新型环保高分子材料研究现状与相关技术进展

新型环保高分子材料研究现状与相关技

术进展

介绍了高分子材料的应用造成的危害，指出研究和使用环保型高分子材料的必要性和重要性，加强塑料制品回收技术对社会可持续发展的意义。同时综述了目前环保型高分子材料的研发和塑料回收相关技术的进展。

关键词：新型高分子材料；环保；回收再资源化

高分子工业的发展不仅服务于工农业生产及人们日常生活，而且为发展高新技术提供更为有效的高性能、多功能材料，已有取代木材、水泥和金属的趋势。值得关注的是高分子材料的使用在为社会带来便利的同时，也带来了一系列不容忽视的问题。首先是环境问题：数据表明，塑料制品总量中约50％将在2年内转化为废弃塑料，塑料制品具有耐腐蚀、不易分解等特性，成为所谓的“白色污染”。其次是能源问题：高分子制品的直接原料来源是石油，当今石油资源面临枯竭，而塑料制品需求量却日益上涨。如何解决高分子材料需求量上涨和环境能源之间的矛盾，开发新型环保高分子材料，同时加大废弃高分子材料回收再利用力度，创建环境保护型、能源节约型、经济发展型社会具有开创性意义。

1 国内外现状分析

降解塑料的发展经历四个阶段：天然材料直接利用、淀粉/聚合物－崩解型材料、全生物分解型及廉价通用型全生物分解型。最初推向市

场的“生物降解塑料”是20世纪80年代美国、加拿大等国研制的5％～15％低淀粉填充聚乙烯（PE）塑料。这种材料降解时仅是少量的淀粉被微生物吞噬，达不到解决环境污染的目的。近年来，在发达国家以完全生物降解塑料的研发最为活跃。据报道，1998年全球完全生物降解塑料年产量约为3万吨，到2001年，美国、西欧、日本的产量增加到7万吨，2004年已经达到12万吨。2007年前全球新投产的生物降解聚合物产量将达到22.5~30万吨。由于全生物材料在微生物或动物体内酶的作用下，可最终分解为CO2和H2O；与天然大分子，比淀粉、纤维素具有更好的力学性能和耐水性，易加工，能够达到塑料的使用要求，通过调节其化学结构，能实现可控降解特点，是目前降解塑料发展的主要方向和内容，并将是今后中长期的产业发展方向。

我国把高淀粉含量的光/生物降解塑料地膜作为研发重点，并列入国家“八五”、“九五”攻关项目，国务院近日印发的《国务院办公厅关于限制生产销售使用塑料购物袋的通知》规定，从2008年6月1日起在全国范围内禁止生产、销售、使用超薄塑料购物袋（厚度小于0.025mm）；同日起所有商品零售场所实行塑料购物袋有偿使用制度。这一举措充分表明我国对材料开发、环境能源和经济发展关系的重视。但是总的来说，我国在此方面的进展不大，借鉴国外技术、专利，直接从事塑料回收利用应用技术试验的研究较多，缺少相关理论探索。业内专家称：近几年中国国内塑料回收量对塑料实际消费量的比率只有20％左右，远低于欧洲等发达国家。

2 环保型高分子材料的研发

环保型高分子材料，即“绿色高分子”，1992年国际学术界对其定义：在原料采用、产品制造、产品使用或再循环和废弃物处理等环节中对地球环境负荷为最小，有利于人类健康的材料。目前这种“绿色高分子”包括化学合成型和天然高分子两类。

化学合成型可降解塑料主要包括天然高分子、二氧化碳共聚脂肪族聚碳酸酯、聚羟基烷酸酯、聚己内酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯等。其典型代表聚乳酸，无毒无刺激性且具有良好生物相容性，可生物分解吸收；亦可塑性加工成型。聚乳酸以再生资源为基础生产，其降解产物乳酸、CO2、H2O等，可用作医用手术缝合线、埋植剂等制药的材料。近几年发展起一种从玉米中提取聚乳酸的技术，被称之“玉米塑料”，是以玉米等富含淀粉的农作物为原材料经生化技术处理得到的高分子化合物。玉米塑料除具备化工塑料同样的物理性能外，它无毒无公害，是一种纯生物质塑料，现已经形成产业化生产。其自然降解产物水和二氧化碳能被绿色植物通过光合作用再次合成淀粉，理论上实现了物质循环。这种可降解型新材料就是被人们称作继金属材料、无机非金属材料、高分子材料之后的“第四类化学新材料”。

