加拿大圭尔夫大学关于绿色可持续的高分子材料最新研究

加拿大圭尔夫大学关于绿色可持续的高分子材料最新研究

       圭尔夫大学（University of Guelph）是位于加拿大安大略省的一所综合性公立大学。建立于1964年，由三所主要学院合并而成，分别是麦当劳学院（Macdonald Institute），安省农业学院（OAC）和安省兽医学院。圭尔夫大学提供超过90个主修科(majors)，13个荣誉学位及63个海外远程课程。加拿大圭尔夫大学

　　背景介绍

　　绿色可持续的高分子材料是从可再生、可回收或其他低碳原料中提取的材料，在生命末期(EoL)通过循环和生物降解以对环境负责的方式进行管理。这些包括天然的、改性的和合成的高分子聚合物，它们在其从摇篮到摇篮的生命周期中是可持续的，符合循环经济模式。尽管人类使用绿色可持续高分子材料已有很长的历史，但陆地和海洋中塑料污染的持续和积累造成的严重环境问题引发了近年来对可持续高分子材料新的研究热点。

　　基于此，加拿大圭尔夫大学的Amar K.Mohanty教授等人在Nat Rev Methods Primers上发文，从全新的视角进一步阐述了绿色可持续高分子材料的概念。该综述论文涵盖了从广泛的可用原料到EoL的整个生命周期，包括实验、表征、应用和可持续评估原则。作者的目标是为该领域的所有涉众提供一个全面的观点。由天然产品和生物质如木质纤维素、脂质和氨基酸通过绿色化学制成的单体和聚合物是一个具有广阔前景的领域。此外，作者还讨论了可持续高分子材料的数据沉积和入口要求，这是大多数论文被忽视的，以指导未来可持续聚合物的合理设计。

　　绿色可持续高分子材料的合成

　　大多数可持续聚合物的开发始于从生物质原料中提取感兴趣的化合物，最终加工成感兴趣的产品。典型步骤包括生物精炼(从生物质中生产化学品)、聚合、加工(如聚合后改性、注射/吹塑/压缩成型、3D打印、自组装)和后处理(再利用、回收或生物降解)。这可以高度依赖于特定的原料和应用。在本部分内容中，作者详细讨论了可持续高分子材料发展的每个步骤中使用的方法。

　　绿色可持续高分子材料的表征与测试

　　合理的表征确保加工和性能的可重复性对于弥合可持续高分子材料的实验发展和实际应用之间的差距至关重要。本本部分描述了从原料到EoL的可持续高分子材料的典型表征方法和输出。这些技术通过提供诸如单体的收率和选择性，以及通过LCA对可持续性的评估等信息，让用户了解可持续聚合物设计的选择。

　　绿色可持续高分子材料的应用

　　在这部分中，作者提出了该领域面临的几个主要的挑战，主要是可持续高分子材料作为商品在高端领域的商业前景。同时还综述了可持续高分子材料的商品应用、高耐热性可持续聚合物、用于3D打印的可持续高分子材料以及可持续聚合物的市场发展。

　　绿色可持续高分子材料制备的可重复性和数据沉积

　　在可持续高分子材料的发展中，可重复性始于材料生命周期的开始，伴随着原料的可重复性。在运输和分拣过程中，原料的组成比例受生长季节、收集方式/地点和储存方式的影响;这些因素都会影响材料的含糖量等。重要的是要考虑这种可重复性，以确保从生物质中提取的单体的产量和选择性的一致性，以便大规模生产聚合物。其他可重复性问题来自能源效率和回收能力，聚合过程中的质量/热/量子转化和EoL处理条件。加拿大综合类大学

　　可持续聚合物领域的数据沉积和共享是至关重要的，特别是对生物降解或堆肥。由于不确定的数据一致性和未报告的失败试验，许多研究项目错误地得出结论，一些经认证的生物降解塑料在他们的实验结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过质量损失或虚拟观察而可生物降解。研究人员应提供与表征条件(如堆肥成分、pH值、温度和湿度)相关的数据沉积和直观的数据显示(如CO2释放量随时间的依赖性)，使实验数据具有可比性。此外，相关数据库的建立有助于更好地获取可持续聚合物合成和加工集体研究的大数据。

