(精品)环境材料论文 新型环境材料——玉米塑料

新型环境材料玉米塑料摘要关键词伴随着社会发展、科技进步的同时，人类活动对环境造成越来越严重的影响，这与现在所倡导的可持续发展原则相违背。材料是人类赖以生存和生产的物质基础，新材料的不断出现和应用是人类文明进步的重要标志之一。随着科学技术的发展，高质量、高性能的新材料不断出现。但是由于对质量和性能的片面追求，伴随着材料的提取、制备、生产制造、使用和废弃过程，耗费了大量的资源、能源，并排放出大量的废气、废水和废渣。各种统计数据表明材料及制品的制造使用及废弃过程是造成能源短缺、资源过度消耗和枯竭及环境污染的主要原因之一。于是各国材料研究者开始重视材料的环境负担问题，“环境材料”这一概念应运而生，由日本的山本良一教授于上世纪90年代提出，英文名称为Ecomaterials，此类材料一般具备以下三个特点：先进性、环境协调性和舒适性。在生态环境材料的研究开发中，包括从设计、生产、使用、废弃、回收各个阶段，都要考虑生态环境问题，力求降低材料的环境负荷，主要研究人类发展和生存所必需的材料及其工程技术与生态环境间的关系。目前生态环境材料的研究大体可以划分为下面3个层次：一是基础理论研究，二是材料制备技术研究，三是材料的表征与评价体系研究。总体上讲就是理论研究全面透彻；制备技术先进、可循环且环境负荷低；评价体系具体、适当，目前的生命周期评价方法，即1ife cycle assessment，简称LCA，是国际上广泛采用的环境协调性评价方法。目前国内外重点研究的生态环境材料包括：生态建筑材料：指有利于保护生态环境，提高居住质量，性能优越，健康环保的多功能建筑材料；环境降解材料：指使用后能在自然界微生物或光的作用下最后完全分解成二氧化碳、水及其他低分子化合物，最终成为自然界中碳循环的一个组成部分的一类高分子材料；环境工程材料：指能够对环境进行净化、修复或替代处理，逐渐改善地球的生态环境，使之向可持续发展方向前进的材料，主要包括环境净化材料、环境修复材料和环境替代材料等；仿生物材料：指人工制造的具有生物功能、生物活性，或者与生物体相容的材料。新技术、新事物往往都会以世界级展会为平台集中向人们展示，其中世博会更是首屈一指。从1851年的第一届英国举办的万国博览会，到今年上海世博会，无一不是荟萃科学技术与产业技术的展览会，其中新材料、新技术的应用与展示让人瞠目结舌。2010上海世博会上新材料可谓层出不穷，为此次盛会增色不少，其中主要包括：透水沥青混凝土，它让道路会呼吸、会透水、雨天走路不湿鞋；具有自洁功能的加强PTFE型碳素纤维材料；由大豆纤维制成的可发电、能降解的LED帷幕；透明水泥；由PVC膜制成的直饮水设备和对环境无任何污染的“玉米塑料”等。本文就针对“玉米塑料”这一新型生态环境材料的环保性能进行论证。上海世博会上“玉米塑料”主要应用于一次性餐具、路牌和胸卡等，这种全新的生物质材料学名叫做“聚乳酸”（PLA），是将玉米等农作物通过生物发酵技术制备得到的一种“绿色石油”。这种材料可循环利用，走一条从农作物到乳酸、聚乳酸、聚乳酸制品，再到自然降解的循环链，对环境无污染，被视作继金属材料、无机分金属材料和高分子材料后的“第四类新材料”。聚乳酸可应用于包装材料、日用塑料制品、医药、人造骨骼、手术骨钉手术缝台线、纺织面料、农用地膜、地毯、家用装饰品等。聚乳酸材料具有完全可降解性，因而对环境没有危害。 玉米到乳酸到聚乳酸，再到各种制品，最后降解成为有机肥料，这是玉米塑料的生命流程。