低碳经济与材料范文

低碳经济与材料范文 低碳经济与生物材料高碳经济是不可持续发展的,它极度依赖煤和石油(含天然气)的使用,注定会排放巨量的CO2,还有SO2和氮氧化合物等其他温室气体。 我国化石能源“富煤、贫油、少气”,煤炭是能源消费的主体,煤炭在能源消费总量中的比重接近70%。 而低碳经济则改用含碳量很少甚至不含碳的、并且是可再生的原料。 其中可再生的生物材料由于具有环保性和功能性,其应用受到高度重视,已被列为“十一五”期间我国生物产业五大重点发展领域之一。 一般而言,生物材料也叫生物基材料,是指用可再生原料如农作物、树木、其他植物及其残体和内含物等通过生物转化获得生物高分子材料或单体,然后进一步聚合形成的高分子材料。 生物高分子应用很广泛,可以用来制作医药用材料、包装材料、食品添加剂、纤维、工业塑料、生物传感器以及微电子领域的电子元件。 目前已开发的生物材料包括:聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二酯(PBS)、生物尼龙、聚氨酯和聚氨基酸等。 它们在生产、使用到再循环的整个生命周期里,二氧化碳排放量相对传统工艺将大幅减小。 在综合性的全球气候计划中,大力发展生物材料有利于减少在生产过程的二氧化碳排放,加强气候保护。 三类重点得到扶持的生物材料产业化项目包括:生物基合成高分子材料;天然生物高分子材料;生物基平台化合物,也即碳二到碳六系列生物基平台化合物的产业化。 20世纪70年代,由于塑料制品已被广泛地应用于各个领域,“白色污染”对生态环境造成了严重的威胁,人们对废旧塑料的处理办法主要是土埋和焚烧,浪费了大量的土地,而且产生了大量的二氧化碳及其他对人有害的氮、硫、磷、卤素等化合物,助长了温室效应及酸雨的形成。 为了缓解日用品塑料造成的环境污染,研究可降解高分子材料成为了重要课题。 为了扶植新兴工业的发展,多数国家已经大力鼓励使用可再生资源为原料的材料,增加开发自主知识产权的科研投入,开发降低生物基材料生产成本的关键技术,发展“生物塑料”产业,形成产业链,以“绿色塑料”、“环境友好塑料”替代传统不可降解塑料,从而减少各国对石油的过度依赖。 进入21世纪,合成可生物降解的高分子材料的项目在一定程度已经实现了产业化并在诸多领域得到应用。 通过政府政策的优惠以及环保法规的完善,生物基材料作为完全适合低碳经济的新材料,必将逐渐得到消费者的认可和重视。 下面简单介绍几种近10年来受到重视的生物聚酯。 1聚乳酸(PLA)生产PLA的乳酸以农副产品为,资源丰富且可再生。 生产乳酸的原料主要包括玉米、大豆、甜菜、马铃薯和其他生物材料制成的淀粉和糖类。 体现低碳经济思想的乳酸生产工艺路线主要为发酵法。 一般以富含淀粉的玉米、木薯等为原料,用生物催化剂将淀粉转化为葡萄糖等单糖,再进行发酵。 碱性条件下处理发酵液,用热水重结晶。 再加入一定浓度的硫酸分解出乳酸和处理过程中的硫酸钙沉淀。 滤液在减压下蒸发浓缩,即得70%左右的工业用乳酸。 乳酸或丙交酯在一定条件下聚合,都可得到全规、间规、杂规及不规则的PLA,根据单体的不同,可分为左旋聚乳酸(L-PLA)、右旋聚乳酸(D-PLA)、内消旋聚乳酸(meso-PLA)及外消旋聚乳酸(D,L-PLA)。 由于D-乳酸在生物体中存在代谢问题,因此用于医学工程的体内植入PLA材料需用高化学纯度及高光学纯度的乳酸,其L-乳酸含量须大于98%。 经过科研人员多年研究,通过改进聚合工艺和共聚改性技术,使PLA的性能得到进一步的提高和完善,并且应用领域迅速扩大。 PLA材料也是第一个形成商业化规模的生物降解材料的产业。 在价格方面,PLA材料相比其他生物基材料也有着明显的优势。 目前被认为是最具有竞争力的生物基材料。 其在医疗行业、农业、日常生活领域等方面有着广泛的应用。 例如作为纺织原料,PLA比PET密度低,而且亲水性更强,悬垂性、舒适性都比较优秀。 而且PLA纤维制品有着稳定的形态,与涤纶同样具有疏水性,对皮肤不发黏,如与棉混纺做内衣,有助于水分的转移,对人体皮肤也没有任何刺激性。 因此,PLA在纤维和非织造布领域得到了广泛应用。 这样有助于在服装市场中减少石油材料的加工生产,而逐步进入低碳经济的规划。 表3列举的是PLA纤维和其他传统纤维的性能对比。 