生态坏境材料的研究
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（XXXXXXX XXXXX）
【摘要】21 世纪是可持续发展的世纪。社会、经济的可持续发展要求以自然资源为基础，与环境承载力相协调，走最有效利用资源和保护环境为基础的循环经济之路。生态环境材料是人类保护环境、走可持续发展道路的意识在材料科学与工程学科的具体体现和实践，是一个涉及多学科综合与交叉的新领域。生态材料在未来的发展中将会继续保持良好的发展态势。
关键词：生态环境材料；材料生命周期评价；环境协调性；
Ecological bad habitat materials
research
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(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 consciousne of taking the path of sustainable development in materials science and engineering discipline concrete manifestation and practice, involves multidisciplinary comprehensive and cro 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 Aement; environment;
1 前言
材料与信息、能源并称为现代科技的三大支柱学科，在社会发展中具有举足轻重的地位。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, 日本科学家山本良一于1990年提出生态环境材料( Ecomaterial)[1]，随后生态环境材料研究受到了各国科学家的高度重视，成为材料科学领域的研究热点，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。目前，国内外关于“生态环境材料”的概念还没有明确的认识。但在一些问题上已形成了共识：生态环境材料是既具有满意的使用性能又具有良好的环境协调性的一类材料。环境协调性是指对资源和能源消耗少、对生态和环境污染小、再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求从材料制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都必须具有与环境的协调共存性。[2]生态环境材料实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料，它是由材料工作者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料所获得的。
2.1 生态环境材料概念及其发展[3]
日本东京大学的山本良一教授认为，生态环境材料应是将先进性、环境协调性和舒适性融为一体的新型材料。其特征首先是节约资源和能源; 其次是减少环境污染，避免温室效应与臭氧层破坏; 第三是容易回收和循环再生利用。在此基础上，经过我国众多学者长时间的讨论，达成如下共识: “生态环境材料应是同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性或者能够改善环境的材料。所谓环境协调性是指资源和能源消耗少，环境污染小和循环再生利用率高”。这里既包括按生态环境材料的基本思想和设计原则开发的新材料，也包括对传统材料的生态化改造，即在材料生命周期评价( Life Cycle Aement，LCA，国内比较普遍的另一称谓是环境协调性评价) 的基础上，通过对材料制造工艺的不断调整和改造，渐实现传统材料的生态环境材料化。但必须强调指出: 生态环境材料是与原有的材料相比较而产生、相比而发展的新型材料，其判断和认知往往是相对的、动态的和不断发展的。它是人类充分考虑材料在其整个生命周期中对生态环境影响的基础上，在生态设计思想和原则的指导下，采用革新的低环境负荷工艺( 或者说绿色制造工艺) 开发出来的新一代材料。它是各种高新技术在材料制备过程中科学、有效和经济、巧妙利用的产物。因此，生态环境材料符合人与自然和谐发展的基本要求，是人与自然协调发展的理性选择，也是材料产业可持续发展的必由之路。它不仅是从源头治理或减轻环境污染的实体材料，而且应当是新时代材料研制与生产的发展方向。在这里必须强调指出，LCA 始终是评价材料及其产业可持续发展进程的有力工具。
