生态环境材料.ppt.ppt

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1、生态环境材料生态环境材料导导 读读l材料、环境材料与生态环境材料 l几种常见的环境材料l有机高分子材料l纤维素、聚乳酸与甲壳素l纺织纤维材料第一讲第一讲 材料、环境材料与生态环境材料 重点：材料生产对环境的依存关系、环境材料概念、主要环境材料种类、生态环境材料主要研究内容。材料学研究的对象材料学研究的对象 当今人类社会面临的三大问题:l人口膨胀l资源短缺l环境恶化传统的“材料科学与工程”定义：“材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和它们性能与用途之间的有关知识的开发和应用的科学。”材料科学的主体内容材料科学的主体内容l金属材料金属材料l陶瓷材料陶瓷材料l合成高分子材料合成高分子材料当今社会

2、发展的三大支柱:能源、信息、材料能源、信息、材料化学是材料发展的源泉化学是材料发展的源泉l化学与材料科学保持着相互依存、相互促进的关系。材料的分类方法 按材料的成分和特性分类，可分为：l金属材料l陶瓷材料l高分子材料l复合材料材料产业的发展趋势l必须走与资源、能源和环境相协调的道路必须走与资源、能源和环境相协调的道路才是可持续发展的才是可持续发展的。环境材料的概念环境材料的概念l(1)在发展新材料、新技术体系时，既要考虑到技术环境负担的大小，材料本身对环境的污染程度，又要顾及材料使用时的传统性能（材料的先进性）。l(2)在材料的生产环节中资源和能源的消耗少，工艺流程中采用减少温室效应气体的技术

3、，废弃后易于再生循环。材料及技术本身要具备环境协调性。l(3)材料具有舒适性，人们乐于接受。生态环境材料的特征生态环境材料的特征 从材料本身性质来看，生态环境材料的主要特征是：l(1)无毒无害、减少污染，包括避免温室效应和臭氧层破坏等；l(2)全寿命过程对资源和能源消耗小；l(3)可再生循环利用、容易回收;l(4)材料的高使用效率等。材料产业的发展必须走与资源、能源和环境相协调的道路才是可持续发展的，“生态环境材料”概念，是材料科学与工程研究发展的必然趋势。生态环境材料学的实质生态环境材料学的实质l赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性l在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造

4、传统材料 我们之所以强调它并非仅特指新开发的新型材料，并不是排它的新材料体系，是因为实际上任何一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，它就应视为生态环境材料。生态环境材料学的研究内容l材料的环境负荷评价方法（材料的环境负荷评价方法（LCA）和标）和标准准(ISO14000)的建立的建立l材料的新技术设计（生态、可循环再生、材料的新技术设计（生态、可循环再生、可拆卸）可拆卸）l建立教育体系建立教育体系生态材料物流和能流循环再生l由于资源的有限性和环境容量的有限性，21世纪的材料应当是可循环再生的。第二讲第二讲 几类重要的环境材料l金属材料l无机非金属材料l高分子材料l生物资源材料

5、金属材料金属材料l金属在当今人类使用的材料中仍占主导地位。l有色金属在地球上是以非常分散的形式存在，有色金属原矿品位普遍很低。l铜及铜合金(导电、导热、抗蚀性及易加工性）是最有商业价值的金属材料 无机材无机材料料 l特点：高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性，以及宽广的导电性、铁磁性和压电性 l高温加工，能源消耗大。l传统无机材料：工业和基本建设所必需的基础材料（如水泥、耐火材料、各种玻璃、各种陶瓷、碳素等）。l新型无机材料：具有特殊性能和用途的材料（如先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等）。高分子材料高分子材料 l橡胶、塑料、化学纤维、涂料。l对环

6、境的影响：1不易自然降解、水解和风化；2强制降解时排放CO、氯乙烯单体；3原材料70%以上来源于石油。性性 质质 和和 用用 途途塑塑 料料纤纤 维维橡橡 胶胶涂涂 料料胶粘剂胶粘剂功能高分子功能高分子以聚合物为基础，加入（或不加）各种助以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。材料。具有可逆形变的高弹性材料。具有可逆形变的高弹性材料。纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。倍。涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料和保护作用

