子材料包裝更簡單，更經濟。從高分子材料循環利用的角度出發，應該大力提倡采用單一樹脂制造產品。

2.2化學循環

化學循環回收是將高分子材料選擇性解聚為低分子量化學產品（單體，低聚物），可再聚合為原始產品或轉化為其他化學品的用途的方法，具有潛在的吸收和循環大量廢棄高分子材料的潛力，已引起越來越多的科學和商業關注。化學循環回收可以分為溶劑解聚技術和熱分解技術兩類。

2.3能量循環

裂解是實現高分子能量循環最重要的技術。裂解主要是在高溫下使高分子鏈發生斷裂，由于溫度不同，從而制備得到不同鏈長的石蠟、汽油、柴油以及一些裂解氣等化工產品。廢棄塑料裂解制備油和氣的技術可靠、原料來源廣泛、環保安全，且具有很好的經濟效益，可實現廢棄高分子材料的回收循環利用。

2.4生物循環

生物循環回收主要從源頭進行結構設計制備生物可降解高分子材料，利用細菌、真菌和其他一些生物合成相關酶等微生物將其降解成小分子，從而實現生物循環回收?？梢?，高分子材料可以通過多種方式實現高價值的循環利用。循環利用也是解決資源和環境問題最有效的處理方式，而垃圾分類是實現循環利用的前提。因此，要在全社會大力推行垃圾分類，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于人們生活，促進高分子材料產業的健康發展。

結束語

進入新世紀，人類面臨著能源、資源的枯竭和環境污染的威脅。隨著科學技術的發展和生活質量的提高，人們重新思考了高分子材料的生產、使用和浪費與環境之間的關系。綠色高分子材料從生產到使用可節約能源和資源，減少廢物排放，減少環境污染和回收利用，越來越受到人們的關注。高分子材料最終將通過綠色制造和循環利用而實現持續發展。

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