高分子材料环境与可持续发展

考试 70％ 平时30％

第一章

可持续发展

• 可持续发展是指在满足当代人的需求上，又不对后代人满足其需求能力造成危害的发展方式
• 可持续发展的三个元素
  • 改善社会贫富的不平衡
  • 渐进平衡的经济发展
  • 改善环境质量
• 可持续发展的基本要素
  • 少破坏、不破坏乃至改善人类生存的环境
  • 技术革新，对稀有短缺资源能以经济有效的方式替换
  • 对产品和服务的供求平衡能实现有效的调控
• 走中国特色可持续发展道路
  2030年碳达峰，2060年碳中和

资源和废物管理的期望等级

• 资源和废物管理的期望等级(物尽其用后再烧再埋)
  • 降低原材料消耗：减少了能量的损失
  • 对产品进行再利用：缺点：性能劣化，消费者不愿使用
    • 如二手手机的买卖行为
  • 对废弃物回收，再加工，变产品或原材料
    • 化学回收、物理(机械)回收、能量回收(非简单焚烧)
  • 焚烧：缺点：大气污染
  • 填埋：缺点：长期占据土地，土地污染
• 如何降低矿泉水瓶的污染
  1. 优化设计，是由可降解或长效的高分子材料
  2. 高效生产，使高分子材料精细化、功能化、高性能化以及生态化
  3. 探讨再生循环技术，变废为宝，废物利用

第二章

逐步增长和链增长反应

• 命名：PE, PP, PVC, PS, PET
• 加聚反应链增长主要通过自由基或离子形成的活性中心与单体之间的反应实现，缩聚反应主要通过功能基团反应来实现；加聚反应单体消耗较慢，分子链增长极快，缩聚反应单体消耗很快，分子链增长缓慢；加聚反应单体的转化率随时间的增大而增大，最终的聚合度很高，缩聚反应中的单体很快转化为低聚物，转化率与时间无关，最终聚合度较低。

热固性聚合物和热塑性聚合物的区别

• 热塑性聚合物通过熔融和流体成型可多次进行加工
• 热固性聚合物受热不可逆反应，分子间形成化学交联成为体型结构
• 分子量
  • 重均分子量>黏均分子量>数均分子量
  • 重均分子量用来表征聚合物更恰当，因聚合物性能更多地依赖样品中较大的分子
  • 分子量分布D=重均分子量/数均分子量，越接近1，分子量分布越窄
• 相分离
  • 热力学角度分析，为什么绝大多数的聚合物共混体系是不相容的
    • ΔG=ΔH-TΔS，只有ΔG<0才能均相混合；对于高分子体系，一般ΔH>0,因此能否均一混合要看ΔS和环境温度，需考虑增溶剂的作用

影响聚合物降解的内部因素和外部因素

• 环境因素：微生物降解、光降解、热降解、化学降解、水解、氧化降解
• 性能因素
  • 侧链集团容易降解，H易受自由基攻击，生色集团对紫外光敏感
  • 无定形区比结晶区易降解
  • 玻璃化转变温度，在Tg以上，分子链运动能力强，更容易发生降解

聚合物降解的化学机理，及其导致的化学结果

• 解聚反应，初期相对分子量变化较小，聚合物质量损失较大，后期聚合物分子量急剧降低，产物只有单体
• 无规断裂，初期相对分子质量迅速下降，聚合物质量基本不变，后期聚合物质量迅速下降，产物多为低聚物
• 实际发生的聚合物的热降解介于二者之间
• 降解的后果
  • 力学性能下降，分子链的断裂，链长的降低，分子链的缠结减少
  • 光学性能（变色，变硬）：断裂的键在分子之间重新交联

防止聚合物降解的通用方法和反应机理

• 阻燃剂(降低火焰温度、隔绝氧气、猝灭自由基、释放不燃气体降低氧气浓度）、光稳定剂、过氧化物分解剂、金属钝化剂

第三章

废物流的分类

• 城市固体垃圾：常见的生活垃圾，PE,PP,PS,PVC,PET
• 汽车垃圾
• 建筑垃圾(拆迁和市政)，PVC，热固性树脂
• 物流和大规模工业垃圾
• 农业垃圾，覆膜
• 电子电器垃圾：ABS、PC、PP

第四章

辨别高分子材料和分离

• ISO、ASTM、IEC等国际标准
• 
• 容器分离方法：人工分离、按容器种类自动分离
• 颗粒分离方法：采用超临界液体的浮槽法

物理回收、化学回收、能量回收技术涵义、优缺点以及在可持续发展方面的意义

• 高分子材料的回收等级(不包括降耗，属于零级)
  • 一级 回收制造相同的产品
  • 二级 使用循环的材料制新的产品
  • 三级 废弃物回收化学原料或能量
  • 四级 废料焚烧处理回收能量

