1、2020/8/29,1,綠色化學,第四講 綠色材料 主講：任 皞,2020/8/29,2,Contents,2020/8/29,3,概述,1-3新材料人類文明發(fā)展的物質基礎 2-4新材料人類文明發(fā)展的物質基礎,2020/8/29,4,材料,金屬材料,非金屬材料,復合材料,無機非金屬材料,有機非金屬材料,傳統材料,新型材料,天然材料,合成材料,材料的分類：,5-1荷蘭新型材料打造綠色飛機 6-1荷蘭新型材料打造“綠色飛機”-荷蘭 新型材料,2020/8/29,5,人類使用玻璃的歷史非常久遠。在有5000多年歷史的遺跡里，人們已經發(fā)現了玻璃的器具。這種用石英砂、石灰石等混合提煉而成的透明物體，可以

2、制成門窗、燈泡、器皿、鏡子等日常物品。,玻璃,2020/8/29,6,玻璃具有較高的化學穩(wěn)定性，耐大氣、水酸、堿的侵蝕，且無毒性，同時可回收利用，一般對環(huán)境污染比較小。在20世紀，自非洲某國王子長期使用鉛釉的陶瓷杯產生鉛中毒后，進而又發(fā)現搪瓷色釉中溶出對人類有害的鉛、鎘物質的情況，而陶瓷釉和搪瓷色釉的基礎成分均為低熔玻璃，于是引起公眾對玻璃中有毒物質溶出的關注，發(fā)達國家紛紛制定了限制陶瓷釉中鉛溶出量的規(guī)定，,4.1 玻璃概述,2020/8/29,7,有些國家參照此規(guī)定來檢測玻璃餐具中鉛的溶出量。 1972年2月日本報紙上刊載了用鉛晶質玻璃瓶裝威士忌酒，保存5年后，從酒中檢測了0.051.210

3、-6 的鉛，于是玻璃中溶出有害物質便在日本作為問題提出。近年來，我國用含鉛的晶質玻璃裝名酒出口時，國外也在酒中測定出鉛。因此玻璃中有害物質的溶出量的研究已由安瓿瓶、保溫瓶的脫片，擴大到食具、酒具、水具等玻璃制品方面。,2020/8/29,8,4.1.2 玻璃的污染 玻璃的污染分為：玻璃本身的污染和玻璃生產過程對環(huán)境的污染。 4.1.2.1玻璃本身的有害物質 基礎玻璃成分無毒，但可溶出有害物質，當用這類玻璃容器盛裝食品時，溶出的鉛、砷等有害元素將隨食品進入人體。環(huán)境中的廢玻璃溶出的有害元素，則會污染水源和土壤，使食物鏈受污染。,2020/8/29,9,基礎玻璃成分,基礎玻璃成分無毒，但含有放射性

4、物質的添加劑，如發(fā)光的稀土元素同位素。 基礎玻璃成分有毒，如硫、硒、碲玻璃，砷酸鹽玻璃，鉈玻璃，鈹玻璃等。,2020/8/29,10,4.1.2.2玻璃工業(yè)的污染,色彩斑爛的玻璃制品給人以賞心悅目的感覺，為我們生活增添了不少的情趣 。可是，在這個五彩繽紛的玻璃世界中，卻包含著有害的甚至劇毒的元素，如鉛、鉻、鎘、鎳、銅、錳等重金屬，以及砷、氟 、氯、硫等非金屬。在工業(yè)生產過程中，這些元素會釋放、氣化，污染大氣、水源，以致對人類造成傷害 。,2020/8/29,11,4.1.2.3 大氣污染,構成普通玻璃各種鮮艷顏色的重金屬氧化物、硫化物或硫酸鹽、鉻酸鹽，特種玻璃使用的硫化砷、硒化砷、氧化鉈、氧化

5、鈹在高溫熔化時，產生的有毒氣體SO2、NO2、 CO、HF等，少量氣化進而污染大氣。,2020/8/29,12,燃料產生的廢氣CO2、CO、硫氧化物等的污染。 據統計我國1995年SO2排放量為1396萬噸，2000年約為3800萬噸。SO2不僅對人體有害，而且可產生酸雨。由于SO2的污染，我國每年經濟損失高達1100億元。,2020/8/29,13,原料粉塵及玻璃加工粉塵的污染，是造成工人硅沉著病（硅肺）的罪魁禍首。 我國硅沉著病發(fā)病率很高。據2000年1月份統計，我國硅沉著病病人累計達55萬人，占全世界的1/2，并以每年1.52.0萬的速度增長，其中已死亡的為13萬人。,2020/8/29

