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UniversityofScienceandTechnologyofChina《高分子科学与材料概论》高分子材料与环境高分子材料的地位与快速发展;聚合物垃圾的分类及处理方法——聚合物垃圾分类及处理——“白色污染”的现状与对策;高分子材料在环境保护中的作用。主要内容:高分子材料材料:金属、无机非金属、有机高分子材料作为材料,必须具备以下特点:一定的组成;可加工性;形状保持性;使用性能;经济性;再生性。高分子材料60%陶瓷10%金属30%一、高分子材料的地位与快速发展与其它材料相比,高分子材料具有以下特性(以塑料为例):1.密度小,质轻。(塑料的密度通常在0.9~2.3g/cm3之间,而当制成泡沫塑料时,密度更低,只有0.01~0.05g/cm3。)2.拉伸强度(强度)和拉伸模量(硬度)较低,韧性较优良。3.易于成型加工成各种形状、各种尺寸的制品。4.传热系数小,可用作优良的绝热材料。(尤其是泡沫塑料,被广泛应用于冷藏、建筑、节能及其它绝热工程上。)5.电气绝缘性能优良。(塑料的体积电阻率一般在1013~1018•cm,介电常数一般2,介电损耗10-4,常用作电气绝缘材料。缺点:易产生并积累静电。)6.减震、消音性能良好,可用作减震、消音材料。7.透光性良好。(PC、PMMA、PS和其它一些光学塑料)8.着色性良好,可制成色彩鲜艳的制品(包装、纤维)。9.有较好的化学稳定性,耐腐蚀性能优良,对酸、碱、盐溶液、蒸汽、有机溶剂等的稳定性能也较好(因品种而异。)10.某些塑料(如PTFE)具有优良的减磨、耐磨和自润滑性能。(但是,由于其导热性差、线膨胀系数大,在加工、使用过程中,应采取有效的散热措施,防止摩擦生热的积聚。)11.可赋予各种特殊的功能,如透气性、粘结性、离子交换性能、生物降解性能及光、热、电、磁等各种特殊性能。12.使用过程中易产生蠕变、疲劳、冷流、结晶等现象,长期使用时性能会变差。13.热膨胀系数大,一般为10-4/K(金属、陶瓷的热膨胀系数分别为10-5/K和10-6/K)。14.使用温度不高,耐热性一般比金属、陶瓷低。15.易燃烧,且燃烧时会产生大量浓烟和有毒的气体。Thus,comparedwithtraditionalengineeringmaterials,polymersexhibitasuperiorbalanceofthe“threeP’s’–Price,PerformanceandProcessability,andpolymersarethereforeidealmaterialsfortherapidproductionofcomplex,lightweightcomponents.原料石油化学品添加剂聚合物消费品(制品)原油天然气氮/氯乙烯氯乙烯丙烯苯乙烯丁二烯环己烷乙炔丙烯腈……PEPVCPPPSABSPASAN……塑料弹性体纤维粘结剂涂料高分子材料的来源及生产——《Oil&GasJournal》(OGJ)(2010.9)2010年全球十大乙烯生产公司备注:截止到2010年3月的统计结果。建国初期,乙烯产量趋于零,90%以上的石油化工产品依赖于进口。1962年,兰州石化公司5000吨/年乙烯装置建成投产,标志着我国乙烯工业的诞生。1965年8月,第一套以原油为原料的砂子炉制乙烯装置及LDPE、PP、丙烯腈、丙纶、腈纶等主要装置在兰州石化陆续动工,形成了当时全国最大的乙烯生产基地,标志着新中国石油化工时代的开始。1983年,中国石化总公司正式成立;1984年,我国乙烯生产已达72.8万吨;乙烯工业初具规模。1998年起,我国乙烯生产进入快速发展时期,在生产技术、装置规模和单套装置产能等方面都有很大的突破;尤其是进入“十一五”之后,乙烯产量呈跨越式发展。2008年,全国乙烯产能突破1000万吨,2011年全国乙烯产能突破1500万吨,达1569.5万吨。