可降解生物质复合材料

生物质材料及应用教师：高翠丽电话箱：qdugcl@126.com11、环境、资源与材料1.1环境

21世纪的人类面临的十大环境问题⑴人口膨胀地球的承载力是有限的。世界：60亿(1999.10.12)→90亿（2050）；每年净增人口6000万。中国：12.95亿（2000.11.1）；每年净增人口1000万。

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⑵能源危机

世界：三大化石能源目前占全球使用能源总量的90%;发达国家消耗量每5-10年翻一翻，2050年基本耗竭。中国：总储量在世界距第三位；人均量不到世界平均水平的一半；煤炭只能开采80年，石油只能开采20年，天然气只能开采30年。

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⑶森林面积锐减

世界：1950年以来全世界的森林已损失过半；每年的造林面积仅为砍伐面积的1/10左右。中国：“九五”期末森林覆盖率16.55%，世界平均水平为25%；人均面积不到世界平均水平的1/10。危害：水土流失，旱涝灾害增加，气候异常，物种消失，温室效应加剧。

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⑷土地严重荒漠化

世界：荒漠化面积达3500万km2；现在每分钟就有1公顷土地荒漠化。中国：目前荒漠化面积达262万km2，占国土面积的27.3％；以每年2460km2的速度扩展；每年造成的直接经济损失达540亿元。危害：破坏土地资源，气候异常（沙尘暴）,物种消失，使人类、动植物失去生存的家园。6

⑸自然灾害频发

类型：旱涝、海啸、台风、地震、滑坡、泥石流、地面下沉等。危害：1995年全世界造成的经济损失达1800亿美元，导致50多万人死亡。地面沉降情况：上海目前的地面沉降速度是1cm/a；西安20年来地面沉降了1-2m；

苏州的地面沉降问题也非常突出。7

⑹淡水资源日益枯竭

世界：淡水量占2.5%,人类能够利用的淡水约占其11%；20亿人口淡水资源不足，10亿人饮用水不合卫生要求，每年有1200多万人因水污染致病而死亡。（水—20亿生命之所系）中国：全国668个城市（1998年底）中缺水城市达400多个；人均水资源量仅为世界人均量1/4的。苏州：人均水资源量只有全国平均水平的1/4；部分河流污染严重，太湖呈现了明显的富营养化趋势。8

⑺温室效应加剧

温室效应的概念：温室气体产生的保温作用。现状及趋势：温室效应逐渐加剧，地球温度不断升高；20世纪气温上升了0.3-0.6℃；30年后还要上升1.5-4.5℃。原因：CO2浓度平衡失调。主要危害：气候异常、物种灭绝（200种／天）、海平面上升。海平面上升情况：在未来的1000-2000年内,海平面将升高7-8米。9

⑻臭氧层破坏

臭氧(O3)层概念：地球的保护层。破坏原因：人类广泛使用和释放氟氯烃CFCs类物质。现状及趋势：1985年，人类在南极上空首次观察到“臭氧空洞”（2400万平方公里），随后在北极上空也观察到“臭氧空洞”。主要危害：强烈的紫外线辐射，会损害人和动物的免疫系统，诱发皮肤癌和白内障，破坏地球生态系统。控制情况：国际，中国。

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⑼酸雨出现频繁

概念及形成原因：

pH<5.6,SO2和NOx排放引起。现状及趋势：

北欧、北美、我国西南地区；

贵阳降雨pH值曾低到3.1。主要危害：水体和土壤酸化，动植物死亡，腐蚀建筑物、铁路和桥梁等设施；

我国因酸雨和SO2污染造成的损失，每年达1100多亿元人民币。11

⑽污染物排放量剧增

工业生产：排放各种化学废物，包括有毒、有害和危险废物。

农业生产：化肥，农药。生活污染：生活废水、生活垃圾、白色污染。直接经济损失：我国的大气和水污染造成的直接经济损失占国内生产总值的4%-8%。

121.2资源广义而言，人类在生产上、生活上、精神上所需的物质、能量、信息等“初始投入”，等均可称之为资源。从这种意义上说，我们有人力资源、社会资源、自然资源等。狭义的资源仅指自然资源。包括太阳能，土地、水、大气、岩石、矿物、森林、草地、矿产、海洋、生态系统的环境机能、地球物理化学的循环机能等。资源问题主要是指由于人口增长和经济发展，对资源的过量开采和不合理开发利用而产生的影响资源质量的一系列问题。同人口问题、环境问题一样，资源问题说到底也是发展问题。人类面临的主要资源问题