6、,14,4.1.2.4 水源污染,含磨料與拋光劑的廢水 含洗滌劑的廢水 含HF、H2SO4、HCl、酚的廢水 含重金屬的廢水,2020/8/29,15,4.1.2.5 噪聲污染,玻璃工業(yè)的噪聲除各種動力設備及機械噪聲外，還有摔碎玻璃產生的特有噪聲，它比車間內的其他噪聲高1520分貝。,2020/8/29,16,4.1.3 玻璃工業(yè)的清潔生產,4.1.3.1 采用毒性小、揮發(fā)性低的原料 * 鉛玻璃以硅酸鉛代替紅丹（Pb3O4）和黃丹（PbO），可把鉛的揮發(fā)量從20%降至5%。 * 磷酸鹽玻璃在P2O5量不高且含有CaO時，以磷礦石或磷酸鈣代替磷酸二氫銨和磷酸氫二銨，以減少磷的揮發(fā)。 * 以冰晶石

7、代替硅氟酸鈉，F揮發(fā)量從30%40%降至10%20%。,2020/8/29,17,4.1.4 玻璃制品的綠色化,4.1.4.1 優(yōu)化玻璃的化學成分 為了避免或減少玻璃容器中有害物質的溶出，首先必須優(yōu)化玻璃的化學成分。 在鉛玻璃中加入一定數量的Al2O3并用 Na2O代替K2O可減少鉛的溶出量，或者用BaO、 ZnO、TiO2代替PbO制晶質玻璃。,2020/8/29,18,氧化砷在玻璃的制造中用作澄清劑，但其毒性較大。用砷酸鈉代替氧化砷。 目前國內的復合澄清劑為銻、砷、鈰的氧化物配合而成，毒性較小。,2020/8/29,19,4.1.4.3 生態(tài)環(huán)境玻璃,(1) 定義 : 生態(tài)環(huán)境玻璃材料是指

8、具有良好的使用性能或功能，對資源能源消耗少、對生態(tài)環(huán)境污小，再生利用率高或可降解與循環(huán)利用，在制備、使用、廢棄直到再生利用的整個過程與環(huán)境協調共存的玻璃材料。也稱其為光催化降解生態(tài)環(huán)境玻璃材料，或簡稱為光化解環(huán)境玻璃。,2020/8/29,20,(2)功能 降解大氣中由于工業(yè)廢氣和汽車尾氣的污染和有機污染物，室內裝飾材料放出的甲醛和生活環(huán)境中產生的甲硫醇、硫化氫、氨氣等污染物。 降解積聚在玻璃表面的液態(tài)有機物，如各種食用油、抽油煙機產生的焦油等。 抑制和殺滅環(huán)境中的微生物，起抗菌、殺菌和防霉的作用。,2020/8/29,21,玻璃表面呈超親水性，對水完全潤濕，可以隔離玻璃表面與吸附的灰塵、有機

9、物，使這些吸附物不易與玻璃表面結合，在外界風力、雨水淋和水沖洗等外力和吸附物自重的推動下，灰塵和油膩自動地從玻璃表面剝離，達到去污和自潔的要求。,2020/8/29,22,4.1.5 展望,隨著對綠色玻璃研究的深入，一定會出現更多更好的玻璃。同時，開發(fā)各種環(huán)境相容性新材料及綠色產品，研究降低材料環(huán)境負擔的新工藝、新技術和新方法等方面將成為21世紀材料科學與技術發(fā)展的一個主導方向。,2020/8/29,23,橡膠具有伸縮的特性，當我們輕輕一拉再放松，會迅速恢復原來的形狀。橡膠分為天然橡膠和合成橡膠，天然橡膠由橡膠樹汁液制成，合成橡膠則由石油提煉而成。日常生活中的許多物品，如汽車輪胎等，都是由橡膠

10、制成的。,4.3 橡膠,2020/8/29,24,4.3.1概述 “八五”期間，我國橡膠工業(yè)實現了穩(wěn)定、協調的增長，全行業(yè)累計工業(yè)生產值為1892億元,年平均增長速度為8.67%；1995年工業(yè)總產值占化工行業(yè)的10%，利稅占12.7%，年耗膠量和輪胎產量在全世界名列第三。 “九五”期間，我國橡膠工業(yè)仍保持穩(wěn)定、適度的增長，平均年增長率為8%。在新技術、新產品的自主開發(fā)能力方面正在形成新的增長點，特別是子午線輪胎、難燃及高強力輸送帶以及為汽車、家電、電子配套的橡膠制品。,2020/8/29,25,廢橡膠是僅次于廢塑料的一種固體高分子材料廢棄物，其來源主要是廢橡膠制品，即報廢的輪胎、人力車胎、膠

