生態(tài)壞境材料

生態(tài)壞境材料的研究XX（XXXXXXX XXXXX）【摘要】21 世紀(jì)是可持續(xù)發(fā)展的世紀(jì)。社會、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展要求以自然資源為基礎(chǔ)，與環(huán)境承載力相協(xié)調(diào)，走最有效利用資源和保護(hù)環(huán)境為基礎(chǔ)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)之路。生態(tài)環(huán)境材料是人類保護(hù)環(huán)境、走可持續(xù)發(fā)展道路的意識在材料科學(xué)與工程學(xué)科的具體體現(xiàn)和實踐，是一個涉及多學(xué)科綜合與交叉的新領(lǐng)域。生態(tài)材料在未來的發(fā)展中將會繼續(xù)保持良好的發(fā)展態(tài)勢。關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境材料；材料生命周期評價；環(huán)境協(xié)調(diào)性；Ecological bad habitat materials researchXX(XXXXXX XXXXXXXXX)【abstract】The 21st century is the century of sustainable development。Sustainable development of society and economy requirement to natural resources as the foundation，and the environment coordination capacity,go the most effective use of the resources and protection of the environment as the basis with the road of circulation economy.The ecological environment material is the human environmental protection consciousness of taking the path of sustainable development in materials science and engineering discipline concrete manifestation and practice, involves multidisciplinary comprehensive and cross new field.Ecological materials in the development of the future will be to continue maintains the good development momentum.Key words: ecomaterials; Material Life Cycle Assessment; environment; 1 前言材料與信息、能源并稱為現(xiàn)代科技的三大支柱學(xué)科，在社會發(fā)展中具有舉足輕重的地位。材料作為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo), 對推動人類文明的進(jìn)程起著極其重要的作用, 隨著社會的發(fā)展, 對材料及其產(chǎn)品的需求也越來越大, 隨之而來的在資源利用和開發(fā)的技術(shù)水平、深度和廣度, 以及資源效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益上的問題也日益突出。正是在這種背景下, 日本科學(xué)家山本良一于1990年提出生態(tài)環(huán)境材料( Ecomaterial)1，隨后生態(tài)環(huán)境材料研究受到了各國科學(xué)家的高度重視，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并成為20世紀(jì)90年代以來國際材料科學(xué)與工程發(fā)展的趨勢之一。目前，國內(nèi)外關(guān)于“生態(tài)環(huán)境材料”的概念還沒有明確的認(rèn)識。但在一些問題上已形成了共識：生態(tài)環(huán)境材料是既具有滿意的使用性能又具有良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性的一類材料。環(huán)境協(xié)調(diào)性是指對資源和能源消耗少、對生態(tài)和環(huán)境污染小、再生利用率高或可降解化和可循環(huán)利用，而且要求從材料制造、使用、廢棄直到再生利用的整個壽命周期中，都必須具有與環(huán)境的協(xié)調(diào)共存性。2生態(tài)環(huán)境材料實質(zhì)上是賦予傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、功能材料以特別優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料，它是由材料工作者在環(huán)境意識指導(dǎo)下，或開發(fā)新型材料，或改進(jìn)、改造傳統(tǒng)材料所獲得的。