浅谈生态环境材料

材料作为社会经济发展的物质基础和先导， 对推动人类 文明的进程起着极其重要的作用， 随着社会的发展， 对材料及 其产品的需求也越来越大， 随之而来的在资源利用和开发的 技 术 水 平 、深 度 和 广 度 ， 以 及 资 源 效 益 、经 济 效 益 、环 境 效 益 上 的 问 题 也 日 益 突 出 。正 是 在 这 种 背 景 下 ， 这 几 年 国 际 上 提 出 并 发 展 了 生 态 环 境 材 料（ Ｅｃｏｍａｔｅｒｉａｌ） 这 一 概 念 ［１］， 并 成 为 ２０ 世 纪 ９０ 年 代 以 来 国 际 材 料 科 学 与 工 程 发 展 的 趋 势 之 一 。 这 已 在 世 界各国达成共识， 并已经逐渐兴起了全球性的生态环境材料 的 研 究 、开 发 和 实 施 的 热 潮 。
１． 生态环境材料概念 生态环境材料是一种具有与环境协调的特殊功能材料， 是 指 在 设 计 、制 造 、加 工 、使 用 以 及 废 弃 时 均 考 虑 到 资 源 、环 境 、生 态 等 因 素 的 材 料 。生 态 环 境 材 料 应 该 是 同 时 具 有 优 异 的 使用性能和优良的环境协调性， 或者是能够改善环境的材料。 所谓的环境协调性是指对资源和能源消耗少， 对环境污染小 和循环再生利用效率高。生态环境材料的研究进展将有助于 解决资源短缺， 环境恶化等一系列问题， 促进社会经济的可持 续发展。 生态环境材料具有良好的使用性能和优良的环境协调性 能， 它是材料科技工作者在环境意识下， 开发新材料或者是改 进 、改 造 传 统 材 料 得 来 的 。 生 态 环 境 材 料 应 该 具 有 以 下 特 点 ： 一是具有先进性， 能够为人类开拓更广阔的活动范围和环境； 二是具有良好的环境协调性， 即对外部环境尽可能的协调； 三 是 舒 适 性 ， 使 人 们 生 活 的 环 境 更 加 美 好 、舒 适 。 ２． 生态环境材料的产生 自 日 本 的 山 本 良 一 教 授 在 １９９０ 年 提 出 生 态 环 境 材 料 概 念 以 来 ［１］， 围 绕 这 一 主 题 ， 国 际 上 开 展 了 广 泛 的 研 究 。 近 年 来 ， 国 际上生态环境材料已经不局限于理论上的研究， 已经制定了 开 发 生 态 环 境 材 料 的 计 划 ， ＩＳＯ１４００ 系 列 中 的 生 命 周 期 评 估 ＬＣＡ（ Ｌｉｆｅ Ｃｙｃｌｅ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ） 相 关 研 究 是 最 具 有 影 响 力 的 研 究 计 划 ， 体 现 了 世 界 范 围 内 的 对 ＬＣＡ 的 共 识 。目 前 已 经 开 发 了 各 种 无 毒 的 建 筑 涂 料 、生 态 资 源 材 料 、环 境 净 化 材 料 、环 境 修 复 材 料 、环 境 降 解 材 料 ［２］。 ３． 生态环境材料研究的对象 生态环境材料研究的内容比较广泛， 主要有材料的环境 协 调 性 评 价 、材 料 的 设 计 ， 及 加 工 中 的 环 境 协 调 性 技 术 ， 包 括 零排放和零废弃技术。 围 绕 着 生 态 环 境 材 料 所 作 的 研 究 有 ： （１）生 态 环 境 材 料 及 生 态 产 品 的 研 究 与 开 发 。目 前 的 研 究 主 要 集 中 于 纯 天 然 材 料 ， 仿 生 物 材 料 ， 绿 色 包 装 和 生 态 建 材 。（２）生 物 降 解 材 料 。目 前 生 物 降解材料主要包括生物降解塑料和可降解无机磷酸盐陶瓷等 材 料 。（３）材 料 的 再 生 循 环 利 用 ， 材 料 的 再 生 是 实 现 可 持 续 发 展 的 一 个 重 要 途 径 ， 目 前 主 要 研 究 的 是 再 生 循 环 利 用 的 工 艺 。（４） 降 低 环 境 负 荷 性 的 材 料 加 工 工 艺 ， 采 用 新 方 法 、新 工 艺 ， 提 高 材 料 各 种 性 能 的 同 时 ， 减 少 对 环 境 的 影 响 。（５）环 境 工 程 材 料 包 括 ： 治 理 大 气 污 染 、水 污 染 ， 处 理 各 种 固 体 废 弃 物 等 不 同 用 途 的 各 种 材 料 。