11、管、膠帶、膠鞋、工業(yè)雜品等。如按同期產生的廢舊橡膠約為其產量的30%40%推算，我國每年的廢舊橡膠量也近百萬噸，故應設法處理、回收利用、再資源化。隨著橡膠產量的增長，環(huán)境保護工作越來越受到人們的重視，包括生產過程的改進、三廢處理以及廢膠的利用等。,視頻 4-12輪胎再生的故事051204,2020/8/29,26,4.3.2 合成橡膠工業(yè)的綠色化,4.3.2.1 工藝改革 一些高效催化劑的誕生，使橡膠合成技術由原來的溶液聚合流程簡化為氣相聚合。新工藝提高催化劑的效率，并且殘留于聚合物中的催化劑不影響橡膠的質量；不用溶劑，省去脫除催化劑、脫除溶劑及溶劑回收工序，使流程大大簡化。因此，減少了對環(huán)境

12、的污染。,2020/8/29,27,4.3.2.3 廢舊橡膠的回收利用,廢舊橡膠的回收利用有以下 幾個方面： * 原形及改制利用如輪胎翻修、制作人工魚礁、道路墊和水土保持材料及救生圈等，此法耗費的能源和人工費較少，而又使廢橡膠得到了物盡其用，是一種非常有價值的利用方法。在我國，廢橡膠的直接利用量占總量的30% 以上。 * 熱分解利用將廢橡膠熱分解，利用其產生的煤氣、油料及碳黑等，但此法存在設備、 操作費用高等問題。,2020/8/29,28,* 再生橡膠將廢橡膠脫硫后制成再生膠并摻入橡膠制品中，可降低成本。傳統的再生方法有油法、水油法，其缺點是生產效率低，性能差，能耗大，污染環(huán)境。目前國外大都

13、以生產廢膠粉為再生利用的主要手段，而以生產再生膠為輔。 * 膠粉廢橡膠粉碎成膠粉，不僅可以摻入膠料代替部分生膠,而且能與瀝青很好地混合,廣泛用于公路建設和房屋建筑。另外，膠粉可用于改性塑料，精細膠粉還能用于涂料、油漆和粘合劑的制造。,2020/8/29,29,4.4 塑料、纖維和橡膠,2020/8/29,30,1、塑料,熱塑性塑料(聚乙烯, 聚氯乙烯, 聚丙烯等),塑料,熱固性塑料（酚醛塑料）,特性：受熱時軟化并可熔化成流動的液體，冷卻后變成固體，加熱后又熔化，可反復加工，多次使用,特性：在制造過程中受熱時能變軟塑成一定的形狀，但加工成型后就不會受熱熔化,2020/8/29,31,熱塑性塑料固

14、態(tài)時的線型結構,熱固性塑料硬化后的體型網狀結構,熱固性塑料再次受熱時，鏈與鏈間會形成共價鍵，產生一些交聯，形成體型網狀結構，硬化定型,為什么兩種塑料的特性不同呢?,熱塑性塑料具有長鏈狀的線型結構。受熱時，分子間作用力減弱，易滑動；冷卻時，相互引力增強，會重新硬化,2020/8/29,32,塑料中的原子是以共價鍵形成的，沒有自由移動的離子。因此，在一般情況下塑料不易導電，是良好的電絕緣材料。,閱讀：“科學視野導電聚合物”,從科學視野我們可以知道，塑料的電絕緣性是相對的，導電聚合物的應用前景十分廣闊，科學的發(fā)展是無止境的。,學與問,從塑料的結構分析, 塑料在一般情況下會導電嗎?,了解:常見塑料的化

15、學成分、性質和用途,2020/8/29,33,2、纖維和橡膠,科學探究：幾種纖維的性質實驗,2020/8/29,34,天然纖維： 如棉花、羊毛、蠶絲和麻等,纖維,合成纖維： 如腈綸(人造羊毛) 、錦綸(尼龍)、維綸、氯綸、滌綸(的確良)和丙綸等“六大綸”,合成纖維具有優(yōu)良的性能：如強度高、彈性好、耐磨、耐化學腐蝕和不怕蟲蛀等。,纖 維,2020/8/29,35,橡 膠,橡膠是制造飛機、汽車和醫(yī)療器械等所必需的材料，是重要的戰(zhàn)略物資。,1、天然橡膠的化學組成是聚異戊二烯：,2、合成橡膠分為通用橡膠和特種橡膠,通用橡膠：如丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠等。,特種橡膠：如耐熱和耐酸堿的氟橡膠、耐高溫和耐嚴寒的硅橡膠等,硅橡膠,2020/8/29,36,3、硫化橡膠,優(yōu)點: 具有較高的強度、韌性、良好的彈性和化學穩(wěn)定性等,2020/8/29,37,二、復合材料,學 與 問,每種材料都有它的優(yōu)缺點： 金屬材料強度大，但易受腐蝕； 陶瓷材料耐高溫，但脆性大； 合成材料密度小，但不耐高溫等。 航天材料需要強度大、耐高溫、密度小的材料 海洋工程需要耐高壓、耐腐蝕的材料。 怎樣才能獲得這些特殊材料呢？,復合材料：兩種或兩種以上高分子材料組合成的一種新型材料.,你能舉出一些復合材料的例子嗎？,2020/8/29,38