2.1 生態(tài)環(huán)境材料概念及其發(fā)展3日本東京大學(xué)的山本良一教授認(rèn)為，生態(tài)環(huán)境材料應(yīng)是將先進(jìn)性、環(huán)境協(xié)調(diào)性和舒適性融為一體的新型材料。其特征首先是節(jié)約資源和能源; 其次是減少環(huán)境污染，避免溫室效應(yīng)與臭氧層破壞; 第三是容易回收和循環(huán)再生利用。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過我國眾多學(xué)者長時間的討論，達(dá)成如下共識: “生態(tài)環(huán)境材料應(yīng)是同時具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性或者能夠改善環(huán)境的材料。所謂環(huán)境協(xié)調(diào)性是指資源和能源消耗少，環(huán)境污染小和循環(huán)再生利用率高”。這里既包括按生態(tài)環(huán)境材料的基本思想和設(shè)計原則開發(fā)的新材料，也包括對傳統(tǒng)材料的生態(tài)化改造，即在材料生命周期評價( Life Cycle Assessment，LCA，國內(nèi)比較普遍的另一稱謂是環(huán)境協(xié)調(diào)性評價) 的基礎(chǔ)上，通過對材料制造工藝的不斷調(diào)整和改造，漸實現(xiàn)傳統(tǒng)材料的生態(tài)環(huán)境材料化。但必須強(qiáng)調(diào)指出: 生態(tài)環(huán)境材料是與原有的材料相比較而產(chǎn)生、相比而發(fā)展的新型材料，其判斷和認(rèn)知往往是相對的、動態(tài)的和不斷發(fā)展的。它是人類充分考慮材料在其整個生命周期中對生態(tài)環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，在生態(tài)設(shè)計思想和原則的指導(dǎo)下，采用革新的低環(huán)境負(fù)荷工藝( 或者說綠色制造工藝) 開發(fā)出來的新一代材料。它是各種高新技術(shù)在材料制備過程中科學(xué)、有效和經(jīng)濟(jì)、巧妙利用的產(chǎn)物。因此，生態(tài)環(huán)境材料符合人與自然和諧發(fā)展的基本要求，是人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的理性選擇，也是材料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。它不僅是從源頭治理或減輕環(huán)境污染的實體材料，而且應(yīng)當(dāng)是新時代材料研制與生產(chǎn)的發(fā)展方向。在這里必須強(qiáng)調(diào)指出，LCA 始終是評價材料及其產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程的有力工具。2.2 生態(tài)環(huán)境材料與傳統(tǒng)材料最大的區(qū)別所謂生態(tài)環(huán)境材料是指那些具有良好的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料以及具有環(huán)境凈化和治理污染功能的材料。這里所講的“良好的環(huán)境協(xié)調(diào)性”是指資源、能源消耗少，環(huán)境污染低，再生循環(huán)利用率高。傳統(tǒng)的材料只是注重材料的使用性能，采用單一的性能評價體系評價材料，性能好就是好材料；而生態(tài)環(huán)境材料則必須采用性能評價和環(huán)境協(xié)調(diào)性評價的雙指標(biāo)體系進(jìn)行評價，要求材料同時具有優(yōu)良的使用性能和環(huán)境協(xié)調(diào)性，缺一不可！我們說生態(tài)環(huán)境意識的材料，原因就在于此。在材料、產(chǎn)品的設(shè)計階段開始就要綜觀其整個生命周期，充分考慮到每個環(huán)節(jié)的節(jié)省資源（能源）、保護(hù)環(huán)境和廢棄后容易再生循環(huán)的要求，同時具有良好的功能特性和舒適性，這就是生態(tài)環(huán)境材料的本質(zhì)所在。一步達(dá)到這個要求是十分困難的，它是逐步改進(jìn)和逼近的。顯然，用常規(guī)的思路和方法做到這些是不可能的。因此，從某種意義上講，生態(tài)環(huán)境材料就是高新技術(shù)在材料設(shè)計和制備生產(chǎn)過程中科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、巧妙而有效的應(yīng)用。2.3 生態(tài)環(huán)境材料的研究內(nèi)容生態(tài)環(huán)境材料的研究內(nèi)容主要包括兩方面：材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價技術(shù)。