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第五章绿色材料 材料的制造和使用是人类社会发展的基石 但是 材料在造福人类的同时 也给大自然和人类本身带来了一定的危害 例如 塑料薄膜的大量使用造成了严重的白色污染 而大量使用的矿物燃料 则产生了可怕的温室效应 据报道 建筑工程中无处不在的劣质建材已成为一个严重污染源 1 全国平均每年发生中毒事件400余起 中毒人数高达15000余人 死亡人数约350人 而慢性中毒人数则高达10万人次 真可谓触目惊心 而使用绿色材料可改变这种状况 实现材料与环境的协调性和适应性 2 科学技术的进步 给人类带来飞速发展的同时也带来了环境的恶化 各种各样的建筑材料 提高了人们的居住质量 也增加了环境污染 为了减少建筑材料对人类健康的危害和节约能源 绿色建材诞生了 绿色建材又称生态建材 环保建材和健康建材等 绿色建材是指标采用清洁卫生生产技术 少用天然资源和能源 大量使用工业或城市固态废弃物生产的无毒害 无污染 无放射性 有利于环境保护和人体健康的建筑材料 3 绿色材料又称为环境材料 由日本的山本良一于1992年最先提出 用以指那些具有最小的环境负担和最大的再生利用能力的材料 即节约资源和能源 减少和防止环境的污染 容易回收利用 丢弃后易于自然降解而回归自然的材料 4 近年来国内外已研究开发出一些符合环境材料特性的重要建材产品 如光致变色玻璃 调节湿度的建材 绿色地板材料 石膏装饰材料 净化空气的预制板 抗菌陶瓷等 随着人们环境意识的逐步提高 也必然会加深对绿色材料的认识 从而加快绿色材料的发展 相信在21世纪 绿色材料不再只是一个话题 制造和使用绿色材料将成为人类的自觉行为 5 5 1玻璃和塑料 5 1 1玻璃玻璃是我们再熟悉不过的材料 据历史记载 它是公元前2500年在美索不达米亚 今伊拉克和叙利亚 和埃及发明的 6 玻璃最初由火山喷出的酸性岩凝固而得 约公元前3700年前 古埃及人已制出玻璃装饰品和简单玻璃器皿 当时只有有色玻璃 约公元前1000年前 中国制造出无色玻璃 公元12世纪 出现了商品玻璃 并开始成为工业材料 18世纪 为适应研制望远镜的需要 制出光学玻璃 1873年 比利时首先制出平板玻璃 7 普通是一种较为透明的固体物质 在熔融时形成连续网络结构 冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料 普通玻璃化学氧化物的组成 Na2O CaO 6SiO2 主要成份是二氧化硅 SiO2 广泛应用于建筑物 用来隔风透光 属于混合物 8 今天 玻璃是用途最广泛的人造材料之一 从精密的望远镜镜片到简单的小弹珠 都可以用它来制造 随着科技的进步 玻璃还可用在通讯和军事上 比如光学玻璃纤维能传递电话和电视讯号 玻璃陶瓷可以用来制造导弹的头锥 玻璃工业作为国民经济非常重要的基础性工业 既是耗能大户 又是污染严重的行业之一 9 10 玻璃的处理 由于玻璃的成分主要是二氧化硅 而二氧化硅是很难自然分解的 在自然环境下 需要100万年的时间 所以为了保护环境 我们要注意使用玻璃制品 要有回收利用的意识 每回收一个玻璃瓶所节省的能量足可以让100瓦的灯泡亮4小时 11 玻璃中有害物质的污染和防治 1 玻璃中有害物质的分类 1 玻璃中有害物质的溶出 2 玻璃及玻璃原料中有害物质的挥发 3 玻璃及玻璃原料中有害物质的接触吸收 4 玻璃及玻璃原料的放射性在大量生产的玻璃制品中 1 和 2 的污染是主要的 3 和 4 一般在特种玻璃及其原料中才会出现 12 2 玻璃中有害物质的危害性玻璃自身的有害物质包括 金属铅 铬 锌 钡 镉 锰 铜 镊 钒 铍 铊等 非金属 氟 硫 氯 磷 砷等 以及放射性物质 现举例如下 13 3 玻璃中有害物质溶出的污染玻璃中有害物质溶出的污染程度取决于 