將綠色高分子科學(xué)融入《高分子材料改性》課程的教學(xué)探索

＊李正秋 陳寶書

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 四川 610039）

1.引言

隨著全球環(huán)境問題的不斷加劇和可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，高分子材料領(lǐng)域?qū)τ诰G色和可持續(xù)性的關(guān)注日益增加。傳統(tǒng)的高分子材料改性方法常涉及使用有害物質(zhì)和高能耗的工藝，對環(huán)境造成負(fù)面影響。因此，將可持續(xù)高分子科學(xué)融入《高分子材料改性》課程成為一項(xiàng)重要的教學(xué)探索，通過教學(xué)探索培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識(shí)和可持續(xù)創(chuàng)新能力。

2.可持續(xù)高分子科學(xué)的基本原理和方法

可持續(xù)高分子科學(xué)是一門關(guān)注環(huán)境友好和可持續(xù)性發(fā)展的學(xué)科，旨在開發(fā)和應(yīng)用具有低環(huán)境穩(wěn)定性影響的高分子材料和相關(guān)技術(shù)。

(1)可再生資源的利用

可再生資源是指能夠在人類時(shí)間尺度內(nèi)持續(xù)補(bǔ)充和利用的資源，包括植物、動(dòng)物和微生物等生物資源，以及太陽能、風(fēng)能和水能等自然能源[1]。在可持續(xù)高分子科學(xué)中，利用可再生資源作為高分子材料的原料具有重要的意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

資源可持續(xù)性：與傳統(tǒng)的石油和煤炭等化石燃料相比，可再生資源具有可再生性和持續(xù)性的特點(diǎn)[2]。它們可以通過農(nóng)作物種植、森林管理和廢棄物回收等方式不斷補(bǔ)充，有助于減少對有限資源的依賴，保持自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

環(huán)境友好性：可再生資源的利用通常具有較低的環(huán)境影響。生物資源的生長過程能夠吸收二氧化碳，并在光合作用中釋放氧氣，有利于減少溫室氣體的排放。同時(shí)，可再生資源的開發(fā)和利用過程中較少產(chǎn)生有毒廢物和污染物，有利于減少對環(huán)境的負(fù)面影響。

可持續(xù)發(fā)展：利用可再生資源開發(fā)高分子材料有助于推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。通過引入可再生資源的概念，可以培養(yǎng)學(xué)生的可持續(xù)意識(shí)和創(chuàng)新能力，促進(jìn)綠色科技的發(fā)展和應(yīng)用，推動(dòng)高分子材料行業(yè)向可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型。

材料性能優(yōu)化：可再生資源可以提供多樣化的高分子材料原料，如生物聚合物、植物提取物和生物基復(fù)合材料等。這些材料在可降解性、可再生性、生物相容性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，有利于開發(fā)出具有良好性能和廣泛應(yīng)用前景的環(huán)保材料。

(2)循環(huán)經(jīng)濟(jì)思維方式

循環(huán)經(jīng)濟(jì)思維方式是一種強(qiáng)調(diào)資源的最大化利用和循環(huán)利用的理念，通過減少廢棄物的產(chǎn)生和促進(jìn)資源的再利用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的模式[3]。在高分子材料改性領(lǐng)域，采用循環(huán)經(jīng)濟(jì)思維方式可以減少資源的消耗和環(huán)境的負(fù)擔(dān)，具有重要的意義。以下是循環(huán)經(jīng)濟(jì)思維方式在高分子材料改性中的應(yīng)用。

材料的回收再利用：循環(huán)經(jīng)濟(jì)思維方式鼓勵(lì)對廢棄材料進(jìn)行回收和再利用。在高分子材料改性中，可以通過回收廢棄材料并將其重新加工成新的材料，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。例如，廢舊塑料瓶可以被回收再生產(chǎn)為新的塑料制品，減少了對原始原料的需求。

廢棄物的轉(zhuǎn)化利用：循環(huán)經(jīng)濟(jì)思維方式強(qiáng)調(diào)廢棄物的轉(zhuǎn)化利用，將廢棄物轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r(jià)值的產(chǎn)品或原材料。在高分子材料改性中，一些廢棄物或副產(chǎn)品可以被利用起來，通過合適的處理和改性方法轉(zhuǎn)化為新的材料。例如，農(nóng)業(yè)廢棄物可以被用于生產(chǎn)生物基聚合物，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的循環(huán)利用。

產(chǎn)品壽命周期的管理：循環(huán)經(jīng)濟(jì)思維方式注重產(chǎn)品的全生命周期管理，從原材料的選擇到產(chǎn)品的使用、回收和再利用，最大程度地延長產(chǎn)品的使用壽命和價(jià)值。在高分子材料改性中，可以通過設(shè)計(jì)和改進(jìn)材料的可降解性、可回收性和可再利用性，實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)使用，減少資源的浪費(fèi)。