美国PURDUE大学开发出含淀粉为20%~30%淀粉/苯乙烯接枝的共聚物具有类似聚苯乙烯的性能，但易被微生物破坏。若采用马来酸酐改性淀粉与聚苯乙烯共混可使淀粉与聚苯乙烯良好相容，制得具有生物破坏性和化学降解性的塑料。也有人采用改性淀粉与乙烯丙烯酸共聚物（EAA）共混，辅以1%~5%碳酸制备有生物破坏能力的薄膜。

目前，这种绿色材料存在的问题是：国内外至今尚无统一的评价方法和标准；人工合成可降解高分子材料工艺复杂，产品性能不稳定，并且加工困难，强度有限；材料降解时缺乏可控性；价格通用塑料5~10倍，推广存在难度。

3 高分子材料回收再资源化

高分子材料的回收再资源化可以分为四级，较为普及的是一级和二级回收利用：包括废旧高分子材料的分拣和分类、直接利用、再加工和改性等。应用较为成功的是将废橡胶粉碎后用作道路材料和体育场跑道材料，具有吸音、透水和高摩擦等作用，提高道路等级。塑料废弃物的分选分离主要集中在PET、PP、PE、PS和PVC等5种主要塑料品种，在手工分选基础上，逐步开发了比重分离技术、溶剂分离技术、利用润湿性分离技术、磁性分离技术、静电分离技术及计算机分离技术等。

三级回收技术含量较高，指可控解聚和降解，将废旧高分子材料变成单体、油脂或其他化学原料，这是最理想的回收方法。降解再生基本原理是将废旧塑料制品中高聚物进行大分子链分解，转变为低分子组分，其中包括单体及其他小分子等。这种回收处理方式可以说使自然资源的使用真正形成了一个封闭循环圈，目前研究较多的是聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。

PS广泛用于电器外壳、办公设备部件、一次性餐具以及保温建筑材料，全球年消耗量达数百顿。目前因其替代品生产工艺复杂成本高尚未得到广泛应用。回收再用PS废料是各国呼吁并研究最多的热点。

回收利用PS的途径很多，如制成新型建材，溶解制备涂料和胶粘剂，热解制成燃料油或有机溶剂等。

关于PE的回收，据悉英国已建成闭环回收HDPE牛奶瓶工业化示范装置。由伦敦废弃物资源化行动组织（WRAP）负责的项目已生产6 万个2.3Ｌ牛奶灌充瓶，这些牛奶瓶含30%的回收HDPE，已于2006年12月开始上市。

PET的解聚方法有酸解、碱解、纯水解聚、醇解、超临界流体解聚等，一些方法已经进行了实际应用。但上述方法仍存在众多不利因素，如反应条件苛刻（高温、高压）或分离过程复杂、后处理过程对环境污染等。大庆石油学院和温州大学部分研究者已经实现PET中性条件的水解，Mahdi采用糖原酵解的方法，将回收PET饮料瓶直接转化为制备聚合物粘结剂的一种原料：不饱和聚酯（UPER）。有资料报道墨西哥一位工程师最近发明了一种新型建筑材料：利用废弃PET 瓶通过模塑生产高密度砖块，此砖块比普通砖抗震、寿命长、质量轻、成本低，节省30％建筑费用。

四级回收是将难以分拣，无法通过一、二、三级再生的废旧高分子材料料转化为燃料，资料显示，高分子材料的燃烧热一般为

18~46×103kJ/kg，大于木材（14×103kJ/kg）。石葆莹等利用催化裂解原理将回收PE转化为燃料油，其中30%~40%组分为汽油。可见四级回收废旧高分子材料潜在价值很高，但存在如何防止二次污染的问题。