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1、2019/11/12,1,绿 色 化 学,第四讲 绿色材料 主讲：任 皞,2019/11/12,2,Contents,2019/11/12,3,概述,1-3新材料人类文明发展的物质基础 2-4新材料人类文明发展的物质基础,2019/11/12,4,材料,金属材料,非金属材料,复合材料,无机非金属材料,有机非金属材料,传统材料,新型材料,天然材料,合成材料,材料的分类：,5-1荷兰新型材料打造绿色飞机 6-1荷兰新型材料打造“绿色飞机”-荷兰 新型材料,2019/11/12,5,人类使用玻璃的历史非常久远。在有5000多年历史的遗迹里，人们已经发现了玻璃的器具。这种用石英砂、石灰石等混合提炼而成
2、的透明物体，可以制成门窗、灯泡、器皿、镜子等日常物品。,玻璃,2019/11/12,6,玻璃具有较高的化学稳定性，耐大气、水酸、碱的侵蚀，且无毒性，同时可回收利用，一般对环境污染比较小。在20世纪，自非洲某国王子长期使用铅釉的陶瓷杯产生铅中毒后，进而又发现搪瓷色釉中溶出对人类有害的铅、镉物质的情况，而陶瓷釉和搪瓷色釉的基础成分均为低熔玻璃，于是引起公众对玻璃中有毒物质溶出的关注，发达国家纷纷制定了限制陶瓷釉中铅溶出量的规定，,4.1 玻璃概述,2019/11/12,7,有些国家参照此规定来检测玻璃餐具中铅的溶出量。 1972年2月日本报纸上刊载了用铅晶质玻璃瓶装威士忌酒，保存5年后，从酒中检测
3、了0.051.210-6 的铅，于是玻璃中溶出有害物质便在日本作为问题提出。近年来，我国用含铅的晶质玻璃装名酒出口时，国外也在酒中测定出铅。因此玻璃中有害物质的溶出量的研究已由安瓿瓶、保温瓶的脱片，扩大到食具、酒具、水具等玻璃制品方面。,2019/11/12,8,4.1.2 玻璃的污染 玻璃的污染分为：玻璃本身的污染和玻璃生产过程对环境的污染。 4.1.2.1 玻璃本身的有害物质 基础玻璃成分无毒，但可溶出有害物质，当用这类玻璃容器盛装食品时，溶出的铅、砷等有害元素将随食品进入人体。环境中的废玻璃溶出的有害元素，则会污染水源和土壤，使食物链受污染。,2019/11/12,9,基础玻璃成分,基础
4、玻璃成分无毒，但含有放射性物质的添加剂，如发光的稀土元素同位素。 基础玻璃成分有毒，如硫、硒、碲玻璃，砷酸盐玻璃，铊玻璃，铍玻璃等。,2019/11/12,10,4.1.2.2 玻璃工业的污染,色彩斑烂的玻璃制品给人以赏心悦目的感觉，为我们生活增添了不少的情趣 。可是，在这个五彩缤纷的玻璃世界中，却包含着有害的甚至剧毒的元素，如铅、铬、镉、镍、铜、锰等重金属，以及砷、氟 、氯、硫等非金属。在工业生产过程中，这些元素会释放、气化，污染大气、水源，以致对人类造成伤害 。,2019/11/12,11,4.1.2.3 大气污染,构成普通玻璃各种鲜艳颜色的重金属氧化物、硫化物或硫酸盐、铬酸盐，特种玻璃使
5、用的硫化砷、硒化砷、氧化铊、氧化铍在高温熔化时，产生的有毒气体SO2、NO2、 CO、HF等，少量气化进而污染大气。,2019/11/12,12,燃料产生的废气CO2、CO、硫氧化物等的污染。 据统计我国1995年SO2排放量为1396万吨，2000年约为3800万吨。SO2不仅对人体有害，而且可产生酸雨。由于SO2的污染，我国每年经济损失高达1100亿元。,2019/11/12,13,原料粉尘及玻璃加工粉尘的污染，是造成工人硅沉着病（硅肺）的罪魁祸首。 我国硅沉着病发病率很高。据2000年1月份统计，我国硅沉着病病人累计达55万人，占全世界的1/2，并以每年1.52.0万的速度增长，其中已死
6、亡的为13万人。,2019/11/12,14,4.1.2.4 水源污染,含磨料与抛光剂的废水 含洗涤剂的废水 含HF、H2SO4、HCl、酚的废水 含重金属的废水,2019/11/12,15,4.1.2.5 噪声污染,玻璃工业的噪声除各种动力设备及机械噪声外，还有摔碎玻璃产生的特有噪声，它比车间内的其他噪声高1520分贝。,2019/11/12,16,4.1.3 玻璃工业的清洁生产,4.1.3.1 采用毒性小、挥发性低的原料 * 铅玻璃以硅酸铅代替红丹（Pb3O4）和黄丹（PbO），可把铅的挥发量从20%降至5%。 * 磷酸盐玻璃在P2O5量不高且含有CaO时，以磷矿石或磷酸钙代替磷酸二氢铵和