自然资源：指在一定的经济技术条件下，自然界中可以被人类生产与生活利用的物质和能量的总称。

分类：（1）非可再生资源（2）可再生资源

淡水资源短缺

（1）世界淡水供应少①可以用的水资源少A．在全球水储量中，淡水只占2．53％。B．所有淡水中99％难以直接利用。C．人类最容易获取的是江河湖沼中的水。②淡水资源在陆地上分布很不均匀③水资源浪费和污染严重

（2）世界淡水的需求量大（3）水资源短缺的影响

①水资源短缺制约着经济发展，影响着粮食产量，对生态环境产生不良影响，并且直接损害人们的身体健康。②为争夺水资源，在一些地区还引发国际冲突。如，水资源短缺已成为中东、非洲等地区国家关系紧张的重要原因之一。同一条河流的上游与下游国家，常因为水的问题发生争执。耕地日渐减少

中国耕地资源面临的压力①耕地面积总量大，但人均占有量小②耕地的地理分布很不均，人均耕地水平也存在很大差别③随着经济的发展，非农业建设用地增长迅速，加剧了人均耕地的减少④耕地中高产稳产田占1／3左右，低产田约占1／3一些矿产濒临耗竭世界矿产资源现状：矿产资源是人类生产资料与生活资料的重要来源。矿产资源的特性之一是其非可再生性，但全世界消费矿产资源的数量却呈现快速增长的趋势。

我国矿产资源的紧迫性表现：⑴中国矿产资源总量大，居世界第三位，而人均占有量低于世界平均水平。⑵矿产资源中富矿少，贫矿多，加之开采中采富弃贫，使矿产品位下降。⑶矿产资源的地区分布不平衡，矿产品的加工消费区集中在东南沿海地区，而矿产资源主要富集在中部或西部地区。非可再生资源合理开发利用对策（一）化石燃料的合理开发与利用主要指煤炭、石油、天然气、油页岩等矿物燃料。它们是重要的非可再生资源，也是人类目前主要利用的能源。

各种化石燃料在地球上分布很不均衡。化石燃料开发与利用中的环境问题发展多元化结构能源系统的必要性1．从全球发展趋势看，由于人口数量增长，人均能源消费量增长，人类对能源资源的需求持续增长。2．化石燃料的使用对环境造成不良影响，由此引发的全球环境问题日益显著。

多元化结构的能源系统

1．太阳能①人类利用太阳能的两种转换形式：A光热转换，如太阳灶

B光电转换，如太阳能电池②特点：A能量巨大

B清洁

C分散③影响太阳能分布的因素A纬度因素

B地形因素

2．风能

（1）风能的特点A可再生能源

B风力、风向不稳定

C清洁的能源（2）风能的利用——风力发电

3．水能

（1）水能的特点

A世界上使用最广泛的可再生能源（目前）B发电成本较低C能源清洁D大坝的建设可能会对库区及其周围地区的环境带来不利的影响。4．潮汐能（1）潮汐的概念：太阳与月球的引力使地球上的海水呈周期性的涨落。白天海水上涨叫“潮”，晚上海水上涨叫“汐”。（2）分布：巨大的潮汐能蕴藏在狭窄的海湾、浅海、江河入海口。（3）潮汐能发电原理：在海湾或河口上建造一个稍低的大坝，以拦截涨潮时涌入的海水，拦在大坝里的水流经大坝时推动水轮发电机组而发电。（4）潮汐能特点：干净、无污染。5．生物能——沼气6．地热能（1）概况：地热能是地球内部蕴藏的巨大热量，包括地下热岩和热液中所储存的能量。现在被开发利用的多为后者。（2）存在形式：