我国乙烯工业发展UniversityofScienceandTechnologyofChina分子式:电子式:结构式:C2H4HCCHHHCCHHHH∷∶∶¨¨结构简式:CH2CH2乙烯是世界上产量最大的化学产品之一,乙烯工业是石油化工产业的核心,乙烯产品占石化产品的70%以上,在国民经济中占有重要的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志之一。分子几何构型:六原子共平面乙烯乙烯的发现帝国化学公司(英国)1930,经济危机1933年,乙烯气体和苯甲醛(benzaldehyde)1700个大气压,温度是170度1939年,100吨聚乙烯厂聚乙烯的发现1967Mr.McGuire:Iwanttosayonewordtoyou.Justoneword.“Plastics”聚乙烯的发展monomerinitiationpropagation高温高压自由基聚合PEMWDensityTensilestrengthBranchingMill.g/ccMPaHDPE0.2-0.50.94143LowLLDPE0.10.91-0.92537ShortLDPE0.10.91-0.94024Med&Short聚乙烯性质G.Natta(1903~1979)K.Ziegler(1898-1973)1963,NobelPrize齐格勒-纳塔齐格勒-纳塔机理MeXX+AlOCH3**nCH3Al:Zr=1000Me=Ti,Zr,HfLinearHDPEActivity=107g/molZrAtacticpolypropylene,Activity=106g/molZrW.Kaminskyet.al.Angew.Chem.Eng.Ed.19,390,(1980);Angew.Chem.97,507(1985)Kaminsky系统2012产量:1.50亿吨平均全球每人每年20公斤低密度聚乙烯高密度聚乙烯超高分子量聚乙烯聚烯烃应用聚丙烯2009产量:1.10亿吨平均全球每人每年20公斤低密度聚乙烯高密度聚乙烯超高分子量聚乙烯研究背景聚丙烯研究背景齐格勒-纳塔茂金属新型催化剂聚烯烃研究的核心是催化剂的研究:1.聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,PolyethyleneTerephthalate)——具有良好的透明性、刚性和阻止O2、CO2渗透,因此占有塑料瓶市场的近30%,用来包装各种食物和饮料,如软饮料、果汁、食用油、酒类等;也用于制造纺织用纤维(涤纶);可循环利用。2.高密度聚乙烯(HDPE,HighDensityPolyethylene)——约占全球聚烯烃市场的27%,成本低、易成型;强度好,硬度高、有韧性。其吹塑制品被用来瓶装牛奶、水、果汁、日化用品(漂白剂、清洁剂、洗发水和机油)等,也用于大型容器,如汽车燃料箱、垃圾桶等;用于饮用水和污水管已有近三十年;包装薄膜发展也很迅速;约占包装市场的21%。Resinidentificationcode:3.聚氯乙烯(PVC,PolyvinylChloride)——具有良好的透明性,用来制造高压管、门窗、人造革、发泡材料、玩具等;热稳定性较差(需添加热稳定剂、增塑剂等)。4.低密度聚乙烯(LDPE,HighDensityPolyethylene)——用于要求透明和易加工的场合,如包装薄膜、农用薄膜(如地膜、塑料大棚)等,也用作通讯电缆包覆层材料。5.聚丙烯(PP,Polypropylene,“万能号”)——具有优异的耐化学腐蚀性、耐热性和疲劳性能,用途广泛,从制造纤维、薄膜(BOPP,Biaxially-OrientedPolypropylene)、板材、管材(化工管道和配件)等,到食品包装(如螺旋盖、酸奶和黄油盒、果汁瓶、吸管等);其改性产品在汽车工业中也具有较强的竞争力(汽车电池容器、仪表板、保险杠等)。6.聚苯乙烯(PS,Polystyrene)——出色的电绝缘性能、透明性、加工流动性,良好的耐水性、耐光性;其增韧品种,高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、ABS树脂,广泛用于电子电器、仪表、文教用品、食品包装、玩具等;聚苯乙烯泡沫的开发,更扩大了其应用范围。