這涉及到如何評價材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性(即環(huán)境表現(xiàn)和環(huán)境性能)，并由此產(chǎn)生了材料環(huán)境協(xié)調(diào)性評價研究。目前主要采用生命周期評價方法的基本概念、原則和方法對材料或產(chǎn)品全壽命周期進(jìn)行評估。生命周期評價方法是指用數(shù)學(xué)物理方法結(jié)合實驗分析對某一過程、產(chǎn)品或事件的資源、能源消耗，廢物排放，環(huán)境吸收和消化能力等環(huán)境負(fù)擔(dān)性進(jìn)行評價，定量確定該過程、產(chǎn)品或事件的環(huán)境合理性及環(huán)境負(fù)荷量的大小。生態(tài)環(huán)境材料的設(shè)計、研制與開發(fā)。生態(tài)環(huán)境材料并非僅指新開發(fā)的新型材料、并不是排它的新材料體系，任何一種材料只要經(jīng)過改造達(dá)到節(jié)約資源并與環(huán)境協(xié)調(diào)共存的要求，它就應(yīng)視為生態(tài)環(huán)境材料。生態(tài)環(huán)境材料包括四種類型4：原料無害化材料，如：無鉛材料、無鉻材料、汞替代材料、環(huán)境友好半導(dǎo)體材料等；綠色環(huán)境過程材料，如：使用可再生資源為原料、廢棄物再利用、綠色生產(chǎn)過程；可循環(huán)利用材料，如：循環(huán)利用合金、循環(huán)利用復(fù)合材料、低雜質(zhì)合金、材料的循環(huán)設(shè)計等；高資源生產(chǎn)率材料，如：精益結(jié)構(gòu)設(shè)計材料、四要素材料(低損耗材料、高效率材料、生命周期評價設(shè)計材料、導(dǎo)向應(yīng)用材料)等。3 實施生態(tài)材料的戰(zhàn)略意義眾所周知, 在材料提取、制備、加工、生產(chǎn)和使用、廢棄和回收過程中, 需從環(huán)境中攝取大量的資源和能源, 同時通過排放廢棄物給環(huán)境帶來負(fù)擔(dān),材料及其制品制造業(yè)是造成能源短缺、資源過度消耗和環(huán)境污染的主要根源之一, 為了保護(hù)我國的國家利益, 針對我國國情開展研究, 并參與國際競爭刻不容緩, 美、英、法、日等國均開展了大量研究工作, 其評價已涉及的材料有交通運(yùn)輸材料( 如汽車材料) 、包裝材料、建筑材料及其他工程材料和金屬功能材料。5材料制備加工中的潔凈技術(shù)又稱為零廢棄加工技術(shù), 在先進(jìn)材料可持續(xù)發(fā)展中具有重要的地位,已在國際上引起材料科技工作者的極大關(guān)注, 材料制備加工中的零排放與零廢棄技術(shù)的重要性在于它從根本上改變了現(xiàn)在環(huán)境問題上的“先污染, 后治理” 的模式6, 其基本出發(fā)點(diǎn)是通過對材料制備加工中各種過程的綜合分析, 采取有效的綜合技術(shù), 從技術(shù)及經(jīng)濟(jì)成本的可行性兩方面考慮, 盡可能減少乃至最終避免在材料制造加工中廢棄物和污染物向生態(tài)環(huán)境中的排放, 實現(xiàn)材料加工技術(shù)的潔凈化。4 生態(tài)環(huán)境材料的研究進(jìn)展生態(tài)環(huán)境材料是在人類認(rèn)識到生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要戰(zhàn)略意義和世界各國紛紛走可持續(xù)發(fā)展道路的背景下提出來的, 是國內(nèi)外材料科學(xué)與工程研究發(fā)展的必然趨勢,7 一般認(rèn)為生態(tài)環(huán)境材料是具有滿意的使用性能同時又被賦予優(yōu)異的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料。生態(tài)環(huán)境材料研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向包括再生聚合物( 塑料）的設(shè)計、材料環(huán)境評價的理論體系、降低材料環(huán)境負(fù)荷的新工藝、新技術(shù)和新方法等。就發(fā)展速度而言, 歐洲在天然纖維的開發(fā)應(yīng)用方面處于領(lǐng)先。仿生材料是生態(tài)材料研究方向之一, 天然材料經(jīng)過億萬年演變進(jìn)化, 形成奇妙多彩的功能原理和作用機(jī)制.能夠和諧地存在于生態(tài)系統(tǒng)中, 所以具有天然的生態(tài)合理性, 仿生材料就是從天然材料尋求啟迪和模擬制造出新型生態(tài)材料。4. 1 天然纖維增強(qiáng)生態(tài)材料由于天然纖維可以回收利用, 能滿足社會可持續(xù)發(fā)展的需求, 并且具有密度低、生物可降解、機(jī)械性能好等特性, 國外已經(jīng)注意開發(fā)和利用天然纖維增強(qiáng)材料, 日本的一些纖維廠在新型天然植物纖維開發(fā)和植物再生利用方面獲得較大進(jìn)展, 已成功開發(fā)出竹子、香蕉為原料運(yùn)用新技術(shù)生產(chǎn)的生態(tài)纖維。