玉米塑料可以说是从土地中来，而后又还原土地的材料，还可以不停的循环使用。玉米塑料直接埋入土地中需要6个月的时间来降解，而在高温堆肥的情况下只需要一周的时间就能快速降解，全部转化成二氧化碳和水，对环境不会造成任何污染。 玉米塑料的制备方法上世纪七十年代石油危机后，人们意识到了石油资源的不可再生性，各主要发达国家纷纷将目光转向了可再生资源的开发和利用。人们开始探索利用玉米等富含淀粉的农作物产品经过发酵、水解、提纯、缩聚等一系列生物化学操作过程，转化为具有传统化工塑料性能的生物塑料。玉米塑料就是由饱含淀粉质的玉米经过发酵后产生出一种无色透明的L-乳酸，再经过特殊的聚合反应生成颗粒状高分子材料聚乳酸，最后通过机械加工就可以制成日常使用的各类塑料用品。目前由乳酸到聚乳酸的生产工艺主要有以下两种:一步法：将由玉米发酵制得的L-乳酸直接一步缩聚成聚乳酸，该法简单，但得到的聚合物分子量较小，一般小于5000； 二步法：将制得的L-乳酸先制成中间体丙交酯，再经开环聚合成聚乳酸，可以得到分子量较高的PLA，但工艺复杂。具体流程如图1所示：图1.聚乳酸的生产流程目前国内在玉米塑料的制备上比较有影响力的是上海同济大学生物高分子材料研究所的任杰教授这一团队，他们率先实现了玉米塑料的“一步法”生产工艺并开始产业化。其中L-乳酸的生产工艺流程为：玉米粉碎一调浆一液化一发酵一过滤一脱色一离子交换膜过滤一浓缩一短程蒸馏一L-乳酸，最终直接缩聚成聚乳酸。国际上，美国的卡吉尔一陶氏公司(Cargill-Dow)即现在的Nature Works公司的科学家们共同研制出了“二步法”生产玉米塑料的工艺：首先把玉米磨成粉，分离出淀粉，再从淀粉中提取出原始的葡萄糖；再用乳酸杆菌厌氧发酵，发酵过程用液碱中和生成乳酸，发酵液经净化后，用电渗析工艺，制成纯度达 995的L-乳酸；再把提取出来的乳酸制成中间体丙交酯，最后制成最终的聚合物聚乳酸。Nature Works公司是目前世界上最大的玉米塑料生产基地，其产品的物理性能基本达到了化工塑料的水平，但由于技术原因，生产工艺比较复杂，其产品价格一直在2000美元/吨，而一般化工塑料的价格为1000美元/吨，于是由于技术和价格的原因使得玉米塑料还很难在日常生活中普及。国内由任杰教授团队所率先提出的玉米塑料“一步法”生产工艺，相对“二步法”来说工艺得以简化，于是大大降低了成本，产品价格降至1000美元/吨，同化工塑料处在同一水平，使玉米的塑料的大规模使用成为可能，鉴于其可降解性和原料的可再生性， 任杰教授预言，玉米塑料将在5年内逐步取代化工塑料。玉米塑料生产中的绿色化学概念绿色化学是当今国际化学化工研究的前沿，它吸收了当代化学、物理、生物、材料、信息等科学的最新成果和技术，从根本上来减少或消除化学产品的设计、生产和应用中有害物质的使用与产生，使所研究开发的化学产品和工艺过程更加环境友好。以玉米为原料合成聚乳酸的工艺过程很好体现绿色化学的基本原则。防止污染优于污染的治理。聚乳酸的原料是玉米淀粉，生产过程选用发酵法，不产生对环境有副作用的物质，并且乳酸，聚乳酸都可在自然环境中很快的降解而进入自然循环。这在源头和产业链的末端都极大了减少了污染，真正做到了防止污染而不是先污染后治理。提高合成反应的“原子经济性”。传统的基于石油的化学合成法因为要通过多个合成步骤， 因此原料的化学结构要经过多次的改变，不符合绿色化学的原子最大利用率的概念。而聚乳酸的生成过程中因为采用的发酵工艺，淀粉中的原子可以最大程度转移到聚乳酸中。