聚乳酸制品被废弃后能迅速降解,且最终降解产物为水和二氧化碳,对环境没有污染。 聚乳酸具有良好的生物相容性,又有可持续的原料,因此作为新型高分子材料,将在人类社会经济活动和日常生活中发挥越来越大的作用,发展前景可观。 今后关于PLA树脂的研究工作将依然针对以下方面展开:设计合理的工艺路线以降低成本;提高PLA材料的力学性能;提高产品的降解速率可控性;进一步提高产品的生物相容性等。 2聚丁二酸丁二酯(PBS)PBS是聚丁二酸丁二酯及其共聚物的简称,是一类由丁二酸、丁二醇缩聚及和其他二元酸或二元醇共缩聚制备的一类脂肪族聚酯。 PBS树脂呈乳白色,无嗅无味,具有优异的生物降解性,易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢,在自然条件下可100%分解成水和CO2,是典型的可完全生物降解聚合物材料,具有良好的生物相容性和生物可吸收性。 聚丁二酸丁二醇酯是具有良好可生物降解性能的聚合物,与聚乳酸、聚羟基烷酸酯、聚己内酯等可生物降解塑料相比,PBS价格相对较低,力学性能优异,耐热性能好,是国内外在生物降解塑料研发方面的重点。 可以通过共聚改性和共混改性,形成一系列产品,使产品的价格与性能接近通用塑料的水平。 此外,PBS也可用作包括亲水黏合纤维在内的诸多添加剂、黏合剂的原料。 近几年来,国外在利用PBS及其共聚物为基础材料制造各种高分子量聚酯的技术方面已实现工业化生产。 在中国PBS也入围了国家中长期科技计划指南,是我国重点推动产业化的生物降解塑料。 值得一提的是,PBS树脂的发展是建立在高效经济的微生物发酵工艺的基础上,而如何通过更为经济的途径得到丁二酸原料,是PBS产业化发展的本质问题。 3聚羟基脂肪酸酯(PHA)作为一类天然生物高分子聚合物,聚羟基脂肪酸酯发展较晚,但在近20多年来得到迅速发展。 作为一种线性聚酯,PHA不仅具有与化学合成高分子材料相似的性质,而且还有一般化学合成高分子材料没有的性质,如生物可降解性、生物相容性、压电性、光学活性等特殊性质,并可在生物合成过程中充分利用可再生资源。 PHA具有生物可降解性,可在人体内自然降解,它的最终降解产物是3-羟基脂肪酸,为人体血液中普通代谢物,不会给人体带来任何毒副作用。 而且PHA如果在胞内大量积累不会影响细胞内的渗透压,所以还是一种理想的储存材料。 当环境中缺乏碳源而其他营养元素充足时,PHA又可作为碳源被降解和重新利用。 因此,PHA的应用范围非常广泛,可用作各种绿色包装材料与容器、生物可降解薄膜、污水处理用细菌床、电信器件外壳等。 另外,PHA具有一定的力学性能,可用作骨移植的支架。 随着石油价格的上涨,与以石油为原料制造的塑料相比,PHA制造成本上将更有竞争性。 就目前而言,尽管PHA的产业化取得了一些进展,但从生产成本来看,并未取得比石油原料产品更大的优势,但伴随着其核心技术分子生物学的发展,相关领域必然会在今后的数十年间得到长足的发展,如诱变PHA合成酶以增加胞内PHA含量、达到分子量可控、成分可控等。 上述3种生物基材料基本概括了当前生物降解材料的主流市场。 通过对可再生资源的充分利用和技术创新,生物基材料的产业化将实现对石油资源的节约和替代,可有效消除白色污染、保护环境,是低碳经济在材料领域的必由之路。 美国生物技术工业组织预测到xx年美国的生物降解塑料市场将增至72亿磅,市场规模将接近9亿美元。 其中聚乳酸将成为代表性产品在各个领域得到广泛应用。 总的来说,生物材料是伴随着当今世界能源、环境危机的凸显而发展起来的,随着原料生产和制品加工技术的进步,生物降解材料备受关注,成为可持续、循环经济发展的焦点。 随着国家和企业对生物材料基础研究、应用研究和产业化投入的不断增加,我国在学术上和产业化上将不断取得进步。 然而,现阶段PLA、PHA和PBS等环境友好材料属于新兴的材料产业,依然处于市场推广阶段。 当然,成本问题一直是困扰生物材料产业发展的瓶颈。 如何控制原料成本,如何通过技术进步降低成本,这些都是未来生物基材料发展必须思考的问题。 当此领域实现大规模产业化后,就可以随着产量的增加而进一步降低成本。 需要强调的是,生物基聚合物是一种功能材料,与通用塑料比较,生物塑料除了满足材料制品的一般功用,其生物/环境可降解性是传统塑料完全不具备的,因此消费者会逐步接受为这种