歐洲已擬定法律在2015年前汽車用材料的回收率應(yīng)達(dá)到9 0 % , 這將促使汽車制造商重新考慮其使用材料的戰(zhàn)略, 這也就直接對玻璃纖維與碳纖維提出了挑戰(zhàn)8。天然纖維是受到許多廠商日益關(guān)注的競爭材料,比如黃麻、亞麻、竹子和木材纖維等增強(qiáng)聚丙烯及酚醛復(fù)合材料, 由于其成本較低, 而且具有生物降解性, 其性能優(yōu)勢主要有: 綠色環(huán)保; 減輕制品的重里; 成本較低; 良好的抗控性能; 可回收性等優(yōu)良的性能特點(diǎn), 環(huán)保工作者鐘情于它們可共存, 易焚燒, 可中和CO2和可再生的性質(zhì), 汽車廠商亦關(guān)注它們的低重量、易加工和低成本。雖然目前仍有許多問題尚待解決, 但世界各地的大學(xué)和行業(yè)研發(fā)部門正在致力于把它們制成有生命力的“生態(tài)復(fù)合材料”。9就發(fā)展速度而言, 歐洲在天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)先于北美, 世界最大的玻璃纖維公司O C 公司針對歐洲汽車工業(yè)對天然纖維復(fù)合材料的需求最近開發(fā)出亞麻纖維增強(qiáng)聚丙烯, 在汽車上獲得成功應(yīng)用。4.2 熱塑性復(fù)合材料利用復(fù)合材料的優(yōu)勢, 人們在實現(xiàn)其環(huán)境意識化領(lǐng)域所作的研究主要有: 可再生復(fù)合材料、可降解復(fù)合材料、高性能復(fù)合材料、功能復(fù)合材料和廢棄資源利用復(fù)合材料等。熱塑性塑料有一個顯著的特點(diǎn)，即可以回收利用，它們可以融化、再塑多次，直到性能劣化到不能再用的程度，復(fù)合材料面臨一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)回收利用法規(guī)的要求，在這方面，熱塑性復(fù)合材料有著更好的機(jī)遇。另外，復(fù)合材料的界面形成方式和界面結(jié)構(gòu)需要有新的改進(jìn)以獲得界面的可再生性和穩(wěn)定性，保證基體融熔狀態(tài)下增強(qiáng)相的分布、取向與原來一致。10分析復(fù)合材料的再生研究，其關(guān)鍵是組分材料的再生和復(fù)合材料界面的再生性。熱塑性基體復(fù)合材料將因其再生方面的優(yōu)勢而得到充分的重視和長足的發(fā)展。5 結(jié)語“可持續(xù)發(fā)展”概念來源于生態(tài)學(xué)，所遵守的法則非常簡單：若消耗量大于產(chǎn)生量，則這種現(xiàn)象不能持續(xù)發(fā)展。發(fā)展生態(tài)環(huán)境材料是全球也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。生態(tài)環(huán)境材料對資源和能源消耗少、對生態(tài)和環(huán)境污染小、再生利用率高或可降解化和可循環(huán)利用，而且在材料制造、使用、廢棄直至再生利用的整個生命周期中，它都與環(huán)境有著協(xié)調(diào)共存性。生態(tài)環(huán)境材料設(shè)計是促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的材料設(shè)計11，也是未來設(shè)計的必然趨勢，它可以提高環(huán)境和資源的利用率，實現(xiàn)人類社會文明與環(huán)境協(xié)調(diào)，走可持續(xù)發(fā)展的道路。生態(tài)環(huán)境材料概念的提出雖然不久，但國際上這方面的發(fā)展很快。近年來，國際上材料科學(xué)技術(shù)工作者及相關(guān)領(lǐng)域人員對這一主題高度重視，進(jìn)行了廣泛、深入地研究，生態(tài)環(huán)境材料已逐漸成為材料領(lǐng)域的一大熱門話題。作為跨材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的交叉學(xué)科的生態(tài)環(huán)境材料，代表著材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向，對于人類社會的可持續(xù)發(fā)展必將起到重要的推動作用?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1靳林.淺談生態(tài)環(huán)境材料J.臨滄師范高等?？茖W(xué)校數(shù)理系科技信息1994：426-4272聶祚仁.循環(huán)型社會的生態(tài)環(huán)境材料J.中國材料進(jìn)展.2009.5:38-443王天民，郝維昌，王瑩，周和敏.生態(tài)環(huán)境材料材料及其產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向J中國材料進(jìn)展.2011.84楊贊中，任京城.資源、環(huán)境及環(huán)境材料芻議J.山西建材，1999（2）：4-65蕭紀(jì)美.環(huán)境與材料J