7、的聚合物材料能通过粘合的方法将两种以上的物体连接能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料在一起的聚合物材料高高 分分 子子 的的 分分 类类具有特殊功能与用途但用量不大的精具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料细高分子材料生物资源材料生物资源材料l纤维素、甲壳素、淀粉以及植物蛋白质等是地球上最巨大的再生资源高分子。l本世纪将逐渐走向脱离石油资源而立足于可再生资源的“新高分子化学”体系。再生纤维素纤维再生纤维素纤维再生纤维素再生纤维素纤维的应用纤维的应用环境污染控制材料环境污染控制材料 l防止、治理环境污染过程中所用到的一些材料。修复、净化或替代。l大气污染控制材料、水污染控

8、制材料、固体污染控制材料以及其他污染控制材料 功能高分子材料功能高分子材料第三讲第三讲有机高分子材料l有机高分子材料主要包括塑料、橡胶和合成纤维三大类，其中塑料占总量的80。在塑料中占80的是通用高分子，包括高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯以及聚氯乙烯与聚苯乙烯。原料主要来源于石油化学工业。l对环境影响：一是废弃物品种繁多；二是废弃物数量巨大；三是绝大部分废弃物几乎不能自然降解、水解和风化。石油合成材料的生产流程高分子材料的发展历史l19世纪中叶，人类才开始对天然高分子的化学改性与应用，而后又发展到高分子的人工合成，这中间主要包括橡胶、纤维与塑料等。醋酸纤维的运用粘胶纤维的运用中国高分子材料研究

9、成果 l聚醚砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺等树脂专用材料l新型紫外光固化涂料l超高分子量聚丙烯酰胺l智能恒温电缆、多功能超强吸水保水剂、粉煤灰高效活化剂高分子聚合物的晶态结构模型高分子聚合物的晶态结构模型l排队化学新型服装材料新型服装材料能调解温度的服装新型服装材料新型服装材料彩棉、彩丝大豆纤维新型高分子材料l导电高分子导电高分子l医用高分子医用高分子l可降解高分子可降解高分子l高吸水性高分子高吸水性高分子医用高分子可降解高分子 2002 2002年春，大年春，大日精化工业公司开日精化工业公司开发了可生物降解墨。发了可生物降解墨。该商品系采用专用该商品系采用专用有机颜料有机颜料,和天然衍和天然衍生物材

10、料（作添加生物材料（作添加剂）配制而成，其剂）配制而成，其功能几乎与传统的功能几乎与传统的照相印刷墨相当。照相印刷墨相当。有机高分子类生态环境材料研究的基本内容有机高分子类生态环境材料研究的基本内容 l开发高效生产技术，使高分子材料精细化、功能化、高性能化以及生态化；优化设计，根据各种高分子材料制品用途进行可降解或长寿命高分子材料设计；探讨与环境协调的再生循环方法，使高分子材料废弃物变废为宝，实现资源再生利用。有机高分子材料零排放技术有机高分子材料零排放技术 l零排放技术的实质是降解技术、天然高分子零排放技术的实质是降解技术、天然高分子开发应用技术、低负荷设计技术及减少金属开发应用技术、低负荷

11、设计技术及减少金属一高分子材料复合构件等一高分子材料复合构件等 l天然高分子材料的开发与应用被认为是实现有机高分子材料零排放的最理想途径。有机高分子材料再生循环技术l回收技术回收技术l再生循环技术再生循环技术l土理处理土理处理高分子结构与降解性的关系易降解高分子结构易降解高分子结构难降解高分子结构难降解高分子结构表面粗糙表面粗糙表面光滑表面光滑直链直链侧链、支链、交联侧链、支链、交联柔软柔软晶态晶态脂肪族脂肪族芳香族芳香族低相对分子量低相对分子量高相对分子量高相对分子量亲水性亲水性疏水性疏水性第四讲第四讲 生物资源高分子材料生物资源高分子材料 l利用可再生资源代替广泛使用的石油是保护环境的一个

12、长远的发展方向。l利用生物资源合成环境材料是当前环境材料化学的重要内容。碳、氮再生循环利用碳、氮再生循环利用 1-纤维素纤维素纤维素的产品应用纤维素的产品应用 l纤维素的改性纤维素的改性 衍生化改性衍生化改性 接枝改性接枝改性 复合改性复合改性 共混改性共混改性 纤维素环境材料的应用纤维素环境材料的应用 无纺布和海绵无纺布和海绵 分离净化膜分离净化膜 多孔粒子多孔粒子纤维素衍生化改性纤维素衍生化改性 无纺布、海绵、玻璃纸无纺布、海绵、玻璃纸纤维素接枝改性纤维素接枝改性舒纶纤维舒纶纤维纤维素复合改性、共混改性纤维素复合改性、共混改性Lyocell纤维相关专利申请并公开的文献量纤维相关专利申请并公

