加拿大圭爾夫大學(xué)關(guān)于綠色可持續(xù)的高分子材料最新研究

       圭爾夫大學(xué)（University of Guelph）是位于加拿大安大略省的一所綜合性公立大學(xué)。建立于1964年，由三所主要學(xué)院合并而成，分別是麥當(dāng)勞學(xué)院（Macdonald Institute），安省農(nóng)業(yè)學(xué)院（OAC）和安省獸醫(yī)學(xué)院。圭爾夫大學(xué)提供超過90個主修科(majors)，13個榮譽(yù)學(xué)位及63個海外遠(yuǎn)程課程。加拿大圭爾夫大學(xué)

　　背景介紹

　　綠色可持續(xù)的高分子材料是從可再生、可回收或其他低碳原料中提取的材料，在生命末期(EoL)通過循環(huán)和生物降解以對環(huán)境負(fù)責(zé)的方式進(jìn)行管理。這些包括天然的、改性的和合成的高分子聚合物，它們在其從搖籃到搖籃的生命周期中是可持續(xù)的，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式。盡管人類使用綠色可持續(xù)高分子材料已有很長的歷史，但陸地和海洋中塑料污染的持續(xù)和積累造成的嚴(yán)重環(huán)境問題引發(fā)了近年來對可持續(xù)高分子材料新的研究熱點。

　　基于此，加拿大圭爾夫大學(xué)的Amar K.Mohanty教授等人在Nat Rev Methods Primers上發(fā)文，從全新的視角進(jìn)一步闡述了綠色可持續(xù)高分子材料的概念。該綜述論文涵蓋了從廣泛的可用原料到EoL的整個生命周期，包括實驗、表征、應(yīng)用和可持續(xù)評估原則。作者的目標(biāo)是為該領(lǐng)域的所有涉眾提供一個全面的觀點。由天然產(chǎn)品和生物質(zhì)如木質(zhì)纖維素、脂質(zhì)和氨基酸通過綠色化學(xué)制成的單體和聚合物是一個具有廣闊前景的領(lǐng)域。此外，作者還討論了可持續(xù)高分子材料的數(shù)據(jù)沉積和入口要求，這是大多數(shù)論文被忽視的，以指導(dǎo)未來可持續(xù)聚合物的合理設(shè)計。

　　綠色可持續(xù)高分子材料的合成

　　大多數(shù)可持續(xù)聚合物的開發(fā)始于從生物質(zhì)原料中提取感興趣的化合物，最終加工成感興趣的產(chǎn)品。典型步驟包括生物精煉(從生物質(zhì)中生產(chǎn)化學(xué)品)、聚合、加工(如聚合后改性、注射/吹塑/壓縮成型、3D打印、自組裝)和后處理(再利用、回收或生物降解)。這可以高度依賴于特定的原料和應(yīng)用。在本部分內(nèi)容中，作者詳細(xì)討論了可持續(xù)高分子材料發(fā)展的每個步驟中使用的方法。

　　綠色可持續(xù)高分子材料的表征與測試

　　合理的表征確保加工和性能的可重復(fù)性對于彌合可持續(xù)高分子材料的實驗發(fā)展和實際應(yīng)用之間的差距至關(guān)重要。本本部分描述了從原料到EoL的可持續(xù)高分子材料的典型表征方法和輸出。這些技術(shù)通過提供諸如單體的收率和選擇性，以及通過LCA對可持續(xù)性的評估等信息，讓用戶了解可持續(xù)聚合物設(shè)計的選擇。

　　綠色可持續(xù)高分子材料的應(yīng)用

　　在這部分中，作者提出了該領(lǐng)域面臨的幾個主要的挑戰(zhàn)，主要是可持續(xù)高分子材料作為商品在高端領(lǐng)域的商業(yè)前景。同時還綜述了可持續(xù)高分子材料的商品應(yīng)用、高耐熱性可持續(xù)聚合物、用于3D打印的可持續(xù)高分子材料以及可持續(xù)聚合物的市場發(fā)展。