（3）用途：发电、取暖、建地热温室等。如：我国西藏的羊八井也是地热能丰富的地方，那里的地热能已经用于发电。（4）特点：可再生资源的合理利用与保护

可再生资源：在被开发利用后能通过天然作用或人工经营再生，并继续被人类利用的资源。包括水资源、土地资源、生物资源等。水资源的合理利用与保护

世界淡水紧缺解决对策①开源A修筑水库、开渠引水

B合理开发与提取地下水C废水处理再利用

D海水淡化

E人工降雨等②节流A农业——改进灌溉技术，采取喷灌、滴灌的方式降低灌水定额。B工业——提高用水效率，提高水的重复利用率，实行污水资源化等。耕地的利用与保护土地退化的防治（1）概念：土地退化指土地资源质量的降低，在农耕地上通常表现为农作物产量的下降或农产品品质的降低。（2）表现：⑴土壤侵蚀、过度放牧导致草场退化、土地荒漠化⑵不合理灌溉引起土壤盐渍化和涝渍⑶污染造成土地质量下降（3）土壤侵蚀的防治：①总原则：建立“防、治、用”相结合的体系。②具体措施：A生物措施

B工程措施

C农牧业措施1.3材料contents一、生态环境材料二、生态环境材料的几个方面

1.生物降解材料2.绿色包装材料3.仿生材料

一、生态环境材料提出背景资源短缺能源过度消耗生态环境恶化

1.生态环境材料的定义资源、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指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。可降解化可循环利用生态环境材料:实质上是赋予传统结构材料、功能材料以优异环境协调性的材料，它要求材料工作者在环境意识指导下，开发新型材料，或改进、改造传统材料。具有良好的使用功能

具有效高资源利用率对生态环境无副作用生态环境的三个重要特征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。这就涉及材料的环境负荷。材料的环境负荷就是材料在其整个寿命周期中对人类的生存和生活环境的影响，这些影响主要是指资源、能源的消耗及污染环境的废弃物的排放。在生态环境材料的开发中，包括从设计、生产、使用、废弃、回收各个阶段，都要考虑生态环境问题，力求降低材料的环境负荷。二、生态环境材料的分类

生态环境材料的几个方面：纯天然材料的开发和利用环境兼容性涂层材料汽车尾气净化用催化剂材料生物降解材料生态建筑材料绿色包装材料仿生材料降低环境负担性的材料加工工艺和技术1.生物降解材料降解材料：在材料中加入某些能促进降解的添加剂制成的材料、合成本身具有降解性能的材料以及由生物制成采用可再生原料制成的材料。生物降解材料：材料被真菌、霉菌和细菌等作用消化吸收的过程。完全生物降解生物破坏型材料生物降解材料

C—C键不能酶解与水解，要断键除非光解与氧化，聚乙烯实际上只是成为碎片留存于土壤中。生物破坏型材料完全生物降解材料多糖类天然高聚物主要有淀粉、纤维素、壳聚糖、木质素、果胶及它们的衍物。合成型：在分子的结构中引入具有酯基结构的脂肪族(共)聚酯，在自然界中酯基容易被微生物或酶分解。聚乳酸、聚己内酯(PCL)、聚丁烯琥珀酸酯(PBS)等。天然高分子型：利用生物可降解的天然高分子如植物来源的生物物质和动物来源的甲壳质等为基材制造的材料，植物来源包括细胞壁组成的纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、多糖类及碳氢化合物，动物来源主要是虾、螃蟹等甲壳动物。微生物合成型：以有机物为碳源，通过生物的发酵而得到的生物降解材料，主要包括微生物聚酯和微生物多糖。材料是含碳为主的聚合物，当其进入环境后，微生物可把其作自己的营养物质而分解、消化、吸收，通过发酵合成高分子酯，并将其以颗粒状存在菌体内。目前常见的生物合成生降解材料有生物聚酯（PHA）和聚羟基丁酯（PHB）。2.绿色包装材料针对发展绿色包装提出了“3R1D”原则，即Reduce（减量化），Reuse（重复使用），Recycle（再循环）、Degradable（可降解）。

食品包装材料：壳聚糖物理特性：白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体，分子量从几十万到几百万不等；N一脱乙酰度和粘度是它的两项主要性能指标它们影响着壳聚糖的其他一些性质。另外，甲壳素和壳聚糖都具有复杂双螺旋结构，它们的结构单元都是二糖。化学特性：壳聚糖分子链的糖残基上既有羟基，又有氨基，因此，酰化反应既可以在羟基上发生，生成酯，也可以在氨基上发生反应，生成酰胺；壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等反应，导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。3.仿生材料仿生材料：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。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。