此部分的优缺点也可理解为环境冲击

• 物理回收：废旧高分子经收集、分离、提纯、干燥后重新造粒生产的过程
  • 优点：运营成本低
  • 缺点：初期投入高，需大量原料，需高度分拣，依赖废弃物的物理性能
  • 环境冲击：
    • 优点：工艺简单
    • 缺点：需要大量劳动力、消耗大量能量、对产品纯度要求高、由于物化性能下降只能降级使用
  • 热熔加工再生技术：处理好的热塑性废塑料挤出造粒做原料或制品出售的技术
  • 溶剂化再生技术：通过溶剂选择所需高分子材料
• 化学回收：利用光、热、辐射和化学试剂使聚合物降解成单体或低聚物的过程
  • 优点：可处理混合受污染原料，容易分离
  • 缺点：成本高，需要有足够的原材料供应
  • 环境冲击(同上)
• 能量回收：以高分子作为燃料或取热或产生蒸汽进而发电的过程
  • 优点：燃烧过程易于控制，操作简单，发电量大，垃圾处理费低，投资少
  • 缺点：容易造成大气污染
  • 环境冲击
    • 优点：节省人力、可以发电和生热，减容
    • 缺点：石油资源的直接消耗，会产生二恶英等有毒气体，大气污染，如果投建环保型投资很大

第五章

影响公众参与回收处理的因素

• 回收站网络化和本身的行为习惯
• 没有适当的经济利益刺激
• 可通过以旧换新来鼓励公众参与

限制回收处理的社会因素和技术因素，以及改善这些情况需要做的工作

• 技术因素
  • 依据废弃物的不同类型和物化状态，选择不同的回收方式
    • 机械(物理)回收：需分离废弃物、依赖废弃物的物理性能(风选机)
    • 化学回收：可以处理混合废弃物，需要有足够的原材料供应，有自动分离技术
  • 再生塑料循环使用会发生：性能劣化、品控困难(回收缺乏详细的分类和连续的废料供应)
  • 回收困难：去除有毒有害工序复杂、废渣使排放过程处理代价大、身心健康危害大
  • 再生高分子原料品种有限
• 社会因素
  • 设计师与制造商不愿意使用：因性能劣化、健康或安全问题、影响产品整体性能
  • 公众较少地参与高分子回收
• 经济因素
  • 废弃高分子的收集和运输费用
  • 原料成本+投资运营成本及市场波动
  • 回收利润少或无利可图，需要一定政策支持

政策立法以及志愿协议在回收中起到的作用

• 政策立法作用
  • 对回收的促进，特别是回收利润很低的时候
  • 优先考虑制造商对废弃产品的责任
  • 贷款或减税政策可以鼓励回收

各种影响因素如何影响回收手段的选择

• 原油价格导致回收手段的变化
  • 原油价格变化，导致下游产品的成本变化
  • 原油价格变高，高分子材料原料的价格升高，高分子回收具有竞争力
• LCA

第六章

LC的定义，五个阶段，LCA的特点

• LC是指产品从摇篮到坟墓的整个生命周期各阶段的总和，即从自然中来到自然中去的过程
• 生命周期包括五个阶段：原材料的提取、精炼和加工；产品的生产制作；包装运销；产品使用；废物管理
• LCA的特点
  • 全过程评价：产品系统从原材料集采、加工、生产、运输、消费、回收、最终处理全程的环境负荷分析
  • 系统性和量化：以系统的思维方式去研究产品或行为在生命周期每一个环节中所有的资源消耗、废弃物产生情况；定量评价能量和物质的使用以及释放废物的影响
  • 注重产品的环境影响：强调分析产品或行为在生命周期各个阶段对于环境的影响

LCA的基本框架，四个阶段

• 目标和范围的确定：小范围精确不普遍适用，大范围适用不精确
• 清单分析：在范围中划分成一个一个的过程，闭环；并为每一过程每一功能单元的材料消耗或污染排放给出定量的数据
• 环境影响评估：可以为计算，将上一步所给定的数据逐个计算，权重系数的给出具有主观性；据现有文献，可以将资源消耗，生态生物毒性，人体毒性的权重系数分别赋为0.3，0.4，0.3
• 结果解释：计算，并根据结果做出相应解释或选择
  • 要注意功能单元的正确选择，一般来讲选取能承载同等价值作为一个功能单元

第七章

LCA的图例(要学会根据题中所给条件绘图)

第八章

绿色化学

• 定义：用化学的方法和技术去减少或消除有害物质的生产、使用或产生
• 核心：利用化学原理，在技术上和经济上可行地，从源头消除工业生产对环境的污染
• 十三条原则
  • 废弃物：减少废弃物的产生优于在废物产生后处理或清洗废弃物
  • 合成：合成的方法应该有最高的原子经济性
  • 毒性：合成的物质和使用的原料对人体健康和环境无毒或低毒
  • 有效性：减少毒性的同时保留其功能的有效性
  • 助剂：尽可能减少助剂的使用，并应当无害
  • 能量：能量最小化，减小对环境和经济的影响
  • 原料：技术和经济上可行的话，回收料应重新利用
  • 衍生物：尽可能避免不必要的衍生物
  • 催化剂：催化剂比化学计量占优势，提高反应效率
  • 降解：化学产品在不能使用后能降解为无害物质
  • 监控：监控有毒物质的产生，发展分析方法
  • 事故：减少化学物质的释放、爆炸和火灾等事故
  • 模拟：尽量采用模拟或预测材料性能的方法

CO2超临界流体

• 应用：天然产物提取；合成高分子；干洗
• 在临界点附近密度有很宽的变化范围(浮选法)
• 温度压力微调，密度显著变化