產(chǎn)業(yè)鏈的閉環(huán)化：循環(huán)經(jīng)濟(jì)思維方式倡導(dǎo)建立完整的產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)資源在產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)。在高分子材料改性中，可以通過與不同環(huán)節(jié)的企業(yè)和機(jī)構(gòu)合作，建立從原料供應(yīng)到產(chǎn)品制造、回收和再生產(chǎn)的閉環(huán)系統(tǒng)，促進(jìn)資源的高效利用和循環(huán)利用。

(3)環(huán)境友好的合成方法

可持續(xù)高分子科學(xué)下環(huán)境友好的合成方法主要包括利用可再生資源、水相合成、生物催化合成、綠色交聯(lián)方法、可控/精確合成方法和微生物合成等，有助于減少對有限資源的依賴，降低能源消耗和環(huán)境污染，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展和綠色化的高分子材料研究。

水相合成：采用水作為溶劑或反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行高分子材料的合成。水是一種環(huán)境友好的溶劑，具有低毒性、可再生、易于處理等優(yōu)點(diǎn)。水相合成可以減少有機(jī)溶劑的使用，降低對環(huán)境的污染。

生物催化合成：利用酶或微生物作為催化劑，實(shí)現(xiàn)高分子材料的合成。生物催化合成具有高效、高選擇性和低能耗的特點(diǎn)，可以減少有機(jī)催化劑的使用，并且在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的廢物易于處理。

綠色交聯(lián)方法：采用綠色交聯(lián)劑進(jìn)行高分子材料的交聯(lián)改性。綠色交聯(lián)劑可以是天然產(chǎn)物或可再生資源，例如，通過使用纖維素衍生物或天然膠黏劑，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的高分子材料交聯(lián)。

可控/精確合成方法：利用可控/精確合成方法，如原子轉(zhuǎn)移自由基聚合、可控活性聚合、點(diǎn)擊化學(xué)等，可以合成具有預(yù)定義結(jié)構(gòu)和性能的高分子材料。這種方法可以減少副反應(yīng)產(chǎn)物的生成，降低能源消耗，并提高產(chǎn)品的一致性和性能。

微生物合成：利用微生物合成高分子材料。通過遺傳工程和代謝工程的手段，調(diào)控微生物合成途徑，實(shí)現(xiàn)高效合成高分子材料。微生物合成具有高效、可持續(xù)的特點(diǎn)，并且能夠利用廢棄物或低價(jià)原料。

3.《高分子材料改性》課程的教學(xué)探索

(1)案例研究和實(shí)踐項(xiàng)目

引入橡膠循環(huán)再生案例的研究和實(shí)踐項(xiàng)目，具體安排如下。

①橡膠廢料回收與再生技術(shù)研究：研究不同類型的橡膠廢料回收與再生技術(shù)，包括機(jī)械回收、物理回收、化學(xué)回收等方法。探索如何高效地將橡膠廢料轉(zhuǎn)化為可再生的橡膠材料，以實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

②再生橡膠材料的改性研究：通過引入不同的改性劑、填料或添加劑，對再生橡膠材料進(jìn)行改性，以提升其力學(xué)性能、耐磨性、耐老化性等特性。研究不同改性方法對再生橡膠材料性能的影響，并尋找最優(yōu)的改性方案。

③循環(huán)再生橡膠制品的設(shè)計(jì)與制備：研究設(shè)計(jì)循環(huán)再生橡膠制品的方法和原則，結(jié)合再生橡膠材料的特性，開發(fā)適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域的橡膠制品。例如，研究開發(fā)再生橡膠車胎、再生橡膠密封件等產(chǎn)品，并進(jìn)行制備和性能評估。

通過開展以上研究和實(shí)踐項(xiàng)目，可以深入了解橡膠循環(huán)再生的技術(shù)、改性方法、制品設(shè)計(jì)及環(huán)境和可持續(xù)性方面考量的一種塑料餐盒的原料上料裝置。這將為學(xué)生提供實(shí)踐操作和綜合能力培養(yǎng)的機(jī)會(huì)，并促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展理念在高分子材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

(2)可持續(xù)改性材料示范和討論

可持續(xù)改性的動(dòng)態(tài)交聯(lián)橡膠材料是指通過改性技術(shù)對橡膠材料進(jìn)行調(diào)整，使其能夠在特定條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交聯(lián)或可逆交聯(lián)，以提高材料的性能、延長使用壽命或?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。下面是一些可持續(xù)改性的動(dòng)態(tài)交聯(lián)橡膠材料的示范和討論。