　　挑战与机遇

       可持续聚合物仍面临着大规模生产和广泛商业化的挑战。这些挑战主要源于两个缺失因素——缺乏效率和统一的转化方法，以及对目标产品缺乏清晰的认识。由于这些缺失的成分，没有足够的生产替代产品的商品石化聚合物所需的合成路线和性能。这两个问题在可持续聚合物替代研究开始时就已经得到了承认，但即使研究投资过剩，也没有得到有效解决。用一种技术合成的产品可能是多种多样的，导致不同的单体和聚合物结构，每一种都需要关于原子经济和转换前景的信息。这种差异带来了研究的不确定性，包括与产品性能和合成途径相关的问题。可持续聚合物面临两个主要的商业化障碍——在产品EoL时有效的后处理(回收、再利用、生物降解和可堆肥性)的限制，以及扩大生产工艺和成本的限制。

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　　展望

　　在过去的二、三十年里，研究者们通过将可再生单体整合到定义良好的高性能聚合物中，并为其生物降解和回收设计创新的解决方案，致力于可持续聚合物的研究和开发。聚合物的快速发展离不开对聚合物结构和性能日益深入的了解和调控，以及明智的催化剂选择和首选的EoL选择。在快速增长的通用聚合物合成路线中发展的新科学，聚合物的结构，触发解聚方法，计算机科学，生物技术和LCA共同促进了该领域的发展。在所有应用领域，用可持续的聚合物和复合材料完全取代传统的石油基聚合物和复合材料的目标仍然是遥远的未来。未来的一些研究领域将包括开发可回收或可堆肥的低成本和多功能聚合物、高性能聚合物、用于高温应用的纤维和复合材料，主要利用农业和食品加工废料和非食用原材料，以及便捷的绿色、无浪费和低能源工艺等。需要建立不同领域的研究科学家、工业伙伴、决策者和社会组织之间的密切合作，以及提高公众对可持续发展目标的意识。学在加拿大

　　除了糖、脂类和蛋白质(氨基酸)等可再生原料外，以木质素为基础的芳烃和二氧化碳为原料的来源也引起了研究者们的兴趣，因为前者可以扩大可持续聚合物在高温应用中的应用，而后者则直接与减少碳足迹有关。关于新兴的商业生物基可持续产品，欧洲最近的一项研究筛选了目前正在开发的最重要的产品价值链。这包括大体积生物质、小体积高价值生物质和城市生物垃圾产品。将城市垃圾作为单体或砌块的原料、增值化学品和生物基聚合物将是未来可持续聚合物发展的重点之一。确定的产品包括从城市垃圾中提取的生物复合材料、生物树脂预浸料、碳纤维和生物聚合物。然而，当评估一种原料时，重要的是原料对环境和人的影响，而不仅仅是其基于生成的分类。应将重点放在资源节约型技术的可获得性上，这些技术可以将原料转化为生物塑料、化学制品或其他材料，并以最少的能源、水和其他投入，同时提供与化石燃料相同的性能。这些技术还必须达到商业规模。

　　总结与展望

       具有讽刺意味的是，20世纪50年代的塑料时代(The Age of Plastics)始于保护自然资源的努力，但在安全、节能和保护方面给世界带来了不可否认的好处。然而，地球现在正面临大规模的塑料污染，加剧了对气候变化的担忧。我们迫切需要第二个塑料时代，在我们的星球上留下更少的足迹——被正确地称为可持续聚合物时代。更可持续的聚合物的研究、开发、规模化和实施仍处于起步阶段。石化行业相对成熟，其所有的高产量炼油产品都已得到应用，这使得更新、更环保的材料很难与之竞争。这一问题有可能通过立法解决，包括禁止一次性塑料垃圾并对其征税，以解决塑料垃圾泛滥的问题，特别是在亚洲和非洲等新兴经济体。愿意为可持续性支付更多费用的学术和行业合作伙伴正在试验市场对塑料的反应，以降低对环境的影响，消费者的偏好将在采用中发挥作用。与化石塑料相比，新兴的可持续材料可能也有意想不到的优势，比如改进的能量或噪音吸收，所以研究人员必须保持警惕，寻找这些增强的特性，因为这些特性将比化石塑料更受欢迎。可持续聚合物发展的各个方面都有改进的空间，包括使用废弃原料，如木质素、二氧化碳和不可食用的生物质，采用绿色化学原理指导的节能/节水制造，设计对环境负责的EoL材料，改善传统塑料的分离、再利用和回收技术。

       圭尔夫大学学校享有“全加本科教育质量第一”的名誉，更以“宽进严出”、高淘汰率的研究生高等教育而出名。学校倡导" Changing Lives, Improving Life" 即“改变生命、改善生活”。