第八章-复合材料与环境0418

第八章复合材料与环境,复合材料的使用引起的负面影响,谁与人类为伴,一百多年前，中国的先进知识分子曾提出科技救国的口号，三十多年前，中国的政治家提出科技兴国的口号。但时至今日，我感到人类面临着的最大危险，就是日益先进的科技与日益膨胀的人类贪欲的结合。在人类贪婪欲望的刺激下，科技的发展已经背离了为人的健康需求服务的正常轨道，而是在利润的驱动下疯狂发展以满足人类的其实是少数富贵者的病态需求。,人类正在疯狂地向地球索取。我们把地球钻得千疮百孔，我们污染了河流，海洋和空气，我们拥挤在一起，用钢筋和水泥筑起稀奇古怪的建筑，将这样的场所美其名曰城市，我们在这样的城市里放纵着自己的欲望，制造着永难消解的垃圾。,与乡下人比起来，城里人是有罪的；与穷人比起来，富人是有罪的；与老百姓比起来,官员是有罪的与不发达国家比起来，发达国家是有罪的，因为发达国家的欲望更大，发达国家不仅在自己的国土上胡折腾，而且还到别的国家里，到公海上，到北极和南极，到月球上，到太空里去瞎折腾。地球四处冒烟,浑身颤抖，大海咆哮,沙尘飞扬,旱涝不均等等恶症候，都与发达国家在贪婪欲望刺激下的科技病态发展有关。摘自莫言人类的好日子已经不多了,8.1地球生态环境恶化的原因,人口激增,工业革命的推动,工业革命使材料制备工业迅速发展，但同时造成的污染问题却日益严峻。如：2004年我国水泥产量约10亿吨，排放8亿吨CO2，80万吨SO2，160万吨NOx和800万吨粉尘，还有大量污水。此外，一吨钢排出2吨CO2，炼焦和有色金属冶炼排放更多的SO2、固体废渣、粉煤灰、煤矸石、尾矿等，累计起来已有百亿吨，占地面积几百万亩。固体废渣目前在水泥工业用量很大，SO2一般可回收制硫酸，当前人们最关心的是CO2，因为它是造成温室效应的祸首。,人类的意识与观念,8.2环境对材料的要求,1992年，日本东京大学的山本良一教授在研究现有材料与环境间的关系时首次提出了生态环境材料(Ecomaterials)的概念。EnvironmentallyConsciousMaterialsEcologicalMaterialsEconomicalMaterials,材料生产过程中的三废排放量的控制不同材料对环境增加的负担是不同的。例如：生产一吨铝的负担是生产一吨钢或塑料的10倍以上。废物排放量的降低和治理。例如：对于一些材料因为需要而不能中断，只能努力改进工艺，减少排放量，同时对废弃物妥善处理。,环境对材料的具体要求,材料的再生和回收再生是指使用后的物件仍以材料的形式再进行加工成为物品。回收则是把原废品进行分解处理，获得部分原材料及一定的能量。,用键盘做的椅子用废旧光碟做的椅子,发展用于治理环境的材料颗粒状吸附和催化材料纤维状吸附材料膜状选择分离材料制造与环境相容的材料生物降解材料无毒副作用的耐久性材料能循环使用的材料,材料与环境的关系图,8.3生态环境材料,原料制备产品制造使用及再生利用废弃物处理,环境负荷最小有利于人类健康,Tescoadopts100%degradableplasticbags,生态环境材料分类,8.4绿色制造,绿色制造（GreenManufacturing）是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。,绿色制造技术主要包括以下几个方面：,绿色材料及其选择a.优先选用可再生材料，尽量选用回收材料，提高资源利用率，实现可持续发展。b.尽量选用低能耗、少污染的材料。c.尽量选择环境兼容性好的材料及零部件，避免选用有毒、有害和辐射特性的材料。d.尽量减少产品中的材料种类，以便于产品废弃后的有效回收。e.设计时，除考虑减少材料的种类外，还必须考虑材料之间的相容性。,宜人性设计利用人机工程学的原理，让使用者感到舒适、方便、心情愉快，无压抑感；另外，也要避免电磁辐射、噪声、有毒气体、有刺激性的气体和液体对人的危害。,产品环境性能设计设计时应根据产品特点、使用环境与要求等分别予以满足。如：设计完全不涂漆的电视机，消除酸洗磷化过程中产生的环境污染物，以及设计完全不使用电池的遥控器等。