塑料
編者按 石油、煤炭與天然氣不僅是現(xiàn)代社會的能源支柱，也是國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)——石油和化學(xué)工業(yè)的基本原料。如今，隨著這些化石資源的日益短缺，人類文明所賴以維系的物質(zhì)基礎(chǔ)將何以為繼？面對這一嚴峻挑戰(zhàn)，科學(xué)家們將目光瞄向了來源廣泛、規(guī)模龐大的生物質(zhì)資源，尤其是長期被忽視的農(nóng)林剩余物及皮革廢料、廢棄油脂等。這一前沿領(lǐng)域或?qū)槿祟惿鐣目沙掷m(xù)發(fā)展奠定新的基石。為此，本版開設(shè)“廢棄生物質(zhì)資源化技術(shù)”系列報道，介紹相關(guān)技術(shù)進展與應(yīng)用前景。
生物質(zhì)資源具有儲量大、發(fā)展?jié)摿Υ蟮奶攸c。如果能對生物質(zhì)進行有效分離并衍生化，則有望實現(xiàn)眾多功能性材料的生物合成，從而為高分子材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的原料支撐。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授閆立峰介紹，現(xiàn)代高分子工業(yè)的原料主要來自于化石資源。通常高分子產(chǎn)品的制備過程包括化石資源的裂解、精煉、單體合成、聚合反應(yīng)過程、加工成型等步驟，是典型的讓分子由大變小、再由小變大的過程。如果直接采用生物質(zhì)中的天然高分子作為原料，有可能只通過簡單的化學(xué)改性即可實現(xiàn)多種高分子化合物的直接制備，從而縮短制備過程。更為重要的是，天然高分子本身特有的生物可降解能力，使得合成得到的新型高分子化合物易于降解，進而減少污染物殘留。
如何作為工業(yè)原料
其實，化石資源最初也曾是生機勃勃的微生物或植物，是在漫長的缺氧條件下轉(zhuǎn)化而來的。那么，未來的工業(yè)生產(chǎn)是否可以直接以微生物或植物作為原料呢？
微生物與植物基本的組成元素為碳、氫和氧，存在形式是各種各樣的天然大分子化合物，如多糖、脂類和蛋白質(zhì)等。閆立峰認為，這些可再生的生物質(zhì)就是一個天然高分子的資源寶庫，如果能夠?qū)ふ业胶线m的方法把它們綜合利用起來，那么未來高分子材料的原料問題將迎刃而解。
生物質(zhì)的主要化學(xué)組成為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，在以生物質(zhì)制備新型高分子化合物的過程中，如何把纖維素、半纖維素和木質(zhì)素進行分離是個很大的挑戰(zhàn)。通常的分離方法是先脫除木質(zhì)素，而后分離半纖維素，最后得到纖維素，這種路線造成了大量的污染�！盎趯ι镔|(zhì)微納結(jié)構(gòu)的認識，我們提出了先破壞半纖維素，而后脫除木質(zhì)素的方法，使得分離制備纖維素的過程更為高效、安全�！遍Z立峰說。
纖維素利用突破技術(shù)瓶頸
眾所周知，纖維素是生物質(zhì)的主要成分，也是當(dāng)今地球上存在最多的天然大分子。目前，以其為原料已制備出了多種高分子產(chǎn)品，如醋酸纖維素、羧甲基纖維素等。但是，如何高效、潔凈地溶解纖維素，長期以來困擾著纖維素的大規(guī)模應(yīng)用。近年來，出現(xiàn)了一些新的溶劑，如室溫離子液體、堿與尿素水溶液體系等，為纖維素的溶解及新產(chǎn)物制備帶來了希望。
閆立峰領(lǐng)銜的課題組開發(fā)了一種新的纖維素溶解體系：氫氧化鈉-聚乙二醇-水復(fù)合體系，并采用該溶劑體系制備了多種纖維素新材料，如全纖維素透明膜、纖維素-碳增強復(fù)合材料等。纖維素分子量的多羥基特性，為制備新型高分子化合物提供了可能。通過控制化學(xué)修飾的方式與程度，可實現(xiàn)眾多類型高分子的合成，甚至可拓展至傳統(tǒng)的纖維、塑料與橡膠等主流高分子領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。