13、开的文献量 H3CNCH2CH2CH2CH2OO新的溶剂法再生纤维素纤维新的溶剂法再生纤维素纤维 N甲基吗啉N氧化物：NMMOLyocellNewcellTencel有关Lyocell纤维素纤维的发展历程1有关Lyocell纤维素纤维的发展历程2有关Lyocell纤维素纤维的发展历程32-甲壳素甲壳素l产量仅次于纤维素，是地球上第二大再生资源。l除蛋白质之外的数量最多的含氮有机物。l自然界中惟一大量存在的碱性多糖。纤维素纤维素-OH被乙酞氨基或氨基取代被乙酞氨基或氨基取代甲壳素论文与专利统计甲壳素及壳聚糖的衍生物反应l甲壳素、壳聚糖分子中由于含有-OH、NH2、吡喃环、氧桥等功能基，其衍生化反

14、应主要发生在这些功能团上。甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用l医用材料l1)人造骨与骨缺损填充材料的开发l2)医用微胶囊和药物缓释剂l3)人造皮肤等医用敷料l4)可吸收的手术缝合线l5)人工透析膜l6)隐形眼镜甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用l功能材料功能材料l1)膜l2)功能纺织材料l3)催化剂、单体的聚合引发刑、色谱及固定化载体、污水处理及阳离子试剂3-聚乳酸（PLA）l聚乳酸酯的发展历史聚乳酸酯的发展历史l年杜邦公司Carothers发明l1994年日本钟纺与岛津制作所以玉米为原料开发出新型聚乳酸PLA纤维l年Cargill公司和Dow chemical公司建成中间试验厂乳酸和聚乳酸的生产技术

15、l乳酸的制造方法主要有三个途径:l淀粉发酵法l丙烯腈法l乙醛氢氰酸法乳酸的制备乳酸的制备 乳酸可由含淀粉类谷物经水解生成葡萄糖、麦芽糖等糖类，再经特殊酵母菌发酵方法制成。该技术最早由美国卡吉尔公司开发并实现工业化生产。乳酸的生产原理 由玉米淀粉经水解制成葡萄糖，再由乳酸杆菌发酵制成碱性乳酸盐，经净化，电渗析工艺制成纯净的乳酸，其中99.5%为左旋乳酸，0.5%为右旋乳酸聚乳酸的制备l直接缩聚法 主要特点:工艺流程短，成本低，环境友好，技术成熟 不足:平均分子量低，不利于工业化生产l内丙酯开环缩聚法 主要特点:平均分子量高，应用范围较广 不足:工艺流程较长，成本较高，工艺较复杂，消耗大量试剂 难

16、点:乳酸的环化和提纯是技术难点也是关键PLA纤维的制备l干法溶液纺丝法干法溶液纺丝法l熔融纺丝法熔融纺丝法 熔融纺丝生产技术已成为纺丝成形加工的主流技术 干法溶液纺丝法工艺复杂，溶剂回收较难，生产成本高；溶液纺丝环境恶劣，溶剂有一定的毒性，纤维需特殊处理，因而限制了该技术在PLA纤维材料生产中的应用。PLA纤维的结构与性能lPLA和PET虽同属于聚酯类，但PET是芳香族聚酯化合物，每一重复链段是以苯环相连接，而PLA属于脂肪族聚酯化合物，在其每一链段侧面连接着-CH3基团，这将会妨碍链段旋转，阻止酯基的氧原子接触。l由于不同PLA的分子结构，对最终纤维的性能通常会产生一定的影响。然而在PLA形成时，对这些结构的相对比例进行控制，就可得到不同性能的PLA聚合体。聚乳酸酯的绿色环保特点l生产原料可以再生l聚乳酸酯的生产过程无毒l本身对环境也不造成污染聚乳酸酯几项特殊性能l1）聚乳酸酯的降解性能l2）聚乳酸酯的抑菌性l3）聚乳酸酯的人体可吸收生态性l4）聚乳酸酯的舒适性l5）聚乳酸酯的燃烧性能l6）聚乳酸酯的耐紫外线性能乳酸聚合物与其他塑料机械性能比较乳酸聚合物与其他塑料机械性能比较 性能性