在合成过程中，尽可能不使用和不产生对人体健康和环境有害的物质。相比较于化学法合成乳酸使用用原料为乙醛和剧毒物氢氰酸，催化剂也多有化学毒性，以淀粉作为原料合成乳酸，不产生有毒的副产物，并且可循环使用。设计安全的化学品。乳酸也是人体代谢产生的，并且可参与自然的循环过程，对人体无毒。聚乳酸本身是生物相容性的，可直接应用于人体。使用无毒、无害的溶剂和助剂。发酵法合成乳酸，没有使用有毒的溶剂和助剂。合理使用和节省能源。乳酸的生产采用生物发酵的方法，温度较低，相比较于石油来源的单体，能耗大大较低。聚乳酸的熔点较低，加工过程相比较于传统的石油基塑料的生产，玉米塑料的的生产过程能耗低。尽可能利用可再生资源。玉米塑料的原料是可再生资源，并且聚乳酸最终可以被分解成二氧化碳和水，进入自然循环。尽可能减少不必要的衍生步骤；化学法合成塑料工艺复杂并且要进行多步反应，而发酵法合成乳酸，生产工艺温和，工艺简单。采用高选择性的催化剂；发酵法合成乳酸，可以通过选择不同的菌种，生产出高度立体选择性的乳酸单体，避免了进行单体分离纯化的工业步骤。设计可降解的化学品；乳酸和聚乳酸都可在自然环境下降解，并且降解彻底，周期比较短。 玉米塑料生产的现实意义绿色环保，对环境无污染玉米塑料与传统化工塑料相比，生产、使用以及废弃过程都是环保的。传统化工塑料来自于石油化工产品，石油的炼制过程会产生大量温室气体和其它污染物；相反玉米生长过程可以吸收二氧化碳，释放氧气，废弃后可全部降解，转化成二氧化碳和水后再次参加光合作用，其整个生命过程可以实现物质的循环和空气的净化，是一种绿色环保的可再生资源。缓解石油消耗的压力目前广泛使用的化工塑料是石油产业的下游产品，每年制备化工塑料要消耗大量的石油资源，而石油是不可再生资源，以现在的开采速度在未来的几十年内石油资源即被耗尽。玉米塑料开拓了石油以外的化工原料来源，据统计制备同样的塑料制品，玉米塑料可节约将近70%的化石燃料。可以预测，在不久的将来，玉米塑料以其得天独厚的优势会逐渐成为塑料行业里的主力军，同时启发材料和能源领域逐渐摆脱对化石资源的依赖，走一条绿色可持续发展的道路。解决粮食库存压力，提高农作物附加值玉米和其他谷类作物存放1-2年时间后就可能会出现变质发霉现象，不能再被食用。此时进行化学深加工是一条极好的出路，若将每年库存的玉米用于玉米塑料的加工生产，除了产品可以造福人类以外，玉米的附加值得以提高，而且缓解了玉米库存所所需要的费用，可减轻政府的财政负担。玉米塑料可能产生的不利影响玉米塑料虽有上述优势，但到目前为止并没有进行大规模的生产应用，可见其本身还存在着一定的问题。首先，目前所采用生物方法生产聚乳酸的效率不高，难以大规模工业化生产；其次，以玉米作为塑料生产的主要原料，势必消耗大量的玉米，抬高粮食价格，这将对世界上那些尚未解决温饱问题的地区造成更加严重的影响；再次，随着工业化、城市化进程的迅速发展，耕地面积逐年减少，若为了满足日益增加的玉米用量，势必导致毁林造田类的现象，会生态环境造成破换。玉米塑料的前景分析虽然玉米塑料还未成燎原之势，但未来却是大势所趋。玉米塑料可广泛应用于工程材料、包装材料、日用器具、农用地膜、家具板材，在医药医疗领域也大有用武之地。玉米塑料制成的骨钉、手术缝合线已应用于临床，由于其具有在体内完全降解的特性，不用再施行拔除和拆线等医疗程序。用玉米塑料还能制成人造骨骼和人造皮肤的组织工程支架，在其上培植骨细胞或皮肤细胞，当支架材料降解后，人造骨骼和人造皮肤也长成了。利用玉米塑料无毒无害可降解的特性，还能制成缓释