自修復(fù)性橡膠材料：動(dòng)態(tài)交聯(lián)橡膠材料具有自修復(fù)能力，即在受損后可以自行修復(fù)和恢復(fù)原有性能[4]。這種材料通常通過引入自修復(fù)機(jī)制，如自修復(fù)化學(xué)鍵或自修復(fù)微膠囊等，實(shí)現(xiàn)材料的自動(dòng)修復(fù)，延長橡膠材料的使用壽命，減少資源消耗。

溫敏橡膠材料：動(dòng)態(tài)交聯(lián)橡膠材料還可以是溫敏的，即在特定溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)或解交聯(lián)[5]。這種材料可以根據(jù)溫度的變化調(diào)節(jié)材料的力學(xué)性能和形狀，具有形狀記憶效應(yīng)和可調(diào)控性，可應(yīng)用于智能材料和可調(diào)控器件。

可回收性橡膠材料：動(dòng)態(tài)交聯(lián)橡膠材料可以在特定條件下進(jìn)行解交聯(lián)，使材料可以回收和再利用[6]。這種特性可以降低廢棄物的產(chǎn)生，減少對原始橡膠資源的需求，并提高橡膠材料的可持續(xù)性。

高性能橡膠材料的可持續(xù)改性：動(dòng)態(tài)交聯(lián)技術(shù)可以改善橡膠材料的性能，如提升強(qiáng)度、耐磨性和耐化學(xué)性[7]。這使得橡膠材料在工程和工業(yè)應(yīng)用中具有更廣泛的應(yīng)用前景，并為可持續(xù)發(fā)展提供高性能解決方案。

以上示范和討論只是可持續(xù)改性的動(dòng)態(tài)交聯(lián)橡膠材料領(lǐng)域的一部分，實(shí)際上，動(dòng)態(tài)交聯(lián)橡膠材料的研究和應(yīng)用在汽車工業(yè)、電子行業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，我們期待看到更多可持續(xù)改性的動(dòng)態(tài)交聯(lián)橡膠材料的發(fā)展和應(yīng)用。以上的示范案例中，均需按照以下思路進(jìn)行課程引入。

①材料選擇和設(shè)計(jì)：在可持續(xù)改性高分子材料的生物循環(huán)中，選擇可再生資源作為材料的起始原料是至關(guān)重要的。例如，生物基聚合物（如生物可降解聚合物）可以從可再生資源如植物、纖維素或淀粉中獲得。此外，設(shè)計(jì)材料時(shí)應(yīng)考慮其在生物系統(tǒng)中的可降解性和可利用性，以確保材料在環(huán)境中能夠迅速分解并被生物吸收。

②生物降解性和分解性測試：為了驗(yàn)證可持續(xù)改性高分子材料的生物降解性和可分解性，需要進(jìn)行一系列的測試和評估。這些測試包括在模擬的環(huán)境條件下測定材料的降解速率、測定生物體內(nèi)材料的分解和代謝產(chǎn)物、評估材料對生物系統(tǒng)的毒性等。

③循環(huán)利用和再生：可持續(xù)改性高分子材料生物循環(huán)的關(guān)鍵目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)利用。可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，例如，回收和再生材料、將材料轉(zhuǎn)化為其他有用的產(chǎn)物、通過生物降解將材料還原為其原始組成成分等。這樣的循環(huán)利用過程有助于減少對原始材料的需求和廢棄物的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的材料生產(chǎn)。

④環(huán)境影響評估：在進(jìn)行可持續(xù)改性高分子材料的生物循環(huán)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行全面的環(huán)境影響評估。這包括評估材料的生命周期，從原料采集、制造、使用階段到最終處置的影響。通過評估材料在不同環(huán)節(jié)的環(huán)境影響，可以確定改進(jìn)和優(yōu)化的方向，以減少對環(huán)境的負(fù)面影響。

通過在可持續(xù)改性高分子材料的生物循環(huán)中采取上述措施，可以實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的材料生產(chǎn)和使用，減少資源消耗和環(huán)境污染，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。這對于解決目前的可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)具有重要意義，并有助于推動(dòng)綠色高分子科學(xué)融入《高分子材料改性》課程的教學(xué)創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。

4.結(jié)論

可持續(xù)高分子科學(xué)教育在《高分子材料改性》課程中的未來發(fā)展方向?qū)⒆⒅鼐G色化學(xué)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)能源應(yīng)用、多學(xué)科融合和實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。這些方向的發(fā)展將幫助學(xué)生培養(yǎng)可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和技能，使他們能夠在高分子材料領(lǐng)域中做出貢獻(xiàn)，推動(dòng)構(gòu)建可持續(xù)社會(huì)。通過教育的引導(dǎo)和培養(yǎng)，我們期待未來的科學(xué)家和工程師能夠更好地應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)，推動(dòng)高分子材料的可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用。