2.2 生态环境材料与传统材料最大的区别
所谓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以及具有环境净化和治理污染功能的材料。这里所讲的“良好的环境协调性”是指资源、能源消耗少，环境污染低，再生循环利用率高。传统的材料只是注重材料的使用性能，采用单一的性能评价体系评价材料，性能好就是好材料；而生态环境材料则必须采用性能评价和环境协调性评价的双指标体系进行评价，要求材料同时具有优良的使用性能和环境协调性，缺一不可！我们说生态环境意识的材料，原因就在于此。在材料、产品的设计阶段开始就要综观其整个生命周期，充分考虑到每个环节的节省资源（能源）、保护环境和废弃后容易再生循环的要求，同时具有良好的功能特性和舒适性，这就是生态环境材料的本质所在。一步达到这个要求是十分困难的，它是逐步改进和逼近的。显然，用常规的思路和方法做到这些是不可能的。因此，从某种意义上讲，生态环境材料就是高新技术在材料设计和制备生产过程中科学、经济、巧妙而有效的应用。
2.3 生态环境材料的研究内容
生态环境材料的研究内容主要包括两方面：①材料的环境协调性评价技术。这涉及到如何评价材料的环境协调性(即环境表现和环境性能)，并由此产生了材料环境协调性评价研究。目前主要采用生命周期评价方法的基本概念、原则和方法对材料或产品全寿命周期进行评估。生命周期评价方法是指用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资源、能源消耗，废物排放，环境吸收和消化能力等环境负担性进行评价，定量确定该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。②生态环境材料的设计、研制与开发。生态环境材料并非仅指新开发的新型材料、并不是排它的新材料体系，任何一种材料只要经过改造达到节约资源并与环境协调共存的要求，它就应视为生态环境材料。生态环境材料包括四种类型[4]：①原料无害化材料，如：无铅材料、无铬材料、汞替代材料、环境友好半导体材料等；②绿色环境过程材料，如：使用可再生资源为原料、废弃物再利用、绿色生产过程；③可循环利用材料，如：循环利用合金、循环利用复合材料、低杂质合金、材料的循环设计等；④高资源生产率材料，如：精益结构设计材料、四要素材料(低损耗材料、高效率材料、生命周期评价设计材料、导向应用材料)等。
3 实施生态材料的战略意义
众所周知, 在材料提取、制备、加工、生产和使用、废弃和回收过程中, 需从环境中摄取大量的资源和能源, 同时通过排放废弃物给环境带来负担,材料及其制品制造业是造成能源短缺、资源过度消耗和环境污染的主要根源之一, 为了保护我国的国家利益, 针对我国国情开展研究, 并参与国际竞争刻不容缓, 美、英、法、日等国均开展了大量研究工作, 其评价已涉及的材料有交通运输材料( 如汽车材料)、包装材料、建筑材料及其他工程材料和金属功能材料。[5] 材料制备加工中的洁净技术又称为零废弃加工技术, 在先进材料可持续发展中具有重要的地位,已在国际上引起材料科技工作者的极大关注, 材料制备加工中的零排放与零废弃技术的重要性在于它从根本上改变了现在环境问题上的“先污染, 后治理” 的模式[6], 其基本出发点是通过对材料制备加工中各种过程的综合分析, 采取有效的综合技术, 从技术及经济成本的可行性两方面考虑, 尽可能减少乃至最终避免在材料制造加工中废弃物和污染物向生态环境中的排放, 实现材料加工技术的洁净化。
4 生态环境材料的研究进展
生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的, 是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势,[7] 一般认为生态环境材料是具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协调性的材料。生态环境材料研究热点和发展方向包括再生聚合物( 塑料）的设计、材料环境评价的理论体系、降低材料环境负荷的新工艺、新技术和新方法等。就发展速度而言, 欧洲在天然纤维的开发应用方面处于领先。仿生材料是生态材料研究方向之一, 天然材料经过亿万年演变进化, 形成奇妙多彩的功能原理和作用机制.能够和谐地存在于生态系统中, 所以具有天然的生态合理性, 仿生材料就是从天然材料寻求启迪和模拟制造出新型生态材料。
