(完整word版)环境材料学第11-15章

11章11-1.用LCA方法分析木材的环境性能。

结合考虑全球温室效应影响，讨论种树和种草对减少CO2的效果。

书上：P209的（1）再生性，P210的（2）固碳作用木材属于环境材料。

环境材料就是一种与环境之间具有友好性或协调性的材料。

它的本质特征在于其生命周期的整个过程中具有低的环境负荷值。

木材来源于树木。

树木是自然界光合作用的产物。

即在太阳能作用下,6CO2+6H2O →C6H12O6+6O2。

这一过程中环境的友好性表现在:(1)就物质而言,生产1t树木(纤维素、半纤维素、木素等)吸收了大气中1.16t CO2,同时向大气中放出1.12tCO2。

因此生产树木或木材,一方面可减少大气中温室气体——CO2的含量,减缓温室效应的强度;另一方面为人类以及其它动物提供了维持生命所不可缺少的大量氧气。

这是最基本的环境性能。

其实,木材生长过程中具有的环境性能准确地说就是森林所具有的多种生态效益,即涵养水源、保持水土、净化空气、调节气候等等。

所以说木材原材料的生产过程完全是一个净化自然、改良环境的过程。

(2)就能源而言,由上面的等式可见,木材生长所需的能源来源于太阳提供的辐射能。

木材生长就是通过光合作用将太阳的光能不断转换为自身的有机分子的化学能的过程。

太阳辐射能是自然界中本来就存在的一种可再生能源,与钢铁、水泥等材料加工中所用的煤、石油等不可再生能源相比,不仅数量上无穷无尽,而且对环境无污染。

这正是我们人类一直想大力利用太阳能的原因所在。

木材生长恰恰是利用了太阳能这一非常清洁、取之不尽的能源,并且在能量获得、转换过程中,是完全直接、自主的,无需任何人工手段。

因此,木材生长在能源利用方面采用了最佳的方式。

11-2.如何利用木材的环境特性来减少材料加工和使用过程的环境负担性?书上：P210的（3）木材的调湿性（4）木材的视觉特性（5）木材的触觉特性可以作为使用过程的参考。