1 溶出有害物质毒性的大小 2 玻璃盛装或接触食品及饮料的性质 3 玻璃的耐腐蚀性虽然玻璃中有害物质的种类很多 但作为盛装或接触食品及饮料而大量生产的日用玻璃 其溶出的有害物质仅为有限的几种 主要为铅 镉 氧化钠 三氧化二砷 那么如何防治这些有害物质对人体的伤害呢 14 4 玻璃中有害物质溶出污染的防治可以采取以下几措施减少铅的溶出量 1 铅玻璃容器可用于盛装弱酸性和中性的食物及饮料 如水 牛奶 鲜咖啡 强酸性的食物和饮料如宁檬汁 可口可乐等不要用铅玻璃作容器 各种果酒的总酸度较高 尽量不用含铅的玻璃瓶包装 15 2 铅玻璃容器可用于盛装冷饮料和烈性酒 如矿泉水杯 白酒和威士忌酒杯 但应避免装热的食品和饮料 冷饮料和烈酒也不宜盛装时间过长 3 优化玻璃的化学成分 在铅玻璃成分中加入一定数量的氧化铝 同时使用氧化钠代替氧化钾 均可以减少铅的溶出量 防止玻璃中其他有害物质的溶出 也可以采取与防止铅溶出类似的措施 16 玻璃原料中有害物质挥发的污染及防治 玻璃溶制和加工过程中 一些原料中有害物质由于受热而挥发 或由于化学反应而放出气体 通常可以采取以下措施防止和减少有害物质的挥发 1 采用合适的玻璃成分 尽量减少有害物质的用量 在基础成分中降低碱金属氧化物的含量 有利于减少有害物质的挥发 2 采用挥发性小的原料引入 17 对于玻璃来说 所谓环保玻璃就是能够清除粉尘污染 减少噪音污染 光污染以及其他有毒 有害物质污染的玻璃 环保玻璃 18 1 自洁净玻璃在玻璃表面镀透明的 光触酶 膜 可以自动清除玻璃表面的灰尘 这层膜目前主要是TiO2 它既是亲水性的 又是亲油性的 当液滴落在玻璃表面时 可以发生润湿现象 下雨的时候 就被雨水冲走了 而且 在紫外线的照射下 还能杀灭有害细菌 特别适合高层建筑使用 目前 自洁净玻璃是人们研制的最好的生态玻璃 其市场应用前景非常广阔 19 2 ITO镀膜玻璃ITO镀膜玻璃是在玻璃表面镀制透明 导电的ITO膜 不同电阻的ITO膜有不同的用途 可以应用在电子 光学等领域 1 电磁屏蔽随着电器时代的到来 各种各样的电子产品进入人们的生活 给人们提供了很多方便 但同时也出现了电磁波辐射的问题 有些会对人体造成危害 有些对附近电子仪器造成干扰 而且 对于军用仪器来说 辐射电磁波就等于泄露信息 20 因此 需要有屏蔽功能的材料阻止电磁波辐射 一般的器件 例如飞机机体 可以用吸波涂料 但对于玻璃来说 需要的不仅是屏蔽电磁波 还要有较高的透光度 ITO膜在这方面就有着绝对的优势 21 2 热屏蔽实行可持续发展战略 节约能源是每个国家面临的头等大事 ITO膜对光波的选择性 对可见光透明 对红外光反射 可以使寒冷环境下的视窗或太阳能收集器的视窗内部的热量保持在封闭的空间内 对于居住用玻璃 可以保持室内温度 夏天可以减少空调用电量 冬天可以节约取暖费用 即节约能源 又保护环境 22 3 防冰除霜飞机 轮船 车辆等的风挡玻璃在低温下容易凝结水气结冰 胶合层变脆 导致抗冲击性能下降 为了除去霜 雾 又不能影响视线 需要对玻璃表面提供0 4 1 2W cm2的表面功率 使玻璃表面温度升高 ITO膜就可以适应这种要求 此外 ITO膜还可用做烹调加热板的透明发热体 23 3 Low E玻璃Low E玻璃即低辐射玻璃 是在玻璃表面镀制低辐射材料和金属氧化物 可以是透明的 也可以是不透明的 普通的3mm厚玻璃的可见光大于80 传热系数K为5 8 6 2W m2K 遮阳系数Sc为0 95 一般建筑物墙体的传热系数为1 4W m2K 这样由传热系数的差别而导致能量的不均匀散失 现代建筑大量使用玻璃幕墙 其散热量非常大 欧洲 美国 日本等发达国家很早就已经使用低辐射玻璃来节约能源 24 在室温为20 时 对于3mm厚玻璃 约有89 的红外辐射能量被玻璃吸收 使玻璃温度升高 但玻璃与周围环境有热交换 