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、机械性能好等特性, 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进展, 已成功开发出竹子、香蕉为原料运用新技术生产的生态纤维。欧洲已拟定法律在2015年前汽车用材料的回收率应达到9 0 % , 这将促使汽车制造商重新考虑其使用材料的战略, 这也就直接对玻璃纤维与碳纤维提出了挑战[8]。
天然纤维是受到许多厂商日益关注的竞争材料,比如黄麻、亚麻、竹子和木材纤维等增强聚丙烯及酚醛复合材料, 由于其成本较低, 而且具有生物降解性, 其性能优势主要有: ① 绿色环保; ② 减轻制品的重里; ③ 成本较低; ④ 良好的抗控性能; ⑤ 可回收性等优良的性能特点, 环保工作者钟情于它们可共存, 易焚烧, 可中和CO2和可再生的性质, 汽车厂商亦关注它们的低重量、易加工和低成本。虽然目前仍有许多问题尚待解决, 但世界各地的大学和行业研发部门正在致力于把它们制成有生命力的“生态复合材料”。[9] 就发展速度而言, 欧洲在天然纤维增强复合材料的开发与应用领先于北美, 世界最大的玻璃纤维公司O C 公司针对欧洲汽车工业对天然纤维复合材料的需求最近开发出亚麻纤维增强聚丙烯, 在汽车上获得成功应用。
4.2 热塑性复合材料
利用复合材料的优势, 人们在实现其环境意识化领域所作的研究主要有: 可再生复合材料、可降解复合材料、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。
热塑性塑料有一个显著的特点，即可以回收利用，它们可以融化、再塑多次，直到性能劣化到不能再用的程度，复合材料面临一个严峻的挑战——回收利用法规的要求，在这方面，热塑性复合材料有着更好的机遇。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，保证基体融熔状态下增强相的分布、取向与原来一致。[10]分析复合材料的再生研究，其关键是组分材料的再生和复合材料界面的再生性。热塑性基体复合材料将因其再生方面的优势而得到充分的重视和长足的发展。
5 结语
“可持续发展”概念来源于生态学，所遵守的法则非常简单：若消耗量大于产生量，则这种现象不能持续发展。发展生态环境材料是全球也是我国可持续发展战略的重要组成部分。生态环境材料对资源和能源消耗少、对生态和环境污染小、再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且在材料制造、使用、废弃直至再生利用的整个生命周期中，它都与环境有着协调共存性。生态环境材料设计是促进可持续发展的材料设计[11]，也是未来设计的必然趋势，它可以提高环境和资源的利用率，实现人类社会文明与环境协调，走可持续发展的道路。生态环境材料概念的提出虽然不久，但国际上这方面的发展很快。近年来，国际上材料科学技术工作者及相关领域人员对这一主题高度重视，进行了广泛、深入地研究，生态环境材料已逐渐成为材料领域的一大热门话题。作为跨材料科学和环境科学的交叉学科的生态环境材料，代表着材料科学与技术的发展方向，对于人类社会的可持续发展必将起到重要的推动作用。
【参考文献】
[1]靳林.浅谈生态环境材料[J].临沧师范高等专科学校数理系科技信息 1994：426-427 [2]聂祚仁.循环型社会的生态环境材料[J].中国材料进展.2009.5:38-44 [3]王天民，郝维昌，王莹，周和敏.生态环境材料———材料及其产业可持续发展的方向[J]中国材料进展.2011.8 [4]杨赞中，任京城.资源、环境及环境材料刍议[J].山西建材，1999（2）：4-6 [5]萧纪美.环境与材料[J].材料科学与工程，1997，15（2）：1-4 [6]聂祚仁，王志宏.生态环境材料学[M].北京：机械工业出版社，2004.[7]左铁墉，翁瑞.国外环境材料的研究进展及发展方向[J].材料导报，1997，11（5）：1～4.[8]左铁镛.生态环境材料的研究与发展动态[ J ] .新材料产业， 2 0 0 0（12）：97～101.[9]山本良一.环境材料[M].王天民，译.北京：化学工业出版社，1997.[10]石璞,戈明亮.高分子材料的绿色可持续发展[J].化工新型材料,2006,34(S1):33-36.[11]左铁墉.生态环境材料的研究与发展动态[J].新材料产业,2000,(12):97-101.
