高技术新材料 第4章 环境材料

第九章环境材料概述（定义、研究内容）环境协调性评价（LCA）传统材料的环境材料化天然材料的加工和应用绿色包装材料环境净化、替代和修复材料环境降解材料9.1概述

可持续发展20世纪90年代初，国际上提出了环境材料（ecomaterials）定义：指同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者能改善环境的材料。其中的“环境协调性”是指对资源和能源的消耗小，对环境的污染少。材料大气水土壤/土地纸、纸浆排放含SO2、NOx、CH4、CO2、CO、硫化氢、硫醇、氯化物、二恶英的废气（1）水资源消耗；（2）排放悬浮性固体物、有机物、有机氯、二恶英

水泥、玻璃、陶瓷排放含砷、钒、铅、铬、硅、碱、氟化物的粉尘及NOx、CO2、SO2、CO等废气排放含油、重金属离子的废水（1）矿物资源及土地消耗；（2）排放固体废弃物

金属及矿物开采排放各种粉尘及有害气体排放含金属离子及有毒化学品的废水（1）矿物资源及土地消耗；（2）土地退化

钢铁（1）排放含铅、砷、镉、铬、铜、汞、镍、硒、锌的粉尘，以及含有机物、酸雾、H2S、HCl的废气；（2）紫外线辐射（1）水资源消耗；（2）排放含无机物、有机物、油、悬浮性固体物、金属离子的废水

（1）矿物资源及土地消耗；（2）排放固体废弃物有色金属排放含铝、砷、镉、铜、锌、汞、镍、铅、镁、锰、炭黑、气溶胶、SiO2的粉尘，以及含SO2、NOx、CO、H2S、氯化物、氟化物、有机物的废气

排放含重金属离子及有害化学品的废水（1）排放固体废弃物；（2）土地退化研究内容：

A理论研究：

1.对材料的环境性能的评价。

生命周期评估（lifecycleassessment,LCA）：采用数理方法和实验量化方法，评价某种过程、产品和事件的资源、能源消耗，废物排放等环境影响，并寻求改善的可能。2.材料的可持续发展理论。资源的使用效率、生态设计理论。3.材料流理论和生态加工、清洁生产理论、再循环、降解、废物处理理论。B实用研究：1.环境协调材料，传统材料的环境材料化。从人本的角度强调材料与环境的兼容与协调，开发天然材料、绿色包装材料和绿色建筑材料等。2.环境净化和修复材料。指各种积极地防止污染的材料，如分离、吸附、转化污染物的材料。3.降解材料，指通过自身的分解减小对环境的污染。9.2材料的环境协调性评价

1.能源评价法。由于过于片面，基本上已被淘汰；2.环境影响因子评价法。考虑了多种影响因素，是能源评价法的进步；3.环境负荷单位法。采用一种综合的无量纲的数表示材料的环境影响，在欧美较为普遍；4.生态指数，根据污染物来评价对象；5.生态因子法，特点是研究材料单位性能所带来的环境负担；6.生命周期评估，采用数理方法和实验量化方法，评价某种过程、产品和事件的资源、能源消耗，废物排放等环境影响，并寻求改善的可能。是目前流行的高度综合方法，被称为“从摇篮到坟墓”的评价方法。生命周期评估的流程（1）目标和范围的确定LCA的准备阶段，也是最重要的环节。目标：界定评价对象、实施LCA评价的原因和评价结果的输出方式；范围：功能单元的定义、评价边界定义、系统输入与输出分配方法、评价模型及其解释方法、资料要求、审核方法、评价报告的类型和格式等。

（2）编目分析

根据评价的目标和范围，对资料收集和分类整理的过程。（3）环境影响评价

在编目分析的基础上，研究材料的各种污染对环境的量化影响。有4个基本步骤：分类、表征、归一化和评价。（4）评价结果的解释

进行综合阐述和分析，最终给出评价的结果和建议。

分类：将编目条款与环境损害种类相联系并分组排列的过程。表征：对比分析和量化的过程。归一化处理：根据各种环境影响不同的计量单位，采用加权或分级的方法处理资料，以简化评价过程，使评价结果一目了然。评价：比较和量化不同种类的环境损害，最后给出定量的环境影响结果。建立环境性能数据库基本原则是通用性、可比性、服务性和预测性。LCA实例——纸杯与塑料杯的竞赛

