高分子材料绿色制造与可持续发展

高分子材料绿色制造与可持续发展

田显祺

陕西联塑科技实业有限公司  陕西.咸阳 713800

摘要:从原料（单体）来源、催化剂、合成方法、加工工艺和回收策略等方面对高分子材料的绿色制造与可持续发展进行了综述。结果表明，有许多不依赖石油的自然资源可用于生产高分子材料，以及一些新化合物。新型加工技术有助于减少制造过程中的能源消耗和排放，使使用过的高分子材料能够经历物理、化学、能量和生物循环。通过这四种方式实现循环利用，可持续发展的绿色生产路径是未来重要且可行的发展方向。

关键词:高分子材料;单体;催化剂;合成;加工;循环利用;绿色制造沪1一持续发展

1绿色合成原料

1.1可再生生物基原料  

1.1.1植物多糖

自然界每年产生超过1500亿吨植物多糖，但人类仅消耗1%的多糖。这些植物多糖经分离解聚后可以进一步制备合成高分子材料。巴西布拉斯科Braskem 于 2010 年向市场推出绿色聚乙烯，该产品由植物（甘蔗）多糖转化为乙醇，然后分解获得。由乙烯制成，这种绿色聚乙烯主要是食品包装材料。淀粉是一种常见的植物多糖，淀粉发酵可制备乳酸，乳酸也可通过进一步聚合制备。之后可以从植物多糖制备的另一类高分子材料是Arcanoate (PHA) ，它是天然存在的，它是在生物体中获得优异的产量，无需中间单体分离。水果糖或葡萄糖通过酸化和脱水反应转化为甲基糠醛，可用于制备聚乙烯基糠酸酯(PEF)。

1. 1. 2植物油

植物油是制备最常见甘油三酯的最广泛成分来源，可再生植物油的主要来源是蓖麻、大豆、棕榈和向日葵等，其中，蓖麻油“鲁因”具有易得、成本低、可生物降解等优点。用蓖麻油羧酸基团促进酰化和胺化，双键加氢环化。自由基的存在可促进乙酰化、烷氧基化和脱水反应。因此，这种独特官能团的存在有利于各种制备，例如制备：聚合物如聚醚、聚酰胺、气易卜拉欣等。聚邻苯二甲酰胺可以用蓖麻油合成得到聚邻苯二甲酰胺11，邻苯二甲酰胺 610 和聚邻苯二甲酰胺 410，这些生物聚酰胺有吸收率低、高耐化学性和高温稳定性 的优点。

1. 2催化剂

1. 2. 1绿色固体酸催化剂 

    (1)硅基固体酸催化剂

硅胶材料具有很强的耐酸性和优良的孔隙结构，是一种理想的固体酸载体材料。 Y ang课题组3H将叶琳锌配合物固载于介孔二氧化硅，催化剂含量和均匀分散的活性位点可有效催化 CO: 和环氧树脂化合物的环加成反应。 此外，硅上负载的高氯酸和硫酸、杂多酸和离子液体可用作有效的绿色植物，催化剂用于工业化学品的合成。

    (2)金属氧化物固体酸催化剂

基于金属氧化物的固体酸催化剂用于许多酰化反应，有着广泛的应用前景。 大多数这些氧化物用于氧化锌、氧化锆、氧化铁、氧化钨等过渡金属基团。化合物、氧化锡等 这些固体酸中的磺化氧化锆和钨氧化锆等催化剂是酯交换反应的理想催化剂。 通过用过硫酸盐铰链浸渍结晶氧化锆直接制备15K。 硫酸化氧化锆，煅烧温度为573.15--773.15K。 通过提示催化剂表面具有良好的超酸位点，催化剂存在于大豆油中，可以在甲醇的酯交换反应中表现出高活性。   

