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张俐娜院士:“绿色发展”战略呼唤可持续的高分子新材料
来源: 作者: 更新时间:2019-06-12

(原创:张俐娜,内容转自中国科学院院刊微信公众号)

张俐娜 中国科学院院士,高分子物理化学专家

改革开放40年,我国经济以年均9%左右的速度高速增长。同时,增长方式粗放、资源环境代价过高的问题也日益凸显。国务院将生态文明建设上升为国家战略,许多科研工作者也正在通过各类课题研究解决国民经济的可持续“绿色发展”问题。

“绿色发展”需要多学科交叉创新,要求全域、全产业链、全套解决方案。面对不可再生资源石油、煤炭的日益消耗与枯竭,以及无法自然降解的塑料引起的“白色污染”日益严重,我认为我们科研工作者应致力于地球上最丰富的可再生生物质资源的研究、开发与利用。

同时,中国人应该做自己的创新工作,做基础研究时也一定要考虑其应用前景,这样对国家、对人民才有用,也才能做出创造性的新成果服务于国家,早日实现强国之梦。

众所周知,石油基聚合物产生的塑料因为不可生物降解,其废弃物对环境的污染日益严重。据统计,海洋垃圾中,报纸、苹果核、塑料瓶、一次性尿布等废弃物的生物降解分别需要6周、7周、450年、475年。全球越来越多的哺乳动物、爬行动物和鸟类通过误食塑料制品或者被它们缠绕受到伤害甚至死亡,同时废弃塑料导致的土壤质量下降、河床破坏以及通道堵塞等影响日益严重,所以塑料垃圾已被分类为危险物。

近年,塑料废物已从陆地大量进入海洋,而且海洋因塑料垃圾而严重污染。每年约有800万吨废塑料倾倒在海里,如果以目前的趋势继续下去,预计到2050年海洋中的塑料量将超过鱼类。尤其,微塑料MP)更是一种日益严重的污染物,它被各种海洋生物吞食,随后被人类食用,严重危害健康;并且北极的海冰携带着大量的微小塑料颗粒,到处泛滥。

此外,已发现塑料垃圾引起珊瑚礁疾病,由塑料导致的各种疑难疾病也开始出现。据了解,很多国家生产的不可降解塑料制品已占GDP 4%以上,因此全球废塑料污染问题亟待解决。我国江河湖海的塑料污染十分严重,党和国家领导人很重视,要求采取有力措施保护环境。

为了解决“白色污染”问题,我认为一方面要做好塑料的回收和循环利用,另一方面加大可持续的高分子新材料研究与开发。

来自自然界动植物的可再生资源(农作物、林木、海产品加工废弃物等,统称为生物质),是永不枯竭的资源。利用它们生产的高分子材料,使用后埋在土壤或丢弃在江河湖海中可被微生物降解成水和二氧化碳,即使动物误食也不会窒息死亡,属于环境友好材料。

科学界已认定利用自然界中萜烯、植物油、碳水化合物和聚多糖为原料生产环境友好的生物塑料、水凝胶、复合材料等均属于可持续聚合物材料。天然高分子作为可持续的高分子材料,具有来源丰富、安全、可再生、可生物降解和环境友好等优点。

为了解决废弃塑料的污染问题,欧洲和美国等一些城市已提出并实施“绿色”法规和税收,鼓励生产和使用生物质基塑料,而且呼吁科学家通过加强科学和技术研究使生物质产品和新材料早日进入市场。

近年,为解决化石资源日益枯竭以及塑料废弃物和微型塑料引起的环境污染日益严重问题,超过200个国家在联合国环境大会上签署了一项决议,解决海洋垃圾和微塑料问题。

世界经济发展已趋向可持续的材料和产品,即不使用也不产生有害物质,而是利用可再生资源的合成化学产物。生物材料是工业或商业材料中利用生物质原料(如农作物、草、森林残留物、植物油或其他)进行生产加工的。生物材料必须依赖技术进步才能与石油产品在市场上竞争。目前,利用生物质资源研究与开发化学产物和材料已成为国际科技前沿领域。

纤维素是地球上最丰富的可再生资源,利用纤维素构建高性能材料的优秀成果不断涌现,并发表在Nature、Science等刊物上。

例如:

弄清了纤维素氢键网络结构;

利用纤维素纳米晶须合成手性的SiO2膜;

利用海鞘纤维素纳米晶须制备出高强度材料;

以纤维素链为骨架组装功能化的刷子作为模板构建多种金属纳米棒;

利用纤维素纳米纤维与GaAs、Si复合构建柔韧的电子元件基底;

利用木材经处理加工成类似钢铁的高强度板材而它的质量仅为钢铁的1/6。

面对我国资源与环境问题,我们科研团队长期致力于可再生的生物质大分子(包括纤维素、甲壳素、大豆蛋白、淀粉和多糖等)基材料的结构和性能及其功能评价的基础和应用研究。

经过20多年的探索,我们团队终于突破用有机溶剂加热溶解高分子的传统方法,创建出NaOH/尿素水溶剂体系和低温溶解生物质大分子的崭新方法,并在碱/尿素等3种水溶液中成功溶解了难溶解性纤维素、甲壳素,甚至聚苯胺。

我们提出了利用低温下大分子与溶剂分子之间的氢键作用实现溶解的新机理,并证明溶解是热焓驱动的物理过程。这被国际上称为是神奇的“绿色”技术,而且为研究棉短绒、蔗渣、虾壳、蟹壳等农业废弃物中这些最顽固的大分子转化为新材料开辟了一条全新的道路,而且有利于环保。

我们由低温溶解的纤维素、甲壳素以及聚苯胺/纤维素溶液通过“绿色”技术已成功制备出丝、膜、水凝胶、气凝胶、生物塑料、微球、泡沫塑料等新材料(如图),并证明它们具有优良的力学性能、生物相容性、电子导电性、吸附分离功能,且在土壤和海水中可完全生物降解。

低温溶解纤维素和甲壳素及绿色技术构建各种新材料(Wang S., Lu A., Zhang L., Progress in Polymer Science, 2016, 53, 169-206; B. Duan, A Lu, L. Zhang, et al., Progress in Polymer Science, 2018, 82, 1-33.


重要的是,实验结果表明这些新材料在生物医用、光电储能、纺织、水处理等领域具有应用前景,而且材料废弃后,埋入土壤中或丢入海水中1—2个月,便能完全分解为水和二氧化碳,属于环境友好材料,可实现自然界的良性循环。

基于以上,我们开创了碱/尿素水溶液低温溶解这些难溶性天然高分子的新方法和新机理,具有原始创新性和普适性,并且利用生物质中纤维素和甲壳素通过“绿色”技术转化为环境友好的新材料,符合国家可持续发展战略。目前我们正在与四川丝丽雅集团有限公司和四川大学进行“碱/尿素水溶剂低温溶解法制备纤维素和甲壳素新材料产业化及应用”合作。我们已成功纺出高强度再生纤维素丝和甲壳素丝,可望替代污染严重的粘胶法(采用有毒的CS2)生产人造丝和玻璃纸以及其他新材料。该项新技术的工业化和应用属于可持续的“绿色”生态系统,将有助于未来可持续发展社会的实现。


张俐娜 高分子物理化学专家。19408月出生于福建省光泽县。2011年当选为中国科学院院士。武汉大学教授,美国化学会刊物ACS Sustainable Chemistry & Engineering(《可持续化学与工程》)副主编。曾荣获美国化学会安塞姆·佩恩奖(2011年)和国家自然科学奖二等奖(2012年)。2016年英国皇家化学会Chemistry World刊物报道她为中国绿色化学先驱





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