1991年2月，美国《科学》杂志上刊登了一份纸杯和塑料杯的LCA评估报告（表9-2）。作者认为，塑料杯造成的环境污染相对要小一些。而报告受到他人的质疑。本例说明LCA的结论不是固定不变的，有很强的时间性和地域性，更增加了它的复杂程度。P146LCA的局限性应用范围上很少考虑对象主要功能及其相关效益；评价范围上的定义也往往使结果产生一定误差；评估方法上既包括客观成分，也包括主观成分。9.3传统材料的环境材料化9.3.1金属的环境材料化思路：

尽量少采用或者不采用稀缺的、环境负荷大的元素，多采用储量丰富、易于获得的元素；尽量采用同种元素或者简单元素组合制造材料。例如用钢纤维增强铁基超细粉形成Fe—Fe粉末冶金材料。目前金属的环境材料化主要是针对金属的加工过程，如熔融还原炼铁技术、喷射成形等。近尺寸加工技术直接制取接近零件形状的坯体

生产流程大大缩短、更加紧凑大幅度节约能源，降低环境负担，生产成本比粉末冶金法降低40％以上

20世纪中期提出了“零排放，零废弃”，实现封闭式生产的目标。例如，高速钢中含有17％左右的贵重金属，因此研究开发了钢屑、氧化皮和磨屑废料等难以利用形式的循环再生技术。注意对金属加工时的各种固态废弃物的研究。例如，利用尾矿（我国超过50亿吨）可以制造建材、化肥和铺路，钢渣和高炉渣同样也可以制造各种建材。9.3.2无机非金属材料的环境材料化问题：陶瓷工艺中往往达到1400℃以上的高温（碳石墨化的温度更是超过了2500℃），能耗惊人。无机非金属材料废弃物很难分解，难以处理，也很难循环利用。在无机非金属材料生产中大量有毒有害添加剂和废水、废气、粉尘的排放也不容忽视。开发低能耗、少污染的制备加工技术免烧和低温固化技术（水热热压、反应硬化型免烧陶瓷、电沉积陶瓷膜）快速烧结（微波烧结、爆炸烧结）反应烧结（反应烧结、自蔓延烧结）近尺寸成型、可切削技术（1）水热热压19世纪中叶由法国地质学家首先提出；当时旨在模拟和研究天然矿物形成规律，后来发展成为合成人工晶体的一种方法；在水热反应的同时施加机械压力；在水热条件下，水可作为一种化学组分参与反应。水既是溶剂又是矿化剂，同时还可作为压力传递介质，可以使无机非金属材料在低温（<300℃）发生固结和致密化，具有低能耗、无污染的特点。（2）陶瓷可切削技术一般陶瓷很难切削，少数可切削陶瓷力学性能较差。最近，日本大阪大学新原皓一教授，通过巧妙的微观结构设计，能够将优良的力学性能和可切削性统一起来。将纳米h-BN颗粒分散在Si3N4基体中而制备。由于六方BN易于解理，再加上良好的分散性，因此可对该材料进行切削加工；又由于是纳米级的BN，解理仅发生于局域，远小于临界裂纹尺寸，使材料能够保持较高的强度，该材料弯曲强度大于1100MPa。

微晶玻璃陶瓷又称可加工陶瓷，是以合成云母为主晶相的云母微晶玻璃，是一种可以机加工的陶瓷材料。微晶玻璃陶瓷加工性能类似于铸铁，它能加工成各种形状复杂、精度要求高的产品。微晶玻璃陶瓷虽系脆硬材料，但只要合理地确定加工工艺路线及装夹方式，注意加工方法，准确地选择切削量，在一般设备上公差等级可控制在IT7级，光洁度达到0.5微米，加工精度控制在0.005毫米。如加工设备优良，操作工技术熟练，则精度可达μ级。