他告訴記者，與傳統(tǒng)的合成大分子相比，以天然大分子為骨架得到的新型高分子材料，特別是以多糖為骨架的材料具備天然的生物可降解特性，是制備新型生態(tài)材料的重要途徑之一。另外，以天然大分子為原料，還可避免傳統(tǒng)聚合路線中的單體合成、純化、聚合反應(yīng)等步驟，也是充分利用生物質(zhì)資源的一條捷徑。
規(guī)�；茝V尚需政策引導(dǎo)
閆立峰表示，就廢棄生物質(zhì)的利用而言，要實現(xiàn)以其為原料制備新型功能高分子材料，還需要解決兩個問題：一是如何得到相對純凈的纖維素、半纖維素或木質(zhì)素；二是如何實現(xiàn)均相的化學(xué)改性反應(yīng)。結(jié)合綠色化學(xué)的理念，這其實對應(yīng)于兩個方面，即如何實現(xiàn)生物質(zhì)中生物大分子的高效、潔凈分離，以及如何在綠色溶劑中完成后續(xù)的化學(xué)轉(zhuǎn)化。
令人欣喜的是，南京工業(yè)大學(xué)在該領(lǐng)域取得了令人鼓舞的突破。該校生物與制藥工程學(xué)院完成的“利用玉米加工廢棄物制備丁二酸及丁二酸丁二醇酯（PBS）類生物可降解材料”項目今年6月通過驗收。該成果擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了以玉米加工廢棄物為原料，采用酸解、糖液脫毒、厭氧發(fā)酵、聚合等技術(shù)方法制備PBS類生物可降解材料，并建立了500噸/年丁二酸及20噸/年P(guān)BS的中試生產(chǎn)線。
“盡管以廢棄生物質(zhì)為原料合成高分子材料的前景非常廣闊，而且也是未來高分子工業(yè)發(fā)展的主流方向之一，但目前國內(nèi)對該領(lǐng)域研究的重視程度不夠，下一步想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化，還有待科研資金的支持和相關(guān)政策的引導(dǎo)�！遍Z立峰強調(diào)。
生物質(zhì)資源具有儲量大、發(fā)展?jié)摿Υ蟮奶攸c。如果能對生物質(zhì)進行有效分離并衍生化，則有望實現(xiàn)眾多功能性材料的生物合成，從而為高分子材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的原料支撐。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授閆立峰介紹，現(xiàn)代高分子工業(yè)的原料主要來自于化石資源。通常高分子產(chǎn)品的制備過程包括化石資源的裂解、精煉、單體合成、聚合反應(yīng)過程、加工成型等步驟，是典型的讓分子由大變小、再由小變大的過程。如果直接采用生物質(zhì)中的天然高分子作為原料，有可能只通過簡單的化學(xué)改性即可實現(xiàn)多種高分子化合物的直接制備，從而縮短制備過程。更為重要的是，天然高分子本身特有的生物可降解能力，使得合成得到的新型高分子化合物易于降解，進而減少污染物殘留。
如何作為工業(yè)原料
其實，化石資源最初也曾是生機勃勃的微生物或植物，是在漫長的缺氧條件下轉(zhuǎn)化而來的。那么，未來的工業(yè)生產(chǎn)是否可以直接以微生物或植物作為原料呢？
微生物與植物基本的組成元素為碳、氫和氧，存在形式是各種各樣的天然大分子化合物，如多糖、脂類和蛋白質(zhì)等。閆立峰認為，這些可再生的生物質(zhì)就是一個天然高分子的資源寶庫，如果能夠?qū)ふ业胶线m的方法把它們綜合利用起來，那么未來高分子材料的原料問題將迎刃而解。