加工过程：总之,木材的生产加工比较容易,不象金属材料要经过冶炼和煅烧、塑料要经过许多化学反应等这样一些能耗高、三废多的过程。

木材一般经过锯、铣、刨、钻等工序就可制成各种元件,通过榫槽、简单的金属构件或胶粘剂可方便地将它们组装成制品。

可见木材的加工与木制品的生产主要是通过机械加工手段,改变木材的大小与形状制得元件,然后组配成制品的过程。

这个过程中几乎没有相变和化学反应,因此能量消耗和废水、废气的排放均很小,虽有一些刨花、锯末等废弃物,但至少也可将它们燃烧用于提供能源。

使用过程：（对书上的三个方面的补充）木材是一种多孔轻质材料,导热系数较小,为热的不良导体。

木材或木质人造板作为墙体或装饰材料,对居室的温度具有调节作用。

木材具有吸湿与解吸作用,调湿性是木材的独特性能之一。

用木质材料作为墙体或装饰材料,能直接缓和室内空间的湿度变化。

这样可减轻壁体结露、物体腐朽以及细菌大量繁殖等不利现象的发生,并为人类生活提供舒适的湿度环境。

另有研究表明,经木材装修的住宅与未装修的住宅相比,其室内温湿度条件明显更适宜于人类生活。

木材对射线有着独特的吸收和反射性。

一方面它可以吸收阳光中的紫外线,减轻其对人眼和皮肤的伤害,而另一方面它又可以反射红外线,使人产生温暖感.木材中除其三大主要组成成分以外,还有一定的内含物。

当木材在使用时,就会向环境中释放这些物质。

而这些物质中,有些能够杀灭空气中的细菌,有些还具有怯病健身功效。

如松木有消炎、镇静、止咳作用,椴松可使结核菌或白喉菌无法生存,杉木可刺激大脑使之更为活跃。

因此可以说,这类木材的使用也改善了环境中的空气质量。

11-3.根据用途，调查木材的复合处理过程对环境带来的附加影响。

书上：P212的（3）细微复合处理木材表面细微复合处理是在分子水平上的处理技术，目前尚属新课题。

简单地说，细微复合处理是使木材表面各个层次都形成具有过渡性的界面，在此基础上既保持木材原有的舒适性和环境协调性，又创造出具有优异性能和高耐久性的复合材料。

11-6.从成分和结构上分析比较木材和竹材的使用性能及环境性能。

书上：P208和P214成分上比较，木材主要由管状细胞结构和软组织构成；竹材的化学成分与木材相比，含有较高的纤维素，半纤维素，此外还有较高蛋白，脂肪胶蜡，淀粉类及还原糖等，故比木材更易产生虫蛀，霉变和腐朽等损坏。

结构上比较，木材主要成分是纤维素、半纤维素和木质素组成;竹材是各向异性材料，一般为从基部到梢部，从内部到外层维管束密度，纤维含量增加，各类细胞，导管孔径，细胞腔，胞间隙均呈变小的规律。

竹材和木材相比具有壁薄中空，可塑性差，易霉变和易腐蚀等缺点，其最大的优点在于生长周期短，资源丰富。

11-7.结合碳，氮循环示意图讨论分析固碳和固氮的技术途径。

比较各种技术的环境效益和经济效益。

（后半部分找不到）固氮：分为大气固氮（动物体内蛋白质），生物固氮（植物体内蛋白质）和工业固氮（氨）。

固碳：分为植物固碳（光合作用）和海洋生物固碳（石灰石）。

11-8.调查三大天然资源如天然纤维素，淀粉，甲壳素深加工利用的技术途径。

书上：P221 的 1.纤维素，甲壳素和淀粉天然纤维素：目前，在天然纤维素的综合利用方面，纤维素是重要的造纸原料。

此外，将纤维素进行酸解，酶催化降解，氧化还原，酯化，醚化等反应，可制造各种纤维素衍生物以及产品。

例如，纤维素黄原酸酯是生产粘胶人造丝及玻璃纸的原料；醋酸纤维素主要用作过滤嘴香烟的纤维束和装饰硬纸板，同时也广泛应用于制造抗燃性电影胶片，清漆，塑料，人造丝以及净化分离膜等原料。

甲壳素：目前甲壳素被广泛应用于制造生物医用材料，如外科手术缝线，人工透析膜，止血剂和伤口敷料，药物释放剂及隐形眼镜等。

甲壳素经脱乙酰化处理的产物是壳聚糖，和甲壳素相比，壳聚糖的溶解性大为改善，在医学，药物制剂学，化工，食品，化妆品，印染，造纸，包装，农业，环保等方面具有广泛的用途。

另外，甲壳素可用于制造膜分离材料，纤维功能材料以及净水絮凝剂。

淀粉：淀粉及其衍生物的综合利用一直是天然材料深加工利用的研究热点。

已形成工业生产的淀粉衍生物有磷酸淀粉，醋酸淀粉，醚化淀粉，氧化淀粉，羧甲基淀粉，阳离子淀粉，烃烷基淀粉，双醛淀粉，交联淀粉，接枝共聚淀粉等。

目前的应用主要是淀粉制造高性能粘合剂和生物降解膜。

12章12-1.仿生物材料既然已具备与生物的相容性，为什么还要考虑其环境性能？(p226)答：仿生物材料是一类模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。

它是从分子水平上研究生物材料的结构特点、构效关系，进而研发出类似或优于原生物材料的一门新兴学科，是化学、材料学、生物学、物理学等的交叉。

其基础理论、研究内容、技术开发及应用等范围非常广泛，内容非常丰富。

由于仿生在本身具有生物兼容性的基础上，从材料的制备到应用都与生态环境和人有着自然的协调性，因此，仿生物材料与环境材料有着不可分割的关系，它是未来环境友好材料发展的重要方向之一。