　　綠色可持續(xù)高分子材料制備的可重復(fù)性和數(shù)據(jù)沉積

　　在可持續(xù)高分子材料的發(fā)展中，可重復(fù)性始于材料生命周期的開始，伴隨著原料的可重復(fù)性。在運(yùn)輸和分揀過程中，原料的組成比例受生長季節(jié)、收集方式/地點和儲存方式的影響;這些因素都會影響材料的含糖量等。重要的是要考慮這種可重復(fù)性，以確保從生物質(zhì)中提取的單體的產(chǎn)量和選擇性的一致性，以便大規(guī)模生產(chǎn)聚合物。其他可重復(fù)性問題來自能源效率和回收能力，聚合過程中的質(zhì)量/熱/量子轉(zhuǎn)化和EoL處理條件。加拿大綜合類大學(xué)

　　可持續(xù)聚合物領(lǐng)域的數(shù)據(jù)沉積和共享是至關(guān)重要的，特別是對生物降解或堆肥。由于不確定的數(shù)據(jù)一致性和未報告的失敗試驗，許多研究項目錯誤地得出結(jié)論，一些經(jīng)認(rèn)證的生物降解塑料在他們的實驗結(jié)果中是不可生物降解或不可堆肥的，或一些可疑的塑料是通過質(zhì)量損失或虛擬觀察而可生物降解。研究人員應(yīng)提供與表征條件(如堆肥成分、pH值、溫度和濕度)相關(guān)的數(shù)據(jù)沉積和直觀的數(shù)據(jù)顯示(如CO2釋放量隨時間的依賴性)，使實驗數(shù)據(jù)具有可比性。此外，相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建立有助于更好地獲取可持續(xù)聚合物合成和加工集體研究的大數(shù)據(jù)。

　　挑戰(zhàn)與機(jī)遇

       可持續(xù)聚合物仍面臨著大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛商業(yè)化的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要源于兩個缺失因素——缺乏效率和統(tǒng)一的轉(zhuǎn)化方法，以及對目標(biāo)產(chǎn)品缺乏清晰的認(rèn)識。由于這些缺失的成分，沒有足夠的生產(chǎn)替代產(chǎn)品的商品石化聚合物所需的合成路線和性能。這兩個問題在可持續(xù)聚合物替代研究開始時就已經(jīng)得到了承認(rèn)，但即使研究投資過剩，也沒有得到有效解決。用一種技術(shù)合成的產(chǎn)品可能是多種多樣的，導(dǎo)致不同的單體和聚合物結(jié)構(gòu)，每一種都需要關(guān)于原子經(jīng)濟(jì)和轉(zhuǎn)換前景的信息。這種差異帶來了研究的不確定性，包括與產(chǎn)品性能和合成途徑相關(guān)的問題?？沙掷m(xù)聚合物面臨兩個主要的商業(yè)化障礙——在產(chǎn)品EoL時有效的后處理(回收、再利用、生物降解和可堆肥性)的限制，以及擴(kuò)大生產(chǎn)工藝和成本的限制。

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加拿大圭爾夫大學(xué)關(guān)于綠色可持續(xù)的高分子材料最新研究

　　展望

　　在過去的二、三十年里，研究者們通過將可再生單體整合到定義良好的高性能聚合物中，并為其生物降解和回收設(shè)計創(chuàng)新的解決方案，致力于可持續(xù)聚合物的研究和開發(fā)。聚合物的快速發(fā)展離不開對聚合物結(jié)構(gòu)和性能日益深入的了解和調(diào)控，以及明智的催化劑選擇和首選的EoL選擇。在快速增長的通用聚合物合成路線中發(fā)展的新科學(xué)，聚合物的結(jié)構(gòu)，觸發(fā)解聚方法，計算機(jī)科學(xué)，生物技術(shù)和LCA共同促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展。在所有應(yīng)用領(lǐng)域，用可持續(xù)的聚合物和復(fù)合材料完全取代傳統(tǒng)的石油基聚合物和復(fù)合材料的目標(biāo)仍然是遙遠(yuǎn)的未來。未來的一些研究領(lǐng)域?qū)ㄩ_發(fā)可回收或可堆肥的低成本和多功能聚合物、高性能聚合物、用于高溫應(yīng)用的纖維和復(fù)合材料，主要利用農(nóng)業(yè)和食品加工廢料和非食用原材料，以及便捷的綠色、無浪費和低能源工藝等。需要建立不同領(lǐng)域的研究科學(xué)家、工業(yè)伙伴、決策者和社會組織之間的密切合作，以及提高公眾對可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的意識。學(xué)在加拿大