9.3.3高分子材料的环境材料化主要是零排放技术、再生循环技术、可降解化和天然化共混再生循环利用实例：包装材料、一次性餐具等塑料制品，使用过程十分短暂，废弃时材料性能没有严重破坏，因此可与其它塑料一起混合利用。如废塑料纤维化、木材化、土工制品化等。共混再生利用技术简便易行，几乎适用于任何一种废旧高分子材料。①在难以分离的PE（聚乙烯）与其它聚烯烃的混杂塑料中添加30％的PET或PS，挤出拉成直径为10μm的“纤维”，废塑料纤维化；②将五颜六色的混杂废塑料粉碎成小颗粒后直接成型再生制品，或添加锯木粉后挤压成耐湿耐腐的“塑料木材”，或添加废纸混合后制成“复合木材”，或与其它材料混合制成地板等，废塑料木材化；③用废塑料PP或HDPE制备防止滑坡塌方的土工隔栅，用废塑料PP制备土筋，用废PVC或LDPE制造防漏或保水的土工膜，用废PVC加工成治理铁路基床翻浆冒泥的排水板，用废PVC和LDPE农膜加工软质地板，废塑料土工制品化。

研制出可循环利用和再塑形的新塑料

目前的塑料制品，要被加热到200摄氏度或是更高温度时才能够充分软化，以进行再塑形。消耗大量能源、环境污染，且破坏塑料的聚合体链，降低塑料的强度，使其不能进行循环再利用。

据新一期《自然》杂志报道，麻省理工学院的安妮·梅斯等人在硬度较大的聚苯乙烯和另一种比较柔软的塑料的混合物中找到了一种新型塑料，在室温及标准制造压力下可进行循环利用和再塑形，可以重复利用达10次，其韧性强度始终保持不变。解决“白色污染”。废弃物从限制到再利用韩国循环经济大兴其道

早在1992年，韩国便开始实施“废弃物预付金制度”，即生产单位依据其产品出库数量，按比例向政府预付一定数量的资金，根据其最终废弃资源的情况，再返回部分预付资金。从2002年起，韩国将“废弃物预付金制度”改为“废弃物再利用责任制”，即从限制废弃改为再利用。“废弃物再利用责任制”规定，废旧的家用电器、轮胎、润滑油、日光灯、电池、纸袋、塑料包装材料、金属罐头盒、玻璃瓶等18种材料须由生产单位负责回收和循环利用。回收处理废弃物的合作社有11家，遍布全国各地。同时，韩国还成立了一家名为“资源再生公社”的公营企业，专门负责管理和监督“废弃物再利用责任制”的实施。企业违反“废弃物再利用责任制”，将被课以最高100万韩元的罚款。9.4天然材料的加工和应用9.4.1木材木材具有优异的环境特性。良好的可再生性能可一定程度地解决资源匮乏的问题，强大的固碳作用可以缓解温室效应，天然的调湿性能有利于人体的健康和物品的保存。同时，宜人的视觉、触觉特性也是木材的优势。为了克服木材易腐烂、易变形、易着火、强度低的缺点，发展了对木材的改性技术和深加工技术，例如浸渍、塑化、压缩、层叠，乃至近年来出现的等离子表面处理、木材陶瓷化等。

日本学者将木材浸渍酚醛树脂后，通过高温炭化得到被称为木材陶瓷(woodceramics)的产品，这种产品具有优良的物理，电学，热学性能，可以用于电子，航空航天领域；