7、磷酸氢二铵，以减少磷的挥发。 * 以冰晶石代替硅氟酸钠，F挥发量从30%40%降至10%20%。,2019/11/12,17,4.1.4 玻璃制品的绿色化,4.1.4.1 优化玻璃的化学成分 为了避免或减少玻璃容器中有害物质的溶出，首先必须优化玻璃的化学成分。 在铅玻璃中加入一定数量的Al2O3并用 Na2O代替K2O可减少铅的溶出量，或者用BaO、 ZnO、TiO2代替PbO制晶质玻璃。,2019/11/12,18,氧化砷在玻璃的制造中用作澄清剂，但其毒性较大。用砷酸钠代替氧化砷。 目前国内的复合澄清剂为锑、砷、铈的氧化物配合而成，毒性较小。,2019/11/12,19,4.1.4.3 生态
8、环境玻璃,(1) 定义 : 生态环境玻璃材料是指具有良好的使用性能或功能，对资源能源消耗少、对生态环境污小，再生利用率高或可降解与循环利用，在制备、使用、废弃直到再生利用的整个过程与环境协调共存的玻璃材料。也称其为光催化降解生态环境玻璃材料，或简称为光化解环境玻璃。,2019/11/12,20,(2)功能 降解大气中由于工业废气和汽车尾气的污染和有机污染物，室内装饰材料放出的甲醛和生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢、氨气等污染物。 降解积聚在玻璃表面的液态有机物，如各种食用油、抽油烟机产生的焦油等。 抑制和杀灭环境中的微生物，起抗菌、杀菌和防霉的作用。,2019/11/12,21,玻璃表面呈超亲水
9、性，对水完全润湿，可以隔离玻璃表面与吸附的灰尘、有机物，使这些吸附物不易与玻璃表面结合，在外界风力、雨水淋和水冲洗等外力和吸附物自重的推动下，灰尘和油腻自动地从玻璃表面剥离，达到去污和自洁的要求。,2019/11/12,22,4.1.5 展望,随着对绿色玻璃研究的深入，一定会出现更多更好的玻璃。同时，开发各种环境相容性新材料及绿色产品，研究降低材料环境负担的新工艺、新技术和新方法等方面将成为21世纪材料科学与技术发展的一个主导方向。,2019/11/12,23,橡胶具有伸缩的特性，当我们轻轻一拉再放松，会迅速恢复原来的形状。橡胶分为天然橡胶和合成橡胶，天然橡胶由橡胶树汁液制成，合成橡胶则由石油
10、提炼而成。日常生活中的许多物品，如汽车轮胎等，都是由橡胶制成的。,4.3 橡胶,2019/11/12,24,4.3.1概述 “八五”期间，我国橡胶工业实现了稳定、协调的增长，全行业累计工业生产值为1892亿元,年平均增长速度为8.67%；1995年工业总产值占化工行业的10%，利税占12.7%，年耗胶量和轮胎产量在全世界名列第三。 “九五”期间，我国橡胶工业仍保持稳定、适度的增长，平均年增长率为8%。在新技术、新产品的自主开发能力方面正在形成新的增长点，特别是子午线轮胎、难燃及高强力输送带以及为汽车、家电、电子配套的橡胶制品。,2019/11/12,25,废橡胶是仅次于废塑料的一种固体高分子材
11、料废弃物，其来源主要是废橡胶制品，即报废的轮胎、人力车胎、胶管、胶带、胶鞋、工业杂品等。如按同期产生的废旧橡胶约为其产量的30%40%推算，我国每年的废旧橡胶量也近百万吨，故应设法处理、回收利用、再资源化。随着橡胶产量的增长，环境保护工作越来越受到人们的重视，包括生产过程的改进、三废处理以及废胶的利用等。,视频 4-12轮胎再生的故事051204,2019/11/12,26,4.3.2 合成橡胶工业的绿色化,4.3.2.1 工艺改革 一些高效催化剂的诞生，使橡胶合成技术由原来的溶液聚合流程简化为气相聚合。新工艺提高催化剂的效率，并且残留于聚合物中的催化剂不影响橡胶的质量；不用溶剂，省去脱除催化