1.2.2分子筛催化剂

分子筛材料的本质是天然或合成的硅铝酸盐，可以形成规则网格的盐在高温下会释放水。他们能作为分子中发生的化学反应的催化剂，用作筛孔中许多有机反应的催化剂，包括：原油分解、异构化和燃料合成。 Chica-4，使用分子筛分制备，为乙醇蒸气提供了高活性和选择性的催化剂。刘荣等人对催化杂醇采用核壳型分子筛催化剂石油转化。分子筛催化剂可用于杂醇油转化反应，充分抑制高分子量烯烃的生成，同时获得良好的烯烃，低级烯烃的收率有助于进一步聚合。

2高分子材料绿色制备

2. 1绿色合成技术

2.1.1微波合成 

微波合成有机反应是近年来兴起的一种新型有机反应。微波合成主要依靠微波辐射，在有机合成中，在我国广泛用作热源，其基本机理是偶极极化和传导。微波主要以电能为来源，可用于化学产品的制造过程，它可以降低能耗，可减少VOCs等污染物的排放，改善产品质量，有望应用于绿色化学。使用常规加热，与其他方法相比，微波合成的反应速度要快几倍或几千倍。此外，该方法具有操作方便、收率高、产品易于纯化等特点。因此，现在微波辅助合成可以被认为是一种有前途的绿色技术，用于合成纳米材料和纳米复合材料。微波合成技术为合成大量有机分子提供了机会，对许多化学家来说是一种简单、清洁、快速、高效和经济的方法，可以从传统的加热方法转向微波辅助化学方法。

2.1.2超声波合成

在高分子科学领域，超声空化作用作为启动反应的条件，反应速率会提高，节能环保会更加高效。其次，超声波能量一般由电能转换，它干净又环保，满足高分子材料绿色生产的要求。万吉塔尔，浅谈绿色超声制备葡聚糖糖-g-聚丙烯酸、木质素磺酸钠-g-聚丙烯酸水凝胶、吸附剂。课题组超声抓取聚丙烯酸钠为波模板共聚成功合成丙烯酞乙基三甲基氯铰链，

与丙烯酰胺为模板共聚物，共聚物是高效絮凝剂。

2. 2绿色加工技术

2. 2. 1流体辅助加工

流体辅助加工是将流体引入聚合物的过程，通过其压力流动和冷却作用形成制品的技术 。在 1980 年代，气体首次作为工作介质引入注射成型技术可以提高产品的表面质量，改进其设计方法。后来，气体辅助技术被应用于挤压成型。在此过程中，调整气体条件可以提高产品的质量。液体补充剂助剂主要使用水作为注入聚合物中的流体以形成中空接头。该结构用于实现产品加工，该方法可以低成本控制产品质量。在 1990 年代，超临界流体具有特殊的热力学状态，应用于高分子材料的处理，其中最典型的代表就是超临界二氧化碳，超临界 CO：聚合物发泡和聚合物颗粒制备技术，具有广泛应用前景的 7beriberi Beckman 已开发出不溶性CO饱和剂法：适度升温后，然后在恒温下快速减压（即压力骤冷而不是温度骤冷），该方法可用于聚甲基丙烯酸甲酯的发泡工艺。

2.2.2辐射加工

用电离辐射照射高分子材料可形成非常活性中间体、自由基、离子和激发态。 这些中间体可以跟随在反应过程中导致新分子链重排/形成的几种反应途径化学键，具有无毒、无害、高效、无高温高压等优点。在现在，辐射技术在大分子领域的应用主要包括：辐射交联（通常是橡胶交联）、辐射诱导聚合（接枝聚合和固化）和辐射引起的劣化（辐射中断高分）亚分子链，降低分子量。 辐射技术聚合改性是一个产值高、收入高的重要领域，附加值是绿色加工技术。

