將綠色高分子科學融入《高分子材料改性》課程的教學探索

＊李正秋 陳寶書

（西華大學材料科學與工程學院 四川 610039）

1.引言

隨著全球環境問題的不斷加劇和可持續發展的迫切需求，高分子材料領域對于綠色和可持續性的關注日益增加。傳統的高分子材料改性方法常涉及使用有害物質和高能耗的工藝，對環境造成負面影響。因此，將可持續高分子科學融入《高分子材料改性》課程成為一項重要的教學探索，通過教學探索培養學生的環保意識和可持續創新能力。

2.可持續高分子科學的基本原理和方法

可持續高分子科學是一門關注環境友好和可持續性發展的學科，旨在開發和應用具有低環境穩定性影響的高分子材料和相關技術。

(1)可再生資源的利用

可再生資源是指能夠在人類時間尺度內持續補充和利用的資源，包括植物、動物和微生物等生物資源，以及太陽能、風能和水能等自然能源[1]。在可持續高分子科學中，利用可再生資源作為高分子材料的原料具有重要的意義，主要體現在以下幾個方面。

資源可持續性：與傳統的石油和煤炭等化石燃料相比，可再生資源具有可再生性和持續性的特點[2]。它們可以通過農作物種植、森林管理和廢棄物回收等方式不斷補充，有助于減少對有限資源的依賴，保持自然環境和生態系統的平衡。

環境友好性：可再生資源的利用通常具有較低的環境影響。生物資源的生長過程能夠吸收二氧化碳，并在光合作用中釋放氧氣，有利于減少溫室氣體的排放。同時，可再生資源的開發和利用過程中較少產生有毒廢物和污染物，有利于減少對環境的負面影響。

可持續發展：利用可再生資源開發高分子材料有助于推動可持續發展。通過引入可再生資源的概念，可以培養學生的可持續意識和創新能力，促進綠色科技的發展和應用，推動高分子材料行業向可持續方向轉型。

材料性能優化：可再生資源可以提供多樣化的高分子材料原料，如生物聚合物、植物提取物和生物基復合材料等。這些材料在可降解性、可再生性、生物相容性等方面具有獨特的優勢，有利于開發出具有良好性能和廣泛應用前景的環保材料。

(2)循環經濟思維方式

循環經濟思維方式是一種強調資源的最大化利用和循環利用的理念，通過減少廢棄物的產生和促進資源的再利用，實現經濟可持續發展的模式[3]。在高分子材料改性領域，采用循環經濟思維方式可以減少資源的消耗和環境的負擔，具有重要的意義。以下是循環經濟思維方式在高分子材料改性中的應用。

材料的回收再利用：循環經濟思維方式鼓勵對廢棄材料進行回收和再利用。在高分子材料改性中，可以通過回收廢棄材料并將其重新加工成新的材料，實現資源的循環利用。例如，廢舊塑料瓶可以被回收再生產為新的塑料制品，減少了對原始原料的需求。

廢棄物的轉化利用：循環經濟思維方式強調廢棄物的轉化利用，將廢棄物轉變為有價值的產品或原材料。在高分子材料改性中，一些廢棄物或副產品可以被利用起來，通過合適的處理和改性方法轉化為新的材料。例如，農業廢棄物可以被用于生產生物基聚合物，實現農業資源的循環利用。

產品壽命周期的管理：循環經濟思維方式注重產品的全生命周期管理，從原材料的選擇到產品的使用、回收和再利用，最大程度地延長產品的使用壽命和價值。在高分子材料改性中，可以通過設計和改進材料的可降解性、可回收性和可再利用性，實現材料的循環使用，減少資源的浪費。

產業鏈的閉環化：循環經濟思維方式倡導建立完整的產業鏈閉環，實現資源在產業鏈內的循環流動。在高分子材料改性中，可以通過與不同環節的企業和機構合作，建立從原料供應到產品制造、回收和再生產的閉環系統，促進資源的高效利用和循環利用。

(3)環境友好的合成方法

可持續高分子科學下環境友好的合成方法主要包括利用可再生資源、水相合成、生物催化合成、綠色交聯方法、可控/精確合成方法和微生物合成等，有助于減少對有限資源的依賴，降低能源消耗和環境污染，推動可持續發展和綠色化的高分子材料研究。

水相合成：采用水作為溶劑或反應介質進行高分子材料的合成。水是一種環境友好的溶劑，具有低毒性、可再生、易于處理等優點。水相合成可以減少有機溶劑的使用，降低對環境的污染。

生物催化合成：利用酶或微生物作為催化劑，實現高分子材料的合成。生物催化合成具有高效、高選擇性和低能耗的特點，可以減少有機催化劑的使用，并且在反應過程中產生的廢物易于處理。

綠色交聯方法：采用綠色交聯劑進行高分子材料的交聯改性。綠色交聯劑可以是天然產物或可再生資源，例如，通過使用纖維素衍生物或天然膠黏劑，可以實現環境友好的高分子材料交聯。

可控/精確合成方法：利用可控/精確合成方法，如原子轉移自由基聚合、可控活性聚合、點擊化學等，可以合成具有預定義結構和性能的高分子材料。這種方法可以減少副反應產物的生成，降低能源消耗，并提高產品的一致性和性能。

微生物合成：利用微生物合成高分子材料。通過遺傳工程和代謝工程的手段，調控微生物合成途徑，實現高效合成高分子材料。微生物合成具有高效、可持續的特點，并且能夠利用廢棄物或低價原料。

