高分子材料绿色制造与可持续发展

于立坤

摘要：随着开发利用石化资源带来的环境污染问题日益突出，传统合成高分子材料受到越来越多的限制，开发和利用绿色环保的天然高分子材料成为发展的新趋势。因此，高分子材料领域掀起了一股绿色浪潮，长期以来，化学工业在人类社会的进步中扮演着重要的角色。同时，化学过程对环境造成严重的环境污染。为实现社会的可持续发展，21世纪化工行业将通过自身产业结构调整，研发“环保型”化工产业。“绿色技术”已成为21世纪化学和化学技术研究的热点和重要的科技前沿。使用绿色高分子材料不仅可以减少浪费量，节约能源，减少污染，还能方便人们的生活。本文从高分子材料的原料（单体）、催化剂、合成加工过程以及循环回收等角度综述了高分子材料绿色制造与可持续发展领域的研究现状。

关键词：高分子材料;绿色制造;可持续发展

引言

高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已经广泛应用于航空、航天、交通运输、生物医学等领域，成为国民经济基础产业以及国家安全的重要保证。我国是世界高分子产品制造第一大国，并拥有全球最大的消费市场。高分子制造产业关联度大、综合性强，在国民经济体系中具有不可或缺的重要地位。与其他工业制品一样，大规模生产的高分子材料制品在生产和使用中也必然出现大量废弃物。本文从高分子材料的原料（单体）、催化剂、合成加工过程以及循环回收等角度综述了高分子材料绿色制造与可持续发展领域的研究现状，如图1。

图1 绿色高分子材料

1绿色高分子材料的研制

1.1开发“原子经济”反应

斯坦福大学的教授提出了原子经济的概念，即少数原子的原料分子被转化为产品。理想的原子经济反应是，原子在100%的原料分子中成为产品，不产生副产品或废物，实现浪费的“零排放”。因此，这一过程具有良好的工业前景，这一方法的缺点是过氧化氢成本高，缺乏可能的经济竞争力。我国也克服了这些缺陷，发展了绿色生产工艺。

1.2采用无毒无害的原料

对于进一步转化为必要功能组合反应的中间体，高毒性氢气体和氢氰酸继续被用作生产现代劳动力的原料。利用双酚A和二甲基碳酸氢聚合物在熔融状态下生产聚碳酸酯的新技术研发，取代了传统的光气体合成途径，同时实现了两个绿色化学目标：一是不使用有毒有害原料，由于在熔融状态下反应，未使用可疑的致癌物的甲基氯化物作为溶剂。此外，开发了一种通过异苯丙烯生产甲基丙烯酸酯的新合成途径，取代了以往基于丙酮和氢氰化物的氰化丙酮方法。

1.3利用可再生资源合成化学品

目前广泛使用的生物原料代替石油是保护环境的长期方向。生物原料主要由淀粉和纤维素组成，容易转化为葡萄糖，后者由于木质素的结晶和共存，更难通过纤维素转化为葡萄糖。以葡萄糖为原料的盐酸技术取得重大进展，该技术通过酶反应产生去甲酸、邻苯二甲酸和酚类，特别是不需要苯作为尼龙原料生产的技术。由于苯是已知的致癌物质，从大量的合成有机原料中去除苯是一种绿色的化学标记，在经济和技术上是可行的竞争。此外，主动使用生物或农业废物（如合成聚葡萄糖）生产新型聚合物，一系列具有天然产品、绿色涂层和制备多种耐水性再生纤维素环境材料的可互穿网络聚合物。特别注意，因为它可以同时解决若干环境问题。其优点是聚合物原料的单体无害，生物催化转化方法优于传统的聚合物方法。

1.4仿酶催化

在当前绿色高分子材料的研究课题中，"催化剂"是研究的热点之一，值得进一步关注和加强。酶是一种有效的、一体式、轻度和显著条件的生物催化分子，但天然酶来源有限，难以纯化，实际应用仍存在许多问题。开发具有相似性甚至优于酶功能的人工酶已成为当代化学和仿生科学领域的重要课题之一。模拟酶是从天然酶筛选出具有一定导电作用的因素，设计出不仅能表现出酶功能，而且比非蛋白质分子或分子酶更简单、更稳定的合成设计，模拟表面酶鉴定、结合和催化，开发出一些具有绿色聚合物特性的新的合成反应或方法。显然，催化剂不仅具有酶催化剂和化学催化剂的特点，而且是实现绿色高分子材料目标的直接而有效的方法。

1.5材料的再生循环技术

材料回收技术是指多次回收再利用材料的过程。开发一种通过分解回收盐酸的新工艺，其中生产的盐酸可以用作生产新PVC的原料，日本富士资源回收公司使用催化剂通过热分解磨削工艺，使废乙烯、聚丙烯等聚烯烃塑料转化为燃料，这种塑料产生煤油或柴油，处理废塑料的成本低廉。

2高分子材料循环利用

2.1物理循环

物理循环中最常见的回收方式为机械回收。该回收过程包括几个关键步骤：收集、分类、减小尺寸和清洁，进一步分离和干燥，通过熔融加工再利用。性能降低后的再生料还可以通过进一步的物料改性或化学改性来提高其性能。物理回收是最环保也最经济的回收方法。几乎所有的热塑性塑料都可以采用这种方法加以再生利用。例如，食品级聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）饮料瓶物理回收后可生产纤维制品加以利用。虽然物理回收可以实现废弃塑料的简单再生利用，但是该方法也存在着一定的局限性，再利用的高分子材料往往会失去原来高分子的一些性能，例如透明度及機械性能等。由于机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决于原始高分子原料的纯度，因此由单一高分子组成的硬质塑料瓶的机械回收比那些多组分高分子材料包装更简单，更经济。从高分子材料循环利用的角度出发，应该大力提倡采用单一树脂制造产品。

2.2化学循环

化学循环回收是将高分子材料选择性解聚为低分子量化学产品（单体，低聚物），可再聚合为原始产品或转化为其他化学品的用途的方法，具有潜在的吸收和循环大量废弃高分子材料的潜力，已引起越来越多的科学和商业关注。化学循环回收可以分为溶剂解聚技术和热分解技术两类。

2.3能量循环

裂解是实现高分子能量循环最重要的技术。裂解主要是在高温下使高分子链发生断裂，由于温度不同，从而制备得到不同链长的石蜡、汽油、柴油以及一些裂解气等化工产品。废弃塑料裂解制备油和气的技术可靠、原料来源广泛、环保安全，且具有很好的经济效益，可实现废弃高分子材料的回收循环利用。

2.4生物循环

生物循环回收主要从源头进行结构设计制备生物可降解高分子材料，利用细菌、真菌和其他一些生物合成相关酶等微生物将其降解成小分子，从而实现生物循环回收。可见，高分子材料可以通过多种方式实现高价值的循环利用。循环利用也是解决资源和环境问题最有效的处理方式，而垃圾分类是实现循环利用的前提。因此，要在全社会大力推行垃圾分类，摒弃乱丢乱弃废弃塑料制品的行为，使高分子材料及其制品更好地服务于人们生活，促进高分子材料产业的健康发展。

结束语

进入新世纪，人类面临着能源、资源的枯竭和环境污染的威胁。随着科学技术的发展和生活质量的提高，人们重新思考了高分子材料的生产、使用和浪费与环境之间的关系。绿色高分子材料从生产到使用可节约能源和资源，减少废物排放，减少环境污染和回收利用，越来越受到人们的关注。高分子材料最终将通过绿色制造和循环利用而实现持续发展。

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