会使室内的大部分热量被传到室外 低辐射玻璃由于对红外线有较高的反射率 就可以阻止热量的流失 25 4 真空玻璃真空玻璃不同于目前广泛使用的中空玻璃 它是根据保温瓶的原理而发明的 是一种新型的透明保温材料 可广泛应用于建筑物及车 船门窗 保温箱柜 如展示柜 冷藏柜 等各种需要透明隔热材料的领域 达到保温 防霜 隔声的目的 26 真空节能玻璃 在外力压力下 变形小 强度高 不需后期做中空或夹胶工序 可直接安装在门窗或幕墙上 这主要得益于这种玻璃是采用悬浮和平衡压力式支撑 能明显减少玻璃表面变形 增强抗拉抗压强度使然 而另一重要特点是 可以阻断能量的传导和对流 阻止声源传递 从这点看 这种玻璃也可俗称 平板式保温瓶玻璃 它不传热 不传冷 不传声 即夏天室内不热 冬天室内不冷 节能降噪效果独特 27 28 近年来 噪音污染也被列入环境污染的行列 在大多数频段 特别是中低频段 真空玻璃的隔声性能好于中空玻璃 中空玻璃可以降低噪音 分贝 夹层玻璃可以降低噪声在 分贝 而真空玻璃最高可达 分贝 29 家居用品中的真空玻璃 30 整体材质为进口钛金板 欧式造型 分透明 不透明两种形式 外型设计独特豪华庄重双机制冷 全自动温控 电子温度显示 外型高贵典雅 钛金双层真空玻璃双机制冷防腐棺 31 5 防眩玻璃普通平板玻璃的两个表面的反射率一般在8 左右 最好的高白度玻璃表面也有不小于4 的反射 虽然反射量不大 也会使人产生眩目的感觉 尤其是橱窗 展柜的玻璃对着方面要求更为严格 在玻璃表面涂制一层或多层特殊的膜层 能降低玻璃的反射率 但这种产品目前只有少数国家能生产 32 6 微晶玻璃微晶玻璃又称玻璃陶瓷 是将玻璃受控晶化而得到的一种多晶固体材料 由于玻璃中有特定性能的晶相析出 使微晶玻璃在机械强度 表面硬度 热膨胀系数 化学稳定性 光电学性能等方面显示出优异的性能 建筑微晶玻璃 业界人士称微晶石 玉晶石 水晶板 是微晶玻璃大家族中的一个分支 33 微晶玻璃装饰板由于具有无色差 不吸水 高光泽度 抗酸碱 耐风化 强度高 无放射污染 又便于清洁等优点 在人类进入21世纪之际 它已成为各类公共建筑工程领域 如港口 地铁 机场 高档宾馆 文体大型设施 等首选的新型高档绿色建筑装饰材料 34 玻璃是建筑材料的重要组成部分 具有环保功能的玻璃适应了绿色 节能的可持续发展战略 对人们生存环境的改善和提高方面的贡献是无庸置疑的 随着科学技术的不断发展 新型功能玻璃将不断涌现 拥有先进技术 能够突破创新 就会成在玻璃行业中竞争中成为佼佼者 35 小知识 如何擦玻璃 1 擦细玻璃 先用毛巾将玻璃框擦干净 再用玻璃刮沾稀释后的玻璃水溶液 均匀的从上到下涂抹玻璃 再重复以上工序 用玻璃刮从上到下刮干净 用干毛巾擦净框上留下的水痕 玻璃上的水痕一定要用玻璃刮擦干净 否则将会在玻璃上留下一道道痕迹 2 将醋和水按1 2的比例调和 放入喷雾中 喷在玻璃上再擦抹 就可擦得非常干净 36 3 在水盆中加入5 的阿摩尼亚溶液或汽油 用其清洗玻璃 待玻璃稍干再用干布擦抹干净 玻璃即可一尘不染 光亮透明 在擦玻璃的时候 可选用擦窗器用不同的型号 看清是擦双层玻璃的还是单层玻璃的 使用擦窗器方便 省力 安全 4 如玻璃表面有发霉现象 可将氢氟酸 HF 与水1 8的比例调和 注意 超过1 8 会对手部造成损伤 拭擦玻璃 注意 一定要做好腐蚀防护工作 皮肤不可接触HF 否则会严重腐蚀 拭擦完玻璃后 用清水再拭擦一遍 最后将玻璃擦干 37 展望 当今世界玻璃制造业在开发玻璃新技术方面 正在向满足能源 材料 环保 信息 生物等五大领域的发展和需求方面努力 随着对绿色玻璃研究的深入 一定会出现更多更好的玻璃 同时 开发各种环境相容性新材料及绿色产品 研究降低材料环境负担的新工艺 新技术和新方法将成为21世纪材料科学与技术发展的主导方向之一 38 5 2塑料 