生物質(zhì)的主要化學(xué)組成為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，在以生物質(zhì)制備新型高分子化合物的過程中，如何把纖維素、半纖維素和木質(zhì)素進行分離是個很大的挑戰(zhàn)。通常的分離方法是先脫除木質(zhì)素，而后分離半纖維素，最后得到纖維素，這種路線造成了大量的污染�！盎趯ι镔|(zhì)微納結(jié)構(gòu)的認識，我們提出了先破壞半纖維素，而后脫除木質(zhì)素的方法，使得分離制備纖維素的過程更為高效、安全�！遍Z立峰說。
纖維素利用突破技術(shù)瓶頸
眾所周知，纖維素是生物質(zhì)的主要成分，也是當(dāng)今地球上存在最多的天然大分子。目前，以其為原料已制備出了多種高分子產(chǎn)品，如醋酸纖維素、羧甲基纖維素等。但是，如何高效、潔凈地溶解纖維素，長期以來困擾著纖維素的大規(guī)模應(yīng)用。近年來，出現(xiàn)了一些新的溶劑，如室溫離子液體、堿與尿素水溶液體系等，為纖維素的溶解及新產(chǎn)物制備帶來了希望。
閆立峰領(lǐng)銜的課題組開發(fā)了一種新的纖維素溶解體系：氫氧化鈉-聚乙二醇-水復(fù)合體系，并采用該溶劑體系制備了多種纖維素新材料，如全纖維素透明膜、纖維素-碳增強復(fù)合材料等。纖維素分子量的多羥基特性，為制備新型高分子化合物提供了可能。通過控制化學(xué)修飾的方式與程度，可實現(xiàn)眾多類型高分子的合成，甚至可拓展至傳統(tǒng)的纖維、塑料與橡膠等主流高分子領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。
他告訴記者，與傳統(tǒng)的合成大分子相比，以天然大分子為骨架得到的新型高分子材料，特別是以多糖為骨架的材料具備天然的生物可降解特性，是制備新型生態(tài)材料的重要途徑之一。另外，以天然大分子為原料，還可避免傳統(tǒng)聚合路線中的單體合成、純化、聚合反應(yīng)等步驟，也是充分利用生物質(zhì)資源的一條捷徑。
規(guī)�；茝V尚需政策引導(dǎo)
閆立峰表示，就廢棄生物質(zhì)的利用而言，要實現(xiàn)以其為原料制備新型功能高分子材料，還需要解決兩個問題：一是如何得到相對純凈的纖維素、半纖維素或木質(zhì)素；二是如何實現(xiàn)均相的化學(xué)改性反應(yīng)。結(jié)合綠色化學(xué)的理念，這其實對應(yīng)于兩個方面，即如何實現(xiàn)生物質(zhì)中生物大分子的高效、潔凈分離，以及如何在綠色溶劑中完成后續(xù)的化學(xué)轉(zhuǎn)化。
令人欣喜的是，南京工業(yè)大學(xué)在該領(lǐng)域取得了令人鼓舞的突破。該校生物與制藥工程學(xué)院完成的“利用玉米加工廢棄物制備丁二酸及丁二酸丁二醇酯（PBS）類生物可降解材料”項目今年6月通過驗收。該成果擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，實現(xiàn)了以玉米加工廢棄物為原料，采用酸解、糖液脫毒、厭氧發(fā)酵、聚合等技術(shù)方法制備PBS類生物可降解材料，并建立了500噸/年丁二酸及20噸/年P(guān)BS的中試生產(chǎn)線。
“盡管以廢棄生物質(zhì)為原料合成高分子材料的前景非常廣闊，而且也是未來高分子工業(yè)發(fā)展的主流方向之一，但目前國內(nèi)對該領(lǐng)域研究的重視程度不夠，下一步想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化，還有待科研資金的支持和相關(guān)政策的引導(dǎo)�！遍Z立峰強調(diào)。
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（苒兒）