组织工程材料：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：指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。2、生物质材料概述定义：

生物质材料，是用木材、竹材、棉、麻及农业剩余物等天然植物纤维，与各种来源于植物资源、且可生物降解的生物塑料，如聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酰胺(PCL)等，通过共混、挤出、热压、注塑等工艺，制备的生物质复合材料，是一种环境完全友好的生物质复合材料。

生物质材料的发展背景：1）世界能源态势为应对日益逼近的能源危机和资源约束，一些利用可再生资源，如木材或其他植物等，生产新型高分子材料，替代以石油资源为来源的传统高分子材料的技术也应运而生。目前已有从玉米淀粉中制备乳酸，再合成高分子量聚乳酸等一批新型的可生物降解塑料，并实现了工业化生产。

2)环境保护要求随着科学技术的进步和人类文明的发展，人们在生产和生活中消耗着大量不可分解的高分子材料制品，如包装袋、餐盒、医用及日常生活中的一次性用具等，并产生着大量的废弃物。这些废弃物在自然条件下极难分解，如采用填埋处理，将占用大量土地，对环境造成了严重负担与污染。而材料中的一些有毒气体或有机物释放物质，还会危害人体健康。环境污染与环境负担的问题正越来越受到世界各国政府和民众的关注。

生物质材料的发展意义:

1)天然植物纤维的特性天然纤维来源于木材、竹材等植物，只要大量种植，就可以持续地利用。树木不仅生长过程对环境友好，而且其材料加工利用和废弃后，也不会对环境造成污染，是一种环境完全友好的生物质材料，与塑料、钢铁等对环境造成日益严重负担的材料相比，木质材料的优势将越来越明显，应用将再次受到关注。但由于木质材料存在结构变异性大、材料性能不均匀的缺点，使用受到一定限制。但如果将木质材料经过结构设计或与其他材料复合，可改善其性能，扩大应用范围。

2）可生物降解塑料的特性可生物降解塑料，如聚乳酸等，废弃后可在堆肥条件下自行降解成H2O和CO2，是完全无毒的低分子物质，而且降解产物经光合作用还可再形成淀粉等物质，成为聚乳酸合成的起始原料，实现洁净的碳循环，是一种完全具备可持续发展特性的环境友好的高分子材料，被称为“21世纪的环境循环材料”。但是，聚乳酸等生物塑料与其他高分子材料一样，耐热性差，材料弹性模量易随温度升高而明显下降，使用也受到一定限制。另外，其成本高，也是目前制约大量应用的另一个原因。天然纤维材料与可生物降解塑料各具优缺点，用其制备生物质复合材料，既可改善其性能，又能降低成本，正成为复合材料研究领域的新热点。

2生物质材料的特点1)天然植物纤维原料来源广泛，而且可以再生，材料成本低廉，与可生物降解塑料复合，可以降低复合材料的成本；2)可降解生物复合材料使用后不会造成环境污染，更重要的是来源于可再生的植物资源，可部分替代现有的石油产品；3)改善了材料的性能，扩大了材料的应用领域；4)废弃后可以自行分解，不污染环境，有助于保护环境；5)相对于使用合成树脂的生产的木质复合材料而言，该材料属无甲醛释放、完全环保的复合材料，符合木质材料的发展方向。6)在一定的温度、湿度及微生物条件下，可实现生物降解。而在正常使用条件下，这种生物质材料是不会发生自然降解，具有足够长的使用周期。.生物质材料的应用及发展现状与前景生物质材料的研究，是随着人们对生态环境保护与资源可持续利用的关注，以及近几年可生物降解塑料在工业上的应用后才开始得到重视的。日本已将生物降解塑料作为继金属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类新材料”。

近些年来，在汽车工业中，天然植物纤维增强的复合材料被成功地替代玻璃纤维增强复合材料，用于生产汽车零部件，这种生物质材料的应用，也正引起包括汽车行业在内的许多相关行业的极大关注。

根据美国能源部“植物及粮食基可再生资源技术路线图”的规划，到2020年，基