,节能设计设计合理的产品结构、功能、工艺或利用新技术、新理论使产品在使用过程中消耗能量最少、能量损失最少。,可折卸性设计可拆卸性设计的基本要求，就是产品在设计时充分考虑到产品报废后较多的零部件拆卸方便，便于回收与再利用，从而达到节省成本，减少污染，保护环境的目的。,可回收性设计可回收性设计就是在产品设计时要充分考虑到该产品报废后回收和再利用的问题，即它不仅便于零部件的折卸和分离，而且使可重复利用的零件和材料在所设计的产品中得到充分的重视。,长寿命设计长寿命设计是指对产品功能和经济性进行分析的基础上，采用各种先进的设计理论和工具，使设计出的产品能满足当前和将来相当长一段时间内的市场需求。,模块化设计这里的模块是指按一定目的通过物理关系结合在一起的具有共同特性（功能）的一组零部件和子装配体的集合。广泛采用标准化、模块化的零部件更重要的是设计时就应充分考虑产品报废时的回收利用。,绿色包装设计绿色包装技术就是从环境保护的角度，优化产品包装方案，使得资源消耗和废弃物产生最少。,绿色包装具有以下特点：a.材料最省，废弃物最少且节省资源和能源；b.尽量采用可回收或易于降解的绿色包装材料；c.易于回收利用和再循环。采用可回收，重复使用和再循环使用的包装；d.尽量减少包装材料的种类，以便于回收利用；e.包装材料对人体或生命系统应无毒无害。,高分子材料废弃物回收利用过程对环境的影响,大多数塑料因其有机物含量高,具有较高的热值,可回收用做燃料，但在燃烧过程中会产生二次污染及对设备的腐蚀。如:聚氯乙烯(PVC)燃烧过程中会产生氯化氢、氰化氢、氮氧化合物等有害气体,同时氯化氢会对设备腐蚀;聚苯乙烯燃烧时会产生大量有害气体与黑烟。,8.5复合材料的回收和再生技术,现有高分子材料废弃物的处理方法,土地填埋：这是许多国家，尤其是发展中国家普遍采用的方法，但会侵占大量土地，给土地、水源带来很大的破坏。所以未来随着处理技术的提高和材料本身的绿色化，填埋方法终会销声匿迹。焚烧转化：焚烧法是垃圾(包含塑料废弃物)资源化利用的方法。焚烧技术就是利用焚烧炉及其设备,使垃圾在焚烧炉内经过高温分解和深度氧化的综合处理过程,以达到垃圾能源化、减量化的目的。焚烧技术在国外已经得到广泛应用,建成了许多垃圾焚烧发电厂,而在我国则刚刚起步。垃圾的直接焚烧会产生两大问题:一是在垃圾焚烧过程中会产生二恶英的超标排放,严重污染环境;二是由于垃圾中各组分组成的差异性很大,因此,垃圾直接焚烧会对焚烧炉的设计造成困难,导致垃圾的焚烧效率降低。,我国塑料人均消费量虽然还较低,但据相关数据表明:垃圾中塑料所占比例越大，垃圾的平均热值就越高。欧洲塑料制造联合体的试验证明,用焚烧技术处理垃圾来发电或供热是可行的。在焚烧过程中要控制二恶英的形成,常采用活性炭吸附二恶英的方法以防止环境污染。目前,我国已经建成或正在筹建垃圾焚烧厂的城市有:深圳、广州、上海、北京、珠海、厦门、合肥等。,循环利用废旧高分子材料资源化是处理废旧高分子材料、保护环境的有效途径。无论是从环境科学的原理着眼,还是从环保和节约资源的角度看,废塑料资源化不仅可以消除环境污染,而且可以获得宝贵的资源和能源,产生明显的环境效益。,物理循环利用物理回收循环利用技术主要是指简单再生利用和复合再生利用。简单再生系指回收的废旧塑料制品经过分类、清洗、破碎、造粒后直接进行成型加工，如聚氯乙烯废旧硬质板材、管材等硬制品经过上述处理后可直接挤出板材,用于建筑物中的电线护管。这类再生利用的工艺路线比较简单,且表现为直接处理和成型；但因未采取其他改性技术,再生制品的性能欠佳,一般只做档次较低的塑料制品。,改性再生利用将再生料通过机械共混或化学接枝进行改性，如增韧、增强并用,复合活性粒子填充的共混改性,或交联、氯化等化学改性,使再生制品的力学性能得到改善或提高,可以做档次较高的再制品。这种改性再生利用的工艺路线较复杂,有的需要特定的机械设备。,塑木技术使用木粉式植物纤维高份额填充聚乙烯和聚丙烯树脂,同时添加部分增黏及改性剂，经挤出、压制或挤压成型为板材,可替代相应的天然木制品,除具有木材制品的特性外,还具有强度高、防腐、防虫、防湿、使用寿命长、可重复使用、阻燃等优点。