（６）环 境 材 料 负 荷 评 价 ， 进 行 环 境 材 料 研 究 ， 就 必 须 对 其 进 行 客 观 的 表 征 和 评 价 ， ＬＣＡ 和 ＭＬＣＡ 是 材 料 的 环 境 认 证 标 准 。（７）制 定 相 关 的 法 律 规 定 ， 提 高 人 们 对 环 境 的 认 识 ， 把 生 态 环 境 理 念 应 用 于 材 料 的 开 发 和 研 究 当 中 ［３］。 ４． 今后生态材料的研究方向 对于目前已有的各种材料， 已经具有成熟的工艺和生产 应用， 并且其应用发展也将进一步增大， 但是在生态范畴中， 必 须 在 今 后 的 生 产 及 应 用 中 考 虑 环 境 的 适 应 性 。首 先 ， 必 须 加
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大回收力度， 目前已经开始开展各种基体复合材料回收工作。 其次， 向环境材料所要求的先进性发展， 充分发挥其优越性的 特点。
新材料的研究从环境协调的观点出发， 进而研制出符合 性 能 要 求 ， 又 具 有 良 好 环 境 协 调 的 新 材 料 产 品 。具 体 有 以 下 六 个方面：
科技信息
基础理论研讨
指标基本不变的前提下， 应该尽量降低采用储量丰富或对生 态环境影响小的元素或物质作为强化组元； 同时尽量降低金 属材料中强化元素的含量或减少合金元素的种类； 另一方面， 尽量采用同类元素或物质作为复合强化的第二相。这就要求 我们在设计材料时， 不仅考虑材料的使用性能， 而且要充分考 虑 到 材 料 对 环 境 的 影 响 。我 们 可 以 通 过 循 环 再 生 设 计 、残 留 元 素 的 控 制 、金 属 材 料 的 生 态 化 改 造 ， 开 发 高 性 能 长 寿 命 金 属 材 料， 努力做到金属材料的零排放与零废弃。
４．５ 无 机 非 Байду номын сангаас 属 生 态 环 境 材 料 ［７］ 无机非金属材料的许多特点与金属材料和高分子材料差 异 很 大 ， 无 机 非 金 属 材 料 是 以 某 些 元 素 氧 化 物 、炭 化 物 、氮 化 物 、卤 素 化 合 物 、硼 化 物 以 及 硅 酸 盐 、磷 酸 盐 、硼 酸 盐 等 物 质 组 成的材料， 是除高分子材料和金属材料以外的所有材料的统 称 ， 是 三 大 材 料 之 一 ［１０］。 在晶体结构上无机非金属材料的元素结合力主要为离子 键 、共 价 键 或 离 子 — 共 价 键 混 合 。这 类 化 学 键 的 特 点 是 高 的 键 能 、键 强 ， 这 一 类 材 料 具 有 高 熔 点 、高 硬 度 、耐 腐 蚀 、高 强 度 、良 好 的 抗 氧 化 性 以 及 宽 广 的 导 电 性 、铁 磁 性 和 压 电 性 ［１１］。 由于无机非金属材料的环境负荷比较大， 使用性能和环 境协调性能的矛盾突出， 环境协调性好， 其产品性能差， 其产 品性能好， 环境协调性差； 制备过程中能耗高。无机非金属材 料在生产中都要经过高温煅烧过程， 能耗比较高； 此外很难再 循环利用。 无 机 非 金 属 进 行 生 态 化 设 计 主 要 有 以 下 方 法 ： （１）高 纯 化 和 复 合 化 ， 原 料 的 高 纯 化 是 无 机 材 料 的 一 个 重 要 发 展 方 向 。随 着 纯度的提高， 晶界玻璃相和有害物质减少， 材料的力学性能， 特 别 是 耐 高 温 性 能 显 著 提 高 。 （２）通 过 添 加 多 种 原 料 形 成 多 种 相 结 构 的 复 合 或 复 相 材 料 。经 过 合 适 的 晶 界 设 计 和 相 设 计 ， 复 合或复相材料具有单一组成所不具备的优良性能。传统无机 非金属材料多使用天然矿物原料， 由于成分范围宽， 含有有害 杂质， 性能差， 为提高其性能， 多使用高纯化和复合化的合成 原 料 。但 是 天 然 原 料 来 自 于 自 然 界 ， 其 组 成 以 及 存 在 形 式 与 周 围环境达到了最佳的协调与稳定， 此后制成的制品废弃后， 与 周围环境也会有比较好的亲和性， 不会对水系统和土壤造成 污染。 ４．６ 生态建材 建 筑 材 料 是 应 用 最 广 、用 量 最 多 的 材 料 ， 主 要 包 括 水 泥 、混 泥 土 、建 筑 玻 璃 、建 筑 装 饰 装 修 材 料 等 ， 建 筑 材 料 与 经 济 建 设 、 人民生活密切相关。长期以来，建筑材料主要依据建筑物以及 应用部位对材料提出的力学性能与功能方面的要求进行设 计。但是随着社会的发展，与人类密切相关的环境问题变的越 来越严重， 因此作为建筑材料不仅要求高强度和高功能性，而