概述随着经济的发展和科学技术的进步 塑料作为人工合成的高分子材料 由于具有良好的成型 成膜 绝缘 耐腐蚀 耐酸碱 低透气 低透水性以及易于着色 外观鲜艳和成本低廉等特点 已成为一类不可替代的与人类生活息息相关的材料 广泛应用于家电产品 汽车 家具等等 目前 我国已成为世界上十大塑料制品生产国之一 39 塑料为合成的高分子化合物 聚合物 又可称为高分子或巨分子 也是一般所俗称的塑料或树脂 可以自由改变形体样式 塑料是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料 40 我们通常所用的塑料并不是一种纯物质 它是由许多材料配制而成的 其中高分子聚合物 或称合成树脂 是塑料的主要成分 此外 为了改进塑料的性能 还要在聚合物中添加各种辅助材料 如填料 增塑剂 润滑剂 稳定剂 着色剂等 才能成为性能良好的塑料 41 1 合成树脂合成树脂是塑料的最主要成分 其在塑料中的含量一般在40 100 由于含量大 而且树脂的性质常常决定了塑料的性质 所以人们常把树脂看成是塑料的同义词 例如把聚氯乙烯树脂与聚氯乙烯塑料 酚醛树脂与酚醛塑料混为一谈 其实树脂与塑料是两个不同的概念 树脂是一种未加工的原始聚合物 它不仅用于制造塑料 而且还是涂料 胶粘剂以及合成纤维的原料 而塑料除了极少一部分含100 的树脂外 绝大多数的塑料 除了主要组分树脂外 还需要加入其他物质 42 2 填料填料又叫填充剂 它可以提高塑料的强度和耐热性能 并降低成本 例如酚醛树脂中加入木粉后可大大降低成本 使酚醛塑料成为最廉价的塑料之一 同时还能显著提高机械强度 填料可分为有机填料和无机填料两类 前者如木粉 碎布 纸张和各种织物纤维等 后者如玻璃纤维 硅藻土 石棉 炭黑等 填充剂在塑料中的含量一般控制在40 以下 43 3 增塑剂增塑剂可增加塑料的可塑性和柔软性 降低脆性 使塑料易于加工成型 增塑剂一般是能与树脂混溶 无毒 无臭 对光 热稳定的高沸点有机化合物 最常用的是邻苯二甲酸酯类 例如生产聚氯乙烯塑料时 若加入较多的增塑剂便可得到软质聚氯乙烯塑料 若不加或少加增塑剂 用量 10 则得硬质聚氯乙烯塑料 44 4 稳定剂为了防止合成树脂在加工和使用过程中受光和热的作用分解和破坏 延长使用寿命 要在塑料中加入稳定剂 常用的有硬脂酸盐 环氧树脂等 稳定剂的用量一般为塑料的0 3 0 5 45 5 着色剂着色剂可使塑料具有各种鲜艳 美观的颜色 常用有机染料和无机颜料作为着色剂 合成树脂的本色大都是白色半透明或无色透明的 在工业生产中常利用着色剂来增加塑料制品的色彩 46 常用塑料品种性能及用途 1 聚乙烯 主要用于包装用薄膜 农用薄膜 塑料改性等 管材 注射日用品等多个领域 2 聚丙烯 主要应用于家用电器注射件 改性原料 日用注射产品 管材等 无规聚丙烯主要用于透明制品 高性能产品 高性能管材等 3 聚氯乙烯 由于其成本低廉 产品具有自阻燃的特性 故在建筑领域里用途广泛 尤其是下水道管材 塑钢门窗 板材 人造皮革等用途最为广泛 47 4 聚苯乙烯 作为一种透明的原材料 在有透明需求的情况下 用途广泛 如汽车灯罩 日用透明件 透明杯 罐等 5 ABS 是一种用途广泛的工程塑料 广泛应用于家用电器 面板 面罩 组合件 配件等 尤其是家用电器 如洗衣机 空调 冰箱 电扇等 用量十分庞大 另外在塑料改性方面 用途也很广 48 6 聚四氟乙烯 Teflon或PTFE 俗称 塑料王 是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物 具有优良的化学稳定性 耐腐蚀性 密封性 高润滑不粘性 电绝缘性和良好的抗老化耐力 用作工程塑料 可制成聚四氟乙烯管 棒 带 板 薄膜等 一般应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道 