德国研究人员将木材炭化，然后溶于熔融含硅化物中，得到碳化硅陶瓷，用作生物医学材料，航空航天材料；

美国研究人员将木材浸入四乙醛硅氧烷中，得到木材陶瓷化合物，主要用于建筑和室内装修材料。国内学者利用正硅酸乙脂采用溶胶-凝胶方法开展了木材陶瓷化方面的研究。利用仿生原理，采用化合物络合及晶体原位生长的方法，将无机物质引入到木材内部，靠提高细胞填充率达到增强的目的；完全保留了天然木材所具有的优美的木质纹络和质感。9.4.2甲壳素甲壳素（chitin）广泛存在于虾蟹等甲壳动物的甲壳中，年生物合成量高达100亿吨，是用之不完的全新生物资源。它的环境特性十分良好，近年来引起了人们的广泛关注，甚至专门针对它召开了好几次国际会议。甲壳素和壳聚糖（甲壳素制品）有广泛的用途。在生物医学领域，被用来生产可吸收的手术缝合线、人造皮肤、药用微胶囊、人造骨、人工透析膜、隐形眼睛等。甲壳素有抗菌效果。甲壳素本身带正电，而细菌的细胞膜带负电，当细菌接触到甲壳素抗菌衣，因为正负相吸，甲壳素会对细菌产生穿刺效果，扯破细菌的细胞膜，导致细菌死亡，所以说甲壳素可以抑制细菌生长。从1997年开始，舟山海山生化制品有限公司从中国纺织大学引进甲壳素纤维生产技术专利，生产甲壳素纤维，试制成功甲壳素纤维与其它各种纤维混纺制成的保健T恤、衬衣、内衣、袜子、床上用品等各种混纺制品，9.5绿色包装材料9.5.1设计原则（1）减量化材料

（2）可复用材料

（3）可降解材料（4）无毒害材料9.5.2典型绿色包装材料（1）天然生物包装材料

如木材、竹材、纸、芦苇、麦秸、淀粉和甲壳素等。特别是甲壳素，来源广泛，加工制备的包装材料具有良好的保护性、透气性、美观性、安全性、稳定性和可降解性，得到了广泛的应用。（2）可食性包装材料

一般是用人体可消化吸收的蛋白质、淀粉、多糖、植物纤维等原料制成食品和药品的内膜，得到了广泛的应用。（3）绿色金属包装材料是以高强低厚的马口铁代替铝罐，节约材料用量，降低成本，还能减小废弃物的环境污染；是降低马口铁的镀锡量。是改进焊接工艺。据统计，人体内14％的铅是来自马口铁的锡焊材料。高频电阻焊可减轻污染，并提高焊接质量。是采用铝箔代替塑料和纸。这主要是基于铝箔的回收利用非常容易。（4）绿色玻璃包装材料

现在的主要发展方向是提高玻璃的强度，减小玻璃包装材料的厚度，提高玻璃瓶的重复利用次数。我国常有啤酒瓶爆炸的事故，主要就是因为玻璃瓶多次周转后强度下降。（5）绿色塑料包装材料

主要致力于轻量、高性能塑料、无氟泡沫塑料、可再生塑料和可降解塑料的开发研制。9.6绿色建材绿色材料的概念是在1988年第一届国际材料科学研究会上首次提出。1992年国际学术界给绿色材料定义为：在原料采取、产品制造、应用过程和使用以后的再生循环利用等环节中对地球环境负荷最小和对人类身体健康无害的材料。某些装修材料的危害性花岗石衰变会产生氡气，人长期处在高浓度的氡气环境中会有致癌的危险；木材类复合板的生产，多用脲醛树脂、酚醛树脂或三聚氰胺甲醛树脂为胶粘剂，在使用过程会释放出游离甲醛，它可以使蛋白质发生硬化，人长时间接触高浓度甲醛气体会导致癌症的产生；涂料所用成膜助剂主要是毒性较大的乙二醇单乙醚、乙二醇丁醚，二乙二醇和苯甲醇等；油性涂料中的氯化物溶液或芳香类碳氢化合物以及塑料制品中使用的铅类热稳定剂等对人体都有很大的危害性等等。9.6.1绿色建材的分类（1）天然型

（2）节能型（3）废物利用型（4）安全舒适型（5）保健型（6）特殊环境型9.6.2生态水泥和生态混凝土生态水泥作为最主要的建筑材料，生产时环境负荷很高。目前改良的方法主要是大量掺入固体废弃物作原料，或者是开发降低能耗的新工艺。生态混凝土主要是在其中的孔洞上做文章，包括环境友好型和生物兼容型。环境友好型主要靠降低生产时的环境负担，延长使用寿命和改善性能以减少对环境的影响。生物兼容型是指能与动植物和谐共处的混凝土。9.6.3环境功能玻璃（1）热反射玻璃

热反射玻璃是在玻璃表面涂上金属膜、金属氮化物膜或金属氧化物膜而制成的。这种玻璃能反射太阳光，可创造一个舒适的室