12-4.大多数生物矿物材料的成分都很简单，如骨骼，牙齿，珍珠，珊瑚等，主要是钙，镁，硅，氮气机械性能都很优异。

为什么人工合成的材料在目前还不能达到天然生物材料的这些性能？书上：P231 最后两段因为动物的骨骼，牙齿，贝壳等材料是通过生物矿化过程形成的。

生物矿化区别与一般矿化的一个显著特征是，它通过有机大分子和无机矿物离子在界面处的相互作用，在分子水平上控制无机矿物相的析出，从而使生物矿物具有特殊的高级结构和组装方式。

这种复杂的化合物，其结构和界面选择了适于其功能的最佳设计。

相比之下，人工合成的材料没有经过如此复杂的工艺，无法达到天然生物矿物材料的这些性能。

12-5 羟基磷灰石是目前研究最多的生物陶瓷材料。

从材料制备工艺的角度综述羟基磷灰石的制备工艺。

1.固相反应法固相反应法的基本原理是将含钙离子及磷离子的固体盐类物质在容器内混合均匀，通过高温加热，使容器内的各物质发生固相反应，然后向该容器内通人一定量水蒸汽，从而制得HAP颗粒。

用固相反应法制备的HAP具有结晶度高、无晶格缺陷等优点。

但是，固相反应法也存在以下缺点：反应速度缓慢，制备耗时较大，容易引人有害杂质，制备的晶体颗粒直径较大(通常大于lmm)。

2 沉淀法化学沉淀法的基本原理是把不同的的原料充分溶解混合，得到一定量的沉淀物，沉淀一段时间后，在一定的温度下对沉淀物进行干燥、煅烧，制得纳米材料。

为了提高沉淀效果，大多数反应往往需要在混合溶液中加入一定的沉淀剂。

化学沉淀法实验条件要求不高、反应容易控制，因此，在制备纳米材料的工业生产中有着广泛应用。

3.水热法水热法的基本原理是：通过高温高压使某些在常温常压下难溶于水的物质溶解或发生化学反应，生成晶体溶解产物，达到一定的过饱和度后而进行结晶和生长的方法。

该法的优点是可以用来制备各种各样的单晶体，而且制备的晶体颗粒纯度高、结晶完整。

缺点是水热法对设备强度要求较高，导致合成成本很高。

4 溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是已知的制备HAP材料方法中比较简单的一种。

该法的基本原理是：把一定量的有机化合物溶解在溶剂中形成溶液，经过水解、聚合过程，形成了能溶于碱性溶液的纳米级的溶胶粒子溶液，然后通过进一步的反应使溶胶老化成为凝胶，最后在一定的温度下对凝胶进行干燥煅烧得到HAP粉末。

12-6 仿生智能材料同时具有感知和驱动的双重功能。

试从材料的成分和结构出发分析这种无生命的材料为什么具有生物特性？(p236)答：仿生智能材料的性能不仅与材料的成分、结构和形态有关，而且与材料所处的环境有关，可响应环境的刺激和变化，当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

这来材料可以是有传感器或敏感元件等与传统材料结合而成，实现自我发现故障，自我修复，并根据实际情况作出优化反应，发挥控制功能;也可以是有些材料的微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能。

12-7 试阐述智能高分子纤维材料为什么对混凝土具有自修复功能？（p236）答：它可以感知混凝土中的裂纹和腐蚀并自动将其修复。

这种有硅酸盐纤维和聚丙烯高分子制造的多空空心纤维可以埋入所有的混凝土结构中。

混凝土的过度扭曲会撕裂纤维，使其释放化学物质填充裂纹，以达到修复目的。

第13章13-1.什么叫环境降解材料？怎么定义环境降解材料？(p239)答：环境降解材料一般指在适当和可表明期限的自然环境条件下，可被环境自然吸收、消化或分解，从而不产生固体废弃物的一类材料。

13-2.从环境性和经济性的角度分析解决白色污染的技术途径。

答：目前的技术措施主要有少用塑料、废品回收、化学利用、焚烧、掩埋、发展可降解塑料等。

少用塑料是最积极的一项措施，可减少资源消耗。

回收利用主要指对某些塑料制品，如饮料瓶、物品转移箱等，采用循环再利用技术。

化学利用指将塑料废弃物作为热能、化学原料和原材料进行回收利用，如生产汽油、柴油等。