容器 泵 阀以及制雷达 高频通讯器材 无线电器材等 49 塑料主要特性 大多数塑料质轻 化学性稳定 不会锈蚀 耐冲击性好 具有较好的透明性和耐磨耗性 绝缘性好 导热性低 一般成型性 着色性好 加工成本低 大部分塑料耐热性差 热膨胀率大 易燃烧 尺寸稳定性差 容易变形 多数塑料耐低温性差 低温下变脆 容易老化 某些塑料易溶于溶剂 50 塑料带来的污染与危害 高分子材料的生产过程不象其他化工生产 其生产本身对环境的污染较轻 但其产品却对环境造成污染 这种环境污染不是急性污染 而是由于高分子化合物的不可降解性造成的一种长年累月的慢性污染 51 随着塑料产量的增加 成本降低 大量的商品包装袋 液体容器以及农膜等 人们已经不再反复使用 使塑料成为一类用过即被丢弃的产品的代表 在自然环境中 大量废弃的高分子材料是城市垃圾的主要来源之一 是白色污染的主要污染源 成为一种不容忽视的社会公害 52 塑料对环境主要有两种危害 即 视觉污染 和 潜在危害 视觉污染是指散落在环境中的废塑料制品对市容 景观的破坏 在大城市 旅游区 水体中 铁道旁散落的废塑料给人们视觉带来不良刺激 影响城市 景观的整体美感 我们把这种情况称为 视觉污染 潜在危害是指废塑料制品进入自然环境后难以降解而带来的长期的深层次环境问题 其危害有以下几个方面 53 1 废塑料制品混在土壤中影响农作物吸收养分和水分 导致农作物减产 2 抛弃在陆地或水体中的废塑料制品很难处理 如将其填埋会占用土地 且长时间不降解 混有塑料的生活垃圾也不适于堆肥 从垃圾中分拣出来的废塑料 因无法保证质量 其利用价值很低 目前 社会上反映最强烈的是 视觉污染 对于废塑料制品对环境的 潜在危害 大多数人还缺乏认识 54 绿色塑料 高分子材料的绿色化主要表现在可降解性 现在研究最多的是可降解塑料 所谓可降解 是指在一定的使用期内有与普通塑料同样的使用功能 超过一定期限以后其分子结构发生变化 并能自动降解而与环境同化的环保塑料 在生产过程中通常加入一定量的添加剂 如淀粉 改性淀粉或其它纤维素 光敏剂 生物降解剂等 使塑料的稳定性下降 较容易在自然环境中降解 55 根据降解方式和条件 可降解塑料可分为光降解塑料 生物降解塑料 光降解 生物降解塑料 试验表明 大多数可降解塑料在一般环境中暴露3个月后开始变薄 失重 强度下降 逐渐裂成碎片 如果这些碎片被埋在垃圾或土壤里 则降解效果不明显 56 57 1 光降解塑料在塑料中掺入光敏剂 在日照下使塑料逐渐分解 它属于较早的一代可降解塑料降解塑料 其缺点是降解时间因日照和气候变化难以预测 因而无法控制降解时间 58 2 生物降解塑料在微生物的作用下 可完全分解为低分子化合物的塑料 其特点是贮存运输方便 只要保持干燥 不需避光 应用范围广 不但可以用于农用地膜 包装袋 而且广泛用于医药领域 59 60 生物降解塑料有两种不同的降解方式 一种称为生物降解 主要是通过微生物的作用使塑料分子链断裂 是一种渐变过程 另一种称为生物崩坏 虽然也是通过微生物或细菌的作用 但塑料的降解过程表现为整体的崩溃 是一种突变过程 61 3 光降解 生物降解塑料上述两种可降解塑料都存在一定的缺陷 光降解塑料只有在较直接的强光照射下才能发生降解 当它被埋入地下或与其他废弃物混合堆放时 由于得不到直接光照而不能进行降解 62 而生物降解塑料的降解速度和降解程度与周围环境条件直接相关 如温度 湿度 微生物种类 微生物数量 土壤酸度等 实际上生物降解塑料的降解程度不完全 为了提高可降解塑料制品的实际降解度 近年来有人将光降解和生物降解结合起来 制备光和生物降解塑料 并取得了较好的效果 63 4 水降解塑料在塑料中添加吸水性物质 用完后弃于水中即能溶解掉 主要用于医药卫生用具方面 如医用手套 便于销毁和消毒处理 64 随着现代生物技术的发展