近年来，国内外塑木板材制品的技术开发和应用发展迅速。木粉填充改性塑料国外早已开始研究，但高份额的木粉填充则是近几年才有较大发展。在日本，有名的“爱因木”就是该类产品；加拿大的协德公司也已开发出类似的塑料制品；奥地利辛辛那提公司及PPT模具公司开发出各种塑木板材制品；我国唐山塑料研究所、国防科技大学、广东工业大学等早些时候，在低份额木粉改性填充树脂体系中，进行塑木产品专用设备的开发。目前，塑木板材主要使用在如下场合：公园、建筑材料、隔音材料、包装材料、围墙，以及各种垫板广告地板等。,土工材料化土工材料只要求某些物理性能和化学性能的技术指标,因此利用废塑料生产土工制品的经济效益和社会效益较好。例如，利用废PP或HEPE加工成降低地表水位的盲沟或防止滑坡塌方的土工格栅等。美国得克萨斯州大学采用黄砂、石子、液态聚合物和固化剂为原料制成混凝土;日本一家公司利用废塑料制成园艺用新型培养土；用废橡胶可以制成人工鱼礁、水土保持材料、缓冲材料和铁路路基。在许多国家,废车胎用来做山区或沙岸、堤坝的水土保持材料。,化学循环利用化学循环利用是近年来对废旧高分子资源化研究的最为活跃的发展趋势。它的二次污染也比较小或可以避免。化学循环一般都是裂解过程产生气体、液体和固体残留物。它们都可加以适当的利用。总的来说,化学循环既可节省和利用资源,又可消除或减轻高分子材料对环境的不利影响。,油化技术废塑料油化技术有热解法、热解-催化改质法、催化热解法3种基本方法。废塑料催化裂解制燃料油技术在世界范围内已有成功的先例,德国、美国、日本等国均建有大规模的工厂。在我国的北京、西安、广州等城市也建立了一些小规模的废塑料油化工厂。油化技术的优势:废塑料催化裂解制取汽油、柴油技术,原料来源广泛,生产安全、污染少、技术可靠,具有较高的社会效益和经济效益,市场前景广阔。,绿色高分子的发展概述,绿色高分子材料源自于绿色化学与技术，包括高分子的绿色合成和绿色高分子材料的合成与应用两个方面；前者是指高分子合成的无害化及其对环境的友好，后者是指可降解高分子材料的合成与使用及其环境稳定高分子材料的回收与循环使用。,在通常的高分子合成过程中，需要大量使用溶剂、催化剂等对环境产生危害的物质。这些物质一般难以除尽，常常会残留在高分子产品中对环境造成长期危害。另外，聚合需要的压力高、时间长，同时会产生大量的热量，为保证反应的顺利进行，就需要大量的水和能源；而高分子的绿色合成则正是要规避这些缺陷。,对高分子进行绿色合成有几点要求：一是合成中不产生毒副产物，或者有毒副产物的无害化处理；二是采用高效无毒化的催化剂，提高催化效率，缩短聚合时间，减少反应所需的能量；三是溶剂实现无毒化，可循环利用并降低在产品中的残留率；四是聚合反应的工艺条件应对环境友好；五是反应原料应选择自外界中含量丰富的物质，而且对环境无害，避免使用自然界中的稀缺资源。当前，高分子绿色合成的主要方法有3种，即改变聚合反应中传统的能量交换方式、改变催化剂和改变反应条件。,作为绿色高分子的又一研究内容，绿色高分子材料的合成与应用也很重要。绿色高分子之所谓绿色，通常是指高分子材料的可降解性。根据可降解高分子的降解机理对其作出明确的定义，再经分子和材料设计合成高分子，并进行加工制备降解塑料，然后对它作出评价。根据评价结果，修正分子、材料的设计，再加上新的降解塑料，如此循环往复，最终得到理想的降解材料。,高分子光降解聚合物吸收紫外光，使聚合物发生水解、胺解、酸解、氧化等化学反应，致使聚合物分子链断裂，分子量变小。生物降解高分子在微生物或在人体及动物体内的组织细胞、酶和体液的作用下，使其化学结构发生变化，致使分子量下降及性能发生变化的高分子材料。,在高分子材料大显身手的今天，为了让它更好地为整个世界的快速、健康、可持续发展服务，我们应该一方面探寻最高效、最经济的循环利用的途径和工艺，一方面要在绿色高分子的研究和开发上不断做到更好。,高分子绿色合成的主要方法有3种，即改变聚合反应中传统的能量交换方式、改变催化剂和改变反应条件。高分子材料包括塑料、橡胶、合成纤维。在二战以前，由于天然高分子材料来源丰富，