　　除了糖、脂類和蛋白質(zhì)(氨基酸)等可再生原料外，以木質(zhì)素為基礎(chǔ)的芳烴和二氧化碳為原料的來源也引起了研究者們的興趣，因為前者可以擴(kuò)大可持續(xù)聚合物在高溫應(yīng)用中的應(yīng)用，而后者則直接與減少碳足跡有關(guān)。關(guān)于新興的商業(yè)生物基可持續(xù)產(chǎn)品，歐洲最近的一項研究篩選了目前正在開發(fā)的最重要的產(chǎn)品價值鏈。這包括大體積生物質(zhì)、小體積高價值生物質(zhì)和城市生物垃圾產(chǎn)品。將城市垃圾作為單體或砌塊的原料、增值化學(xué)品和生物基聚合物將是未來可持續(xù)聚合物發(fā)展的重點之一。確定的產(chǎn)品包括從城市垃圾中提取的生物復(fù)合材料、生物樹脂預(yù)浸料、碳纖維和生物聚合物。然而，當(dāng)評估一種原料時，重要的是原料對環(huán)境和人的影響，而不僅僅是其基于生成的分類。應(yīng)將重點放在資源節(jié)約型技術(shù)的可獲得性上，這些技術(shù)可以將原料轉(zhuǎn)化為生物塑料、化學(xué)制品或其他材料，并以最少的能源、水和其他投入，同時提供與化石燃料相同的性能。這些技術(shù)還必須達(dá)到商業(yè)規(guī)模。

　　總結(jié)與展望

       具有諷刺意味的是，20世紀(jì)50年代的塑料時代(The Age of Plastics)始于保護(hù)自然資源的努力，但在安全、節(jié)能和保護(hù)方面給世界帶來了不可否認(rèn)的好處。然而，地球現(xiàn)在正面臨大規(guī)模的塑料污染，加劇了對氣候變化的擔(dān)憂。我們迫切需要第二個塑料時代，在我們的星球上留下更少的足跡——被正確地稱為可持續(xù)聚合物時代。更可持續(xù)的聚合物的研究、開發(fā)、規(guī)模化和實施仍處于起步階段。石化行業(yè)相對成熟，其所有的高產(chǎn)量煉油產(chǎn)品都已得到應(yīng)用，這使得更新、更環(huán)保的材料很難與之競爭。這一問題有可能通過立法解決，包括禁止一次性塑料垃圾并對其征稅，以解決塑料垃圾泛濫的問題，特別是在亞洲和非洲等新興經(jīng)濟(jì)體。愿意為可持續(xù)性支付更多費用的學(xué)術(shù)和行業(yè)合作伙伴正在試驗市場對塑料的反應(yīng)，以降低對環(huán)境的影響，消費者的偏好將在采用中發(fā)揮作用。與化石塑料相比，新興的可持續(xù)材料可能也有意想不到的優(yōu)勢，比如改進(jìn)的能量或噪音吸收，所以研究人員必須保持警惕，尋找這些增強(qiáng)的特性，因為這些特性將比化石塑料更受歡迎?？沙掷m(xù)聚合物發(fā)展的各個方面都有改進(jìn)的空間，包括使用廢棄原料，如木質(zhì)素、二氧化碳和不可食用的生物質(zhì)，采用綠色化學(xué)原理指導(dǎo)的節(jié)能/節(jié)水制造，設(shè)計對環(huán)境負(fù)責(zé)的EoL材料，改善傳統(tǒng)塑料的分離、再利用和回收技術(shù)。

       圭爾夫大學(xué)學(xué)校享有“全加本科教育質(zhì)量第一”的名譽(yù)，更以“寬進(jìn)嚴(yán)出”、高淘汰率的研究生高等教育而出名。學(xué)校倡導(dǎo)" Changing Lives, Improving Life" 即“改變生命、改善生活”。