12、剂、脱除溶剂及溶剂回收工序，使流程大大简化。因此，减少了对环境的污染。,2019/11/12,27,4.3.2.3 废旧橡胶的回收利用,废旧橡胶的回收利用有以下 几个方面： * 原形及改制利用 如轮胎翻修、制作人工鱼礁、道路垫和水土保持材料及救生圈等，此法耗费的能源和人工费较少，而又使废橡胶得到了物尽其用，是一种非常有价值的利用方法。在我国，废橡胶的直接利用量占总量的30% 以上。 * 热分解利用 将废橡胶热分解，利用其产生的煤气、油料及碳黑等，但此法存在设备、 操作费用高等问题。,2019/11/12,28,* 再生橡胶 将废橡胶脱硫后制成再生胶并掺入橡胶制品中，可降低成本。传统的再生方法有
13、油法、水油法，其缺点是生产效率低，性能差，能耗大，污染环境。目前国外大都以生产废胶粉为再生利用的主要手段，而以生产再生胶为辅。 * 胶粉 废橡胶粉碎成胶粉，不仅可以掺入胶料代替部分生胶,而且能与沥青很好地混合,广泛用于公路建设和房屋建筑。另外，胶粉可用于改性塑料，精细胶粉还能用于涂料、油漆和粘合剂的制造。,2019/11/12,29,4.4 塑料、纤维和橡胶,2019/11/12,30,1、塑料,热塑性塑料(聚乙烯, 聚氯乙烯, 聚丙烯等),塑料,热固性塑料（酚醛塑料）,特性：受热时软化并可熔化成流动的液体，冷却后变成固体，加热后又熔化，可反复加工，多次使用,特性：在制造过程中受热时能变软塑成
14、一定的形状，但加工成型后就不会受热熔化,2019/11/12,31,热塑性塑料固态时的线型结构,热固性塑料硬化后的体型网状结构,热固性塑料再次受热时，链与链间会形成共价键，产生一些交联，形成体型网状结构，硬化定型,为什么两种塑料的特性不同呢?,热塑性塑料具有长链状的线型结构。受热时，分子间作用力减弱，易滑动；冷却时，相互引力增强，会重新硬化,2019/11/12,32,塑料中的原子是以共价键形成的，没有自由移动的离子。因此，在一般情况下塑料不易导电，是良好的电绝缘材料。,阅读：“科学视野导电聚合物”,从科学视野我们可以知道，塑料的电绝缘性是相对的，导电聚合物的应用前景十分广阔，科学的发展是无止
15、境的。,学与问,从塑料的结构分析, 塑料在一般情况下会导电吗?,了解:常见塑料的化学成分、性质和用途,2019/11/12,33,2、纤维和橡胶,科学探究：几种纤维的性质实验,2019/11/12,34,天然纤维： 如棉花、羊毛、蚕丝和麻等,纤维,合成纤维： 如腈纶(人造羊毛) 、锦纶(尼龙)、维纶、氯纶、涤纶(的确良)和丙纶等“六大纶”,合成纤维具有优良的性能：如强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀和不怕虫蛀等。,纤 维,2019/11/12,35,橡 胶,橡胶是制造飞机、汽车和医疗器械等所必需的材料，是重要的战略物资。,1、天然橡胶的化学组成是聚异戊二烯：,2、合成橡胶分为通用橡胶和特种橡胶,
16、通用橡胶：如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等。,特种橡胶：如耐热和耐酸碱的氟橡胶、耐高温和耐严寒的硅橡胶等,硅橡胶,2019/11/12,36,3、硫化橡胶,优点: 具有较高的强度、韧性、良好的弹性和化学稳定性等,2019/11/12,37,二、复合材料,学 与 问,每种材料都有它的优缺点： 金属材料强度大，但易受腐蚀； 陶瓷材料耐高温，但脆性大； 合成材料密度小，但不耐高温等。 航天材料需要强度大、耐高温、密度小的材料 海洋工程需要耐高压、耐腐蚀的材料。 怎样才能获得这些特殊材料呢？,复合材料：两种或两种以上高分子材料组合成的一种新型材料.,你能举出一些复合材料的例子吗？,2019/11/12,38,玻璃钢,玻璃钢即玻璃纤维增强塑料, 是将玻璃熔化并迅速拉成细丝，得到异常柔软的玻璃纤维，再将玻璃纤维加到合成树脂中，就制得玻璃钢。,性能：强度达到某些合金钢的水平，耐化学腐蚀性、电绝缘性和易加工性能，具有较好的韧性。,2019/11/12,39,4.5 展望,21世纪是环保的世纪，绿色工业已成为世界工业的方向。我国新材料、新技术等发
