生态环境材料的定义

生态环境材料的发展现状与前景

刘永振

江苏省南京市南京工业大学211816

摘要：材料在我们的生活里无处不在，我们需要材料。然而，一些传统材料在给人类带来巨大的物质财富的同时，也带来了严重的资源浪费、环境污染等问题。保护环境、可持续发展的观念是近几年来世界各国所致力推动的。因此，无论是产品制造商还是城市建设者，唯有使用"对"的材料，才会实现可持续发展这一目标。

随着"可持续发展"的提出，客观现实要求人类从保护环境的角度出发，重新认识和评价人类过去在材料研究、材料开发、材料使用和材料回收等方面的行为。正是在这种背景下，生态材料的概念应运而生。关键词：生态环境材料；材料生态周期评价；工艺研究；发展态势

CURRENT RESEARCH ON ECOMATERIALS AND THEIR DEVELOPMENT

Liu Yong Zhen

Nanjing, nanjing university of technology in jiangsu province

Abstract:aterial is everywhere in our life, we need the material. However, some traditional materials in the enormous material wealth to mankind at the same time, also brought serious waste of resources, environmental pollution and other issues. The idea of environmental protection, sustainable development is committed to promoting the world in recent years. Both manufacturers and city builders, therefore, only use "to" material, can achieve the goal of sustainable development.

Putting forward along with the "sustainable development", the objective reality requirements from the perspective of protecting the environment, human recognition and evaluation of the human past in materials research, development, materials used and the behavior of the material recycling, etc. It is in this context, the concept of ecological materials arises at the historic moment.

Key words:ecomaterial;life cycle;assessment;developing situation

长期以来，人们忽视了材料的开发和应用必然受到生态环境的影响和制约。大规模地生产人类生存所必须的材料总是意味着一定程度上损害生态环境。为了人类的生存和发展，人们所面临的课题，即如何生产将环境负荷减至最低，再生率增至最大的材料。日本东京大学山本良一等在90年代初提出新的研究领域“环境材料”Ecomaterials（Environmental Conscious Materials）或 Ecological Materials。到目前为止，关于环境材料尚没有一个为广大学者共同接受的定义。最初，一些学者认为环境材料是指那些不仅具有优异的使用性

能，而且从材料的制造、使用、废弃直到再生的整个生命周期（life cycle）中必须具备与生态环境的协调共存性以及舒适性的材料。经过一段时间的发展，一些学者认为，环境材料是赋予传统结构材料，功能材料以优异的环境协调性的材料；或者指那些直接具有净化和修复环境等功能的材料。即环境材料是具有系统功能的一大类新型材料的总称。还有一些专家认为，环境材料是指同时具有优良使用性能和最佳环境协调性的一大类材料。根据大部分人的理解，环境材料的概念可以概括为：环境材料是指在加工、制造、使用和再生过程中具有最低环境负荷、最大使用功能的人类所需材料。既包括经改造后的现有传统材料也包括新开发的环境材料。特别值得注意的是环境材料的概念或定义应当是确定的或不变的,而判别环境材料的标准是随科学技术的进步而发展或变化。当所有的材料都“环境材料化”了的时候，那么，环境材料这个术语也就完成了它的使命

1 生态环境材料的定义

生态环境材料是指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。良好的环境协调性是指资源、能源消耗少，环境污染小，再生循环利用率高。生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料，是充分考虑人类、社会、自然三者相互关系的前提下提出的新概念，这一概念符合人与自然和谐发展的基本要求，是材料产业可持续发展的必由之路。生态环境材料是由日本学者山本良一教授于20世纪90年代初提出的一个新的概念，它代表了21世纪材料科学的一个新的发展方向。

2 发展生态环境材料的意义

人类的生产过程从材料的生产－使用－废弃的过程来看，可以说是将大量的资源提取出来，又将大量废弃物排回到自然环境的循环过程，人类在创造社会文明的同时，也在不断的破坏人类赖以生存的环境空间。传统的材料研究、开发与生产往往过多的追求良好的使用性能，而对材料的生产、使用和废弃过程中需消耗大量的能源和资源，并造成严重的环境污染，危害人类生存的严峻事实重视不够。

生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的，是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势。

3 生态环境材料的评价

目前通常采用生命周期评价(Life cycle assessment，LCA)的基本概念、原则和方法对材料或产品进行环境行为评估。国际标准化组织(IS014040：2005)对LCA的定义：对一个产品系统的生命周期输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。生命周期是指产品系统中前后衔接的一系列阶段，包括产品原材料的提取与加工、制造、运输和销售、使用、再使用、维持、循环回收，直至最终处理。在LCA研究中有四个阶段：1）目标和范围的确定；2）清单分析；3）影响评价；4）解释。