3.《高分子材料改性》課程的教學探索

(1)案例研究和實踐項目

引入橡膠循環再生案例的研究和實踐項目，具體安排如下。

①橡膠廢料回收與再生技術研究：研究不同類型的橡膠廢料回收與再生技術，包括機械回收、物理回收、化學回收等方法。探索如何高效地將橡膠廢料轉化為可再生的橡膠材料，以實現資源的循環利用。

②再生橡膠材料的改性研究：通過引入不同的改性劑、填料或添加劑，對再生橡膠材料進行改性，以提升其力學性能、耐磨性、耐老化性等特性。研究不同改性方法對再生橡膠材料性能的影響，并尋找最優的改性方案。

③循環再生橡膠制品的設計與制備：研究設計循環再生橡膠制品的方法和原則，結合再生橡膠材料的特性，開發適用于不同應用領域的橡膠制品。例如，研究開發再生橡膠車胎、再生橡膠密封件等產品，并進行制備和性能評估。

通過開展以上研究和實踐項目，可以深入了解橡膠循環再生的技術、改性方法、制品設計及環境和可持續性方面考量的一種塑料餐盒的原料上料裝置。這將為學生提供實踐操作和綜合能力培養的機會，并促進可持續發展理念在高分子材料領域的應用。

(2)可持續改性材料示范和討論

可持續改性的動態交聯橡膠材料是指通過改性技術對橡膠材料進行調整，使其能夠在特定條件下實現動態交聯或可逆交聯，以提高材料的性能、延長使用壽命或實現可持續發展的目標。下面是一些可持續改性的動態交聯橡膠材料的示范和討論。

自修復性橡膠材料：動態交聯橡膠材料具有自修復能力，即在受損后可以自行修復和恢復原有性能[4]。這種材料通常通過引入自修復機制，如自修復化學鍵或自修復微膠囊等，實現材料的自動修復，延長橡膠材料的使用壽命，減少資源消耗。

溫敏橡膠材料：動態交聯橡膠材料還可以是溫敏的，即在特定溫度范圍內實現交聯或解交聯[5]。這種材料可以根據溫度的變化調節材料的力學性能和形狀，具有形狀記憶效應和可調控性，可應用于智能材料和可調控器件。

可回收性橡膠材料：動態交聯橡膠材料可以在特定條件下進行解交聯，使材料可以回收和再利用[6]。這種特性可以降低廢棄物的產生，減少對原始橡膠資源的需求，并提高橡膠材料的可持續性。

高性能橡膠材料的可持續改性：動態交聯技術可以改善橡膠材料的性能，如提升強度、耐磨性和耐化學性[7]。這使得橡膠材料在工程和工業應用中具有更廣泛的應用前景，并為可持續發展提供高性能解決方案。

以上示范和討論只是可持續改性的動態交聯橡膠材料領域的一部分，實際上，動態交聯橡膠材料的研究和應用在汽車工業、電子行業、醫療器械等領域具有廣泛的應用潛力。隨著技術的不斷創新和發展，我們期待看到更多可持續改性的動態交聯橡膠材料的發展和應用。以上的示范案例中，均需按照以下思路進行課程引入。

①材料選擇和設計：在可持續改性高分子材料的生物循環中，選擇可再生資源作為材料的起始原料是至關重要的。例如，生物基聚合物（如生物可降解聚合物）可以從可再生資源如植物、纖維素或淀粉中獲得。此外，設計材料時應考慮其在生物系統中的可降解性和可利用性，以確保材料在環境中能夠迅速分解并被生物吸收。

②生物降解性和分解性測試：為了驗證可持續改性高分子材料的生物降解性和可分解性，需要進行一系列的測試和評估。這些測試包括在模擬的環境條件下測定材料的降解速率、測定生物體內材料的分解和代謝產物、評估材料對生物系統的毒性等。

③循環利用和再生：可持續改性高分子材料生物循環的關鍵目標是實現材料的循環利用。可以通過多種方式實現，例如，回收和再生材料、將材料轉化為其他有用的產物、通過生物降解將材料還原為其原始組成成分等。這樣的循環利用過程有助于減少對原始材料的需求和廢棄物的產生，從而實現更可持續的材料生產。

④環境影響評估：在進行可持續改性高分子材料的生物循環時，應進行全面的環境影響評估。這包括評估材料的生命周期，從原料采集、制造、使用階段到最終處置的影響。通過評估材料在不同環節的環境影響，可以確定改進和優化的方向，以減少對環境的負面影響。

通過在可持續改性高分子材料的生物循環中采取上述措施，可以實現更可持續的材料生產和使用，減少資源消耗和環境污染，促進循環經濟的發展。這對于解決目前的可持續發展挑戰具有重要意義，并有助于推動綠色高分子科學融入《高分子材料改性》課程的教學創新和技術進步。

4.結論

可持續高分子科學教育在《高分子材料改性》課程中的未來發展方向將注重綠色化學、循環經濟、可持續能源應用、多學科融合和實踐創新能力培養。這些方向的發展將幫助學生培養可持續發展意識和技能，使他們能夠在高分子材料領域中做出貢獻，推動構建可持續社會。通過教育的引導和培養，我們期待未來的科學家和工程師能夠更好地應對環境挑戰，推動高分子材料的可持續發展和應用。