４．１ 天然纤维增强生态材料 由于天然纤维可以回收利用， 能够满足社会可持续发展 的需求， 并且具有密度低， 生物可降解， 机械性好等特点， 国外 已经注意开发和利用天然纤维增强材料， 日本的一些纤维厂 在新型天然植物纤维开发和植物再生利用方面获得较大的进 展， 已经成功开发出竹子香蕉为原料运用新技术生产的生态 纤 维 。 欧 洲 已 经 拟 定 在 ２０１５ 年 前 汽 车 用 材 料 的 回 收 效 率 达 到 ９０％ ， 这 表 明 对 玻 璃 纤 维 与 碳 纤 维 提 出 新 的 要 求 ［４］。利 用 黄 麻 ， 亚麻， 竹子和木材纤维等增强聚丙烯及酚醛复合材料， 它们的 成本低， 具有生物降解性。此外： 绿色环保； 减轻制品的质量； 良好的抗控性能； 可以回收。就其发展而言， 欧洲在天然纤维 增 强 复 合 材 料 开 发 技 术 较 为 领 先 ［５］。 ４．２ 热塑性复合材料 热塑性复合材料的优势， 人们在实现环保意识主要研究 的 有 ： 可 再 生 复 合 材 料 、可 降 复 合 材 料 、高 性 能 复 合 材 料 、功 能 复合材料和废弃资源利用复合材料等。热塑性塑料有一个的 特点， 即可以融化， 再塑多次， 直到性能劣化到不能再用的程 度 。另 外 ， 复 合 材 料 的 界 面 形 成 方 式 和 界 面 结 构 需 要 有 新 的 改 进以获得界面的可再生性和稳定性， 保证基体熔融状态下固 态增强相的分布， 取向与原来一致。分析复合材料的再生， 其 关 键 是 组 分 材 料 的 再 生 和 复 合 材 料 界 面 的 再 生 性 ［６］。 ４．３ 塑料的高性能化 作为有机材料的代表， 塑料以其质轻柔韧等特点而广泛 应 用 。 随 着 工 业 农 业 、建 筑 、包 装 、电 器 、汽 车 、电 子 信 息 、航 空 和 军 工 等 行 业 的 高 速 发 展 ， 对 高 分 子 从 数 量 、质 量 、品 种 和 功 能方面都提出了更高的要求， 在提高高分子产业发展的同时， 也 将 带 来 不 可 估 量 环 境 影 响 ［７］。 大 多 数 塑 料 力 学 性 能 低 ， 不 能 作 为 要 求 较 高 强 度 的 结 构 材 料 使 用 。 另 一 方 面 ， 玻 璃 纤 维 、碳 纤维等无机材料强度高， 具有作为结构材料的良好的性能基 础 ， 但 是 其 脆 性 大 ， 黏 结 性 差 。因 此 将 两 者 复 合 ， 发 展 成 为 环 境 协调性复合材料。 因 此 ， 我 们 要 对 塑 料 的 经 济 性 、功 能 性 和 环 保 性 协 调 统 一 起来， 通过开发环境友好功能高分子材料， 可以提高我们的材 料利用水平。通过以下几个方面来实现环境协调性和材料的 良好应用结合起来。一方面， 塑料助剂的应用问题， 高分子材 料的高性能化取决于合成树脂的高性能化和相关助剂高性能 化 和 环 保 化 ［８］。 目 前 ， 减 轻 塑 料 对 环 境 和 生 态 的 危 害 方 法 有 ： （１）开 发 好 的 价 格 性 能 比 的 塑 料 ， 减 少 高 分 子 材 料 的 使 用 量 ， 延 长 其 使 用 寿 命 和 回 收 再 利 用 。 （２）开 发 替 代 有 毒 害 塑 料 助 试 剂 的新技术， 保证塑料在整个生命周期与环境协调性良好， 这是 治 理 环 境 问 题 的 最 直 接 和 最 有 效 的 方 法 。近 几 年 ， 西 方 国 家 在 环 境 友 好 型 塑 料 助 剂 方 面 发 展 较 快 ［９］。 另 一 方 面 ， 将 现 有 的 塑 料 和 天 然 的 高 分 子 材 料 复 合 ， 形 成 可 以 降 解 的 高 分 子 材 料 。此 外可以开发更多的生物可降解材料， 与现有的塑料复合， 使得 高分子材料和使用性和可降解性协调统一起来。 ４．４ 金 属 类 生 态 环 境 材 料 ［７］ 金属在人们使用的材料中仍然占主导地位。随着生态环 境材料的提出， 从环境材料的角度出发， 在保持金属材料性能