4 生态环境材料研究的主要方向

生态环境材料研究的主要方向有：①减少人均材料流量，减少材料集约化程度；②减少寿命周期中的环境负荷，使用生态化的生产工艺；③开发天然能源，使用藏量丰富的矿物和天然材料；④避免使用有害物质，使用“清洁”材料；⑤使用长寿命材料，强化再生利用，强化生物降解性；⑥修复环境，强调生态效率(性能一环境负荷比)；⑦环境负荷小的高分子合金设计；⑧可再生循环高分子材料的设计；⑨完全降解高分子材料设计；⑩高分子

材料加工和使用过程中产生的有害物质无害化处理技术。

5 生物降解材料

生物降解材料是20世纪80年代后由于环境和能源之间的矛盾凸显而发展起来的一种新型高分子材料。它是指在一定条件下、一定时间内能被细菌、霉菌、藻类等微生物降解的一类高分子材料。真正的生物降解高分子在有水存在的环境下，能被酶或微生物水解降解，从而使高分子主链断裂，分子量逐渐变小，以致最终成为单体或代谢成二氧化碳和水。

5.1 生物降解材料的作用机理

生物降解性高分子材料的降解通常是以化学方式进行的，即在微生物活性的作用下，酶进入聚合物的活性位置并渗透至聚合物的作用点后，使聚合物发生水解，从而使聚合物的分子骨架发生断裂，成为小的链段，并最终断裂成稳定的小分子产物，完成降解过程。一般高分子材料通过生物物理作用、生物化学作用和酶的直接作用等途径而进行降解。

5.2 生物降解材料的研究进展

目前在生物降解材料方面研究最热、发展最快的为医用生物降解高分子材料。主要为聚乳酸(PLA)类医用高分子降解材料，因其无毒、无刺激性、强度高、易加工成型，具有优良的生物兼容性，可生物降解吸收，在生物体内经过酶解，最终分解成水和二氧化碳，所以广泛用于医疗方面。笔者以PLA类医用生物降解材料为例说明生物降解材料的研究进展。

5.3 几种重要的生物降解材料及应用

当前国内外研究的高分子生物降解材料主要有：①淀粉基降解材料。淀粉基降解材料指的是其组成中含有淀粉或其衍生物作为共混体系的一类材料。淀粉作为可再生资源价廉易得，淀粉填料能促进基体树脂的降解，加工和成型利用现有的填充塑料加工技术和设备，使用性能与基体树脂接近或相当。②PLA类降解材料』。PLA无毒、无刺激性、强度高、易加工成型，具有优良的生物兼容性，可生物降解吸收，在生物体内经过酶解，最终分解成水和二氧化碳。PLA类降解材料是一种新型功能性医用高分子材料。③聚酸酐降解材料。20世纪70年代人们利用其水解不稳定性，开发出生物降解材料。由于其优良的生物兼容性和表面溶蚀性，在医学领域得到广泛的应用。④聚氨酯(PUR)降解材料。可降解性PUR主要有纤维素／木质素／树皮改性PUR、单糖或二糖改性PUR和淀粉改性PUR。广泛用于建筑、家具、电器等行业。⑤聚对苯二甲酸乙二酯(PET)／聚乙二醇(PEG)降解材料。PET是一种性能优良的通用高分子材料，当其中加入PEG进行熔融共缩聚，可以合成具有微相分离结构的嵌段共聚物，其降解速度明显加快，为聚合物用作环境友好材料和生物医学材料奠定了基础。

生物降解材料的应用极为广泛，包括医药、农业、工业包装、家庭娱乐等。近年来发展的生物降解性吸收高分子材料是指材料完成医疗作用后，在一定时间内被水解或酶解成小分子参与正常的代谢循环，从而被人体吸收或排泄。生物降解塑料已被用在血管外科、矫形外科、体内药物释放基体和吸收性缝合线等医疗领域。农用降解材料最终转化成提高土质的材料，主要有农用覆膜、药物的控制释放。在塑料卡中(如信用卡、IP卡等)加入降解性材料也能使其在废弃后迅速降解而不污染环境。目前在美国等西方发达国家，包装材料和方便袋等都已使用可降解的纸材料或纸袋。这些材料的使用大大降低了对环境的白色污染，提高了环境质量。我国目前已经开始重视白色污染的问题，2008年6月1日开始实行的“限塑令”就充分说明了这一点。