2. 2. 3动态反应加工一体化

常规高分子材料的反应和处理一般可分为两类。作为一个步骤，整个过程复杂，环节多，导致生产效率不高，生产周期太长，浪费能源。最近动态反应成型一体化技术合成高分子材料，通过结合这些过程，实现了整个反应过程的集成。过程的动态控制减少了相关的能源消耗和产品生产质量。例如，反应挤出技术和反应注射成型技术等。反应挤出技术是以连续挤出为基础的，该系统用作反应器，通过旋转螺杆完成原料的混合。RIM 直接由低粘度单体或低聚物制成，但经过制备和加工用于合成，这是一种用于高分子材料快速生产和制品成型的加工成型方法。

3高分子材料循环利用

3. 1物理循环

物理循环中最常见的回收方法是机械回收。这次收集过程包括几个重要步骤，包括收集、分类、缩小尺寸和清洁。在熔融过程中经过洗涤、进一步分离、干燥和重复使用。低端回收材料也可以通过进一步的材料变化或化学变化来改变，以提高其性能。物理回收是最环保、最经济的回收方法。几乎任何热塑性塑料都可以通过这种方式添加，用于回收。例如，食品级聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET) 饮料瓶可回收，用于制造所使用的纺织产品，物理回收可以实现废塑料的轻松回收，但是，这种方法也有一定的局限性，是一种可回收的高分子材料。该材料往往会失去原始聚合物的一些特性，例如透明度和透明度和机械性能等。

3. 2化学循环

    (1)溶剂解聚技术

对于 poly-a 和聚碳酸酯基聚合物材料，水、甲醇和乙二醇溶剂解聚回收单体已成为最常见的化工回收方法。 PET和PC的不同溶剂解聚在现在开发回收单体/低聚物的过程，可回收得到的单体/低聚物，用于生产新的 PET 和 PC。 不过比起原版回收单体的成本相对较高，而许多有机溶剂毒性更大，达不到环保要求。 这种回收方式的工业用途非常高，因此，开发新的环保溶剂和新的解聚技术成为了近期研究热点。

    (2)热分解技术

热解技术主要是在合适的温度和压力下进行。分解和破坏废弃高分子材料的惰性气体加热方法通过破坏原始结构来制备低聚物。 热分解和解聚可以是动力学缓慢的或非选择性的，而这个过程使用 CatalyticQiJ。 2021年麻省理工学院李菊教授研究团队朱美芳和中石化集团乔金柯教授与陆教授合作研发微波等离子体高温快速碳化塑料技术。 这项技术可以在几秒钟内转化普通的不可降解塑料，该材料被转化为高度石墨化的碳和各种化学源气体，减少碳排放、加速碳循环和迈向碳中和的三大目标。

3. 3能量循环

裂解是实现聚合物能量循环的最重要技术。如果聚合物链在高温下被切断，温差会导致

制备不同链长的石蜡、汽油、柴油和几种分解气体化学产品。利用废塑料生产油气的可靠技术和原料来源广泛，环保安全，具有优良的经济效益，可实现高废分子材料的回收再利用。估计每1公斤废塑料回收一次，相当于减少用料量，2-3公斤原油，相当于减少或节省投入。

1公斤塑料原料可减少0.53公斤固废填埋。这将导致精炼乙烯时，CO：排放量减少 500，SO：800。与用原油制造塑料相比，以塑料为原料可减少约 45% 的污水排放。废塑料回收温室气体整体减排效率为0.36tCOze， 废塑料H：3。  

4结语

总体来讲，高分子材料可选自原料来源、催化剂筛选、合成、加工技术突破，实现绿色生产，实现可持续发展的循环利用方法。 主要用于生物基原料包括：二氧化碳、木质素、蒎烯、植物油、植物多糖等；绿色催化剂化学品主要包括绿色固体酸、分子筛和生物酶。绿色合成技术主要包括微波、超声波、微生物发酵和电化学合成。绿色处理技术主要包括流体支持、辐射和动态反应处理。绿色回收策略它可以分为物理循环、化学循环、能量循环和生物循环四个部分。

参考文献：

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