高分子材料中的添加剂:增塑剂、稳定剂(热稳定剂、抗氧剂、光稳定剂)、润滑剂、增强填料、着色剂、固化剂、发泡剂、阻燃剂、增韧剂、成核剂、荧光增白剂、抗静电剂…7.Others——PMMA(PolymethylMethacrylate)、PC(Polycarbonate)、ABS等。重要事实:1.世界4%的原油储量用于合成高分子材料;原油的能量在合成高密度聚乙烯(HDPE)的过程中损失40%。2.世界高分子材料的消费量在逐年增加。美国高分子材料的年消费总量为800亿美元,以重量计接近钢铁材料;在我国,高分子材料的年消费量超过3000万吨。3.高分子材料废弃物占固体废料的7~8%。世界上每年的塑料废弃物约是其产量的60~70%,橡胶废弃物约占其产量的40%,我国每年的塑料废弃物和橡胶废弃物总计达700万吨。这些高分子材料废弃物绝大部分不能自然降解、水解和风化,即使是淀粉/聚合物共混物的降解制品要降解到对生态环境无害化的程度,至少也需要50年。聚合物垃圾的分类:1.城市固体垃圾——包括家用产生的垃圾(从衣物到食品包装到大的家庭用品)和商业活动及零售所产生的垃圾;其中约有7~8%为高分子材料(LDPE/LLDPE、PP、HDPE、PS、PVC、PET等),且主要为包装垃圾(约占65%)。备注:值得注意的是,放弃塑料包装并不一定能降低对环境的影响。文献资料显示,使用非塑料的包装材料(如纸张)可能使包装材料的质量增加291%,在制造过程中消耗的能量会增加108%,废弃物的体积增加158%。据估计,使用塑料包装材料每年所节约的能量足以供一个100万户人家的城市使用3年半。二、聚合物垃圾的分类及处理方法2.汽车垃圾——与用于包装的塑料种类相比,用于汽车的塑料种类较少,但用量增加较快,近年来塑料在欧洲汽车中的用量已从2%增加到12%,占各种聚合物总量的8%,如:PP或ABS的保险杠、HDPE的油箱、橡胶轮胎、PU泡沫的座椅、PVC地垫保护层等。备注:在西欧,汽车领域每年消费170万吨塑料,相当于消费325万吨燃油。然而,由于塑料配件的重量大大轻于金属配件,从而提高了燃油的效率,使得西欧每年可节约燃油1200万吨,从而每年减少了3000万吨CO2的排放量。3.建筑垃圾——PVC在建筑工业中有着广泛的应用(如管材、地板、门窗和电缆等);一些热固性塑料(如酚醛树脂、氨基树脂等)在建筑行业也有应用;约占聚合物垃圾总量的18%。4.物流和大规模工业垃圾——高分子材料在物流和大规模工业中生产中主要用于包装货物。5.农业垃圾——农业生产中的聚合物垃圾主要是LDPE(主要用于塑料大棚和地膜),使用量约为聚合物总产量的2.5%。6.电子电器垃圾——电子电器领域所消耗的聚合物占聚合物总产量的8%,主要的聚合物品种是ABS(40%)、PC、PMMA和改性的PP等,主要用于电子电器外壳(电视、摄像机、微波炉、个人电脑、移动电话等)、塑料光纤、塑料芯片等;另外,每件电子产品中也有一定量的热固性树脂(聚酰亚胺、环氧树脂等,用作电路板基材等)。备注:伴随着电子工业科技的发展,每件电子电器产品中聚合物的使用量减少了,但是由于市场的迅速扩张,特别是移动电话的指数式发展,聚合物的消费总量并未减少。聚合物垃圾处理等级:1.降耗——替代品;减少用量;减少原材料消耗;2.再利用——收集、拆卸、翻新;3.回收4.焚烧5.填埋备注:回收废塑料并使之资源化是解决“白色污染”的根本途径。废塑料回收后,经分类、清洗后再通过加热熔融,即可重新成为制品(“机械或物理回收”)。另外,从组成看,PE、PP、PS等均由碳氢元素组成,因此将其隔绝空气加热至高温,使之裂解,再将裂解产物进行分馏,可制得汽油与柴油(“化学或原材料回收”)。其次,可以把塑料垃圾送入焚化炉燃烧,提供采暖或发电的热量(“能量回收”)。包装废弃物收集分类挤出和造粒成型原始聚合物气化、热分解、氢化精炼产品燃烧热能或
本文标题:高分子材料与环境
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