6 长寿命高分子材料

长寿命高分子材料的开发是未来高分子材料重要研究内容之一，但是应根据用途和是否对环境产生深远影响进行综合研究。通过延长高分子材料的使用寿命，从而提高资源的利用率，降低资源开发速度。目前日本在长寿命高分子材料研究方面处于领先地位，日本出兴光产公司开发了长寿命蓝光和绿光有机发光材料，此材料改进了蓝光有机发光材料的分子结构，因而得到电流发光效率为9 cd／A，半寿命为223 000 h，不仅改进了绿光有机发光材料的色纯度，而且提高了寿命。兰伟等对用于长寿命热电池的气相SiO，复合保温材料进行了研究。其所研制的保温材料在500~C，密度为0．265 g／em 时，导热系数为0．0629 W／(Ill·K)，接近美国同类材料Min—K的水平。

7 仿生物材料

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称为仿生物材料。仿生物材料在生物兼容性的基础上，从材料的制备到应用都与环境、人体有着自然的协调性。已经研究开发的仿生物材料主要有生物陶瓷及其复合材料、组织工程材料和仿生智能材料等。组织工程材料是用于取代某些生物体组织器官或恢复、维持以及改善其功能的一类仿生物材料。常见的组织工程材料包括组织引导材料、组织诱导材料、组织隔离材料、组织修复材料和组织替换材料等。仿生智能材料是指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。仿生智能材料刚刚出现十余年，但已经发展成为生物材料领域最引人注目的研究热点之一。目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释放体系以及仿生薄膜材料等。

8 生态材料与可持续发展的关系

生态材料的提出具有鲜明的时代特征。材料是人类社会文明进步的基础和先导，但传统材料的研究开发与生产也带来了严重的环境污染和生态破坏，面对人类有史以来最严重的生态环境危机，大力发展生态材料是面向二十一世纪的新材料的唯一选择，是可持续发展的迫切需要。

总之，生态材料必将成为未来新材料的一个重要分支，作为跨材料科学、环境科学以及生态科学等学科的新型材料，在保持资源平衡、能源平衡和环境平衡，实现社会和经济的可持续发展等方面将起到非常重要的作用。如果在生产和生活中广泛使用该类材料，就可以实现社会的可持续发展，使资源和能源得到有效的利用，使我们的生产和生活环境得到有效的保护。该类材料代表着科学技术发展的方向和社会发展进步的趋势，必将对人类社会进步起到巨大的推动作用。

对策和建议

实现社会和经济的可持续发展是人类发展的永恒话题。生态材料作为一门新兴的交叉学科，将环境意识融入本世纪新材料的开发过程中，这将对保持资源平衡，能源平衡和环境平衡，实现社会和经济的可持续发展战略方面提供了有力的支持。

①转变观念，树立资源与环境意识：认识自然资源的有限性，制止过分消耗，加强环境保护和提高资源利用效率；认识生态环境承载能力的有限性，控制环境污染，加强环境保护。

②国家层次的行为：将上述意识上升为国家意识，制定适合我国国情的法规与政策，形成规范。加大对相关研究的投入。

③对传统材料产业生产过程等进行环境协调性改造：从根本上提高资源、能源使用效率，减少和消除环境污染，实现零排放。

④对已形成的污染，要积极开发治理技术和进行材料研究。

⑤制定与实施生态材料的教育计划：在材料专业开设环境材料选修课，把环境材料学融入国家的环境教育体系。

9 生态环境材料的发展趋势

生态环境材料经过十几年的发展和研究，以下几点已为世界公认：①材料的环境性能将成为2l世纪新材料的一个基本性能；②用LCA方法评价材料产业的资源和能源消耗、三废排放等将成为一项常规的评价方法；③结合资源保护、资源综合利用，对不可再生资源的替代和再资源化研究将成为材料产业的重要发展方向；④各种生态环境材料及其产品的开发和广泛应用是其发展的重点。

高分子生态环境材料未来的发展方向是：①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；②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的设计；③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。

结论

总之，生态环境材料必将成为未来新材料的一个重要分支，作为跨材料科学、环境科学以及生态科学等学科的新型材料，在保持资源平衡、能源平衡和环境平衡，实现社会和经济的可持续发展等方面将起到非常重要的作用。如果在生产和生活中广泛使用该类材料，就可以实现社会的可持续发展，使资源和能源得到有效的利用，使我们的生产和生活环境得到有效的保护。该类材料代表着科学技术发展的方向和社会发展进步的趋势，必将对人类社会进步起到巨大的推动作用。

参考文献：

[1] 王超，材料的可持续发展与生态设计战略研究，《商场现代化》，2006年；

[2] 路甬祥，《中国可持续发展总纲》，科学出版社；

[3] 姚康德、许美萱、成国祥、金祖亮，生态材料，《材料导报》，1995年，06期；

[4] 王天民，生态环境材料--社会可持续发展的物质基础，《航空学报》，2002年；

[5] 靳林，浅谈生态环境材料，《科技信息（学术研究）》，2008年，27期。