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    張俐娜院士:“綠色發展”戰略呼喚可持續的高分子新材料
    2019-06-14  來源:中國科學院院刊


    張俐娜

    中國科學院院士,高分子物理化學專家

      改革開放40年,我國經濟以年均9%左右的速度高速增長。同時,增長方式粗放、資源環境代價過高的問題也日益凸顯。國務院將生態文明建設上升為國家戰略,許多科研工作者也正在通過各類課題研究解決國民經濟的可持續“綠色發展”問題。

      “綠色發展”需要多學科交叉創新,要求全域、全產業鏈、全套解決方案。面對不可再生資源石油、煤炭的日益消耗與枯竭,以及無法自然降解的塑料引起的“白色污染”日益嚴重,我認為我們科研工作者應致力于地球上最豐富的可再生生物質資源的研究、開發與利用。

      同時,中國人應該做自己的創新工作,做基礎研究時也一定要考慮其應用前景,這樣對國家、對人民才有用,也才能做出創造性的新成果服務于國家,早日實現強國之夢。

      眾所周知,石油基聚合物產生的塑料因為不可生物降解,其廢棄物對環境的污染日益嚴重。據統計,海洋垃圾中,報紙、蘋果核、塑料瓶、一次性尿布等廢棄物的生物降解分別需要6周、7周、450年、475年。全球越來越多的哺乳動物、爬行動物和鳥類通過誤食塑料制品或者被它們纏繞受到傷害甚至死亡,同時廢棄塑料導致的土壤質量下降、河床破壞以及通道堵塞等影響日益嚴重,所以塑料垃圾已被分類為危險物。

      近年,塑料廢物已從陸地大量進入海洋,而且海洋因塑料垃圾而嚴重污染。每年約有800萬噸廢塑料傾倒在海里,如果以目前的趨勢繼續下去,預計到2050年海洋中的塑料量將超過魚類。尤其,微塑料(MP)更是一種日益嚴重的污染物,它被各種海洋生物吞食,隨后被人類食用,嚴重危害健康;并且北極的海冰攜帶著大量的微小塑料顆粒,到處泛濫。

      此外,已發現塑料垃圾引起珊瑚礁疾病,由塑料導致的各種疑難疾病也開始出現。據了解,很多國家生產的不可降解塑料制品已占GDP 4%以上,因此全球廢塑料污染問題亟待解決。我國江河湖海的塑料污染十分嚴重,黨和國家領導人很重視,要求采取有力措施保護環境。

      為了解決“白色污染”問題,我認為一方面要做好塑料的回收和循環利用,另一方面加大可持續的高分子新材料研究與開發。

      來自自然界動植物的可再生資源(農作物、林木、海產品加工廢棄物等,統稱為生物質),是永不枯竭的資源。利用它們生產的高分子材料,使用后埋在土壤或丟棄在江河湖海中可被微生物降解成水和二氧化碳,即使動物誤食也不會窒息死亡,屬于環境友好材料。

      科學界已認定利用自然界中萜烯、植物油、碳水化合物和聚多糖為原料生產環境友好的生物塑料、水凝膠、復合材料等均屬于可持續聚合物材料。天然高分子作為可持續的高分子材料,具有來源豐富、安全、可再生、可生物降解和環境友好等優點。

      為了解決廢棄塑料的污染問題,歐洲和美國等一些城市已提出并實施“綠色”法規和稅收,鼓勵生產和使用生物質基塑料,而且呼吁科學家通過加強科學和技術研究使生物質產品和新材料早日進入市場。

      近年,為解決化石資源日益枯竭以及塑料廢棄物和微型塑料引起的環境污染日益嚴重問題,超過200個國家在聯合國環境大會上簽署了一項決議,解決海洋垃圾和微塑料問題。

      世界經濟發展已趨向可持續的材料和產品,即不使用也不產生有害物質,而是利用可再生資源的合成化學產物。生物材料是工業或商業材料中利用生物質原料(如農作物、草、森林殘留物、植物油或其他)進行生產加工的。生物材料必須依賴技術進步才能與石油產品在市場上競爭。目前,利用生物質資源研究與開發化學產物和材料已成為國際科技前沿領域。

      纖維素是地球上最豐富的可再生資源,利用纖維素構建高性能材料的優秀成果不斷涌現,并發表在NatureScience等刊物上。

    例如:

    弄清了纖維素氫鍵網絡結構;

    利用纖維素納米晶須合成手性的SiO2膜;

    利用海鞘纖維素納米晶須制備出高強度材料;

    以纖維素鏈為骨架組裝功能化的刷子作為模板構建多種金屬納米棒;

    利用纖維素納米纖維與GaAs、Si復合構建柔韌的電子元件基底;

    利用木材經處理加工成類似鋼鐵的高強度板材而它的質量僅為鋼鐵的1/6。

      面對我國資源與環境問題,我們科研團隊長期致力于可再生的生物質大分子(包括纖維素、甲殼素、大豆蛋白、淀粉和多糖等)基材料的結構和性能及其功能評價的基礎和應用研究。

      經過20多年的探索,我們團隊終于突破用有機溶劑加熱溶解高分子的傳統方法,創建出NaOH/尿素水溶劑體系和低溫溶解生物質大分子的嶄新方法,并在堿/尿素等3種水溶液中成功溶解了難溶解性纖維素、甲殼素,甚至聚苯胺。

      我們提出了利用低溫下大分子與溶劑分子之間的氫鍵作用實現溶解的新機理,并證明溶解是熱焓驅動的物理過程。這被國際上稱為是神奇的“綠色”技術,而且為研究棉短絨、蔗渣、蝦殼、蟹殼等農業廢棄物中這些最頑固的大分子轉化為新材料開辟了一條全新的道路,而且有利于環保。

      我們由低溫溶解的纖維素、甲殼素以及聚苯胺/纖維素溶液通過“綠色”技術已成功制備出絲、膜、水凝膠、氣凝膠、生物塑料、微球、泡沫塑料等新材料(如圖),并證明它們具有優良的力學性能、生物相容性、電子導電性、吸附分離功能,且在土壤和海水中可完全生物降解。

    低溫溶解纖維素和甲殼素及“綠色”技術構建各種新材料(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,實驗結果表明這些新材料在生物醫用、光電儲能、紡織、水處理等領域具有應用前景,而且材料廢棄后,埋入土壤中或丟入海水中1—2個月,便能完全分解為水和二氧化碳,屬于環境友好材料,可實現自然界的良性循環。

      基于以上,我們開創了堿/尿素水溶液低溫溶解這些難溶性天然高分子的新方法和新機理,具有原始創新性和普適性,并且利用生物質中纖維素和甲殼素通過“綠色”技術轉化為環境友好的新材料,符合國家可持續發展戰略。目前我們正在與四川絲麗雅集團有限公司和四川大學進行“堿/尿素水溶劑低溫溶解法制備纖維素和甲殼素新材料產業化及應用”合作。我們已成功紡出高強度再生纖維素絲和甲殼素絲,可望替代污染嚴重的粘膠法(采用有毒的CS2)生產人造絲和玻璃紙以及其他新材料。該項新技術的工業化和應用屬于可持續的“綠色”生態系統,將有助于未來可持續發展社會的實現。

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