1、第六章 仿生物材料,6-1 仿生物材料的环境性能 6-2 生物材料的成分、结构和性能 6-3 仿生物材料的制备与应用,6-1 仿生物材料的环境性能,人工制造的具有生物功能、生物活性，或与生物体相容的材料称为仿生物材料。目前的仿生物材料主要包括两类：一类是天然生物材料，即通过由天然生物过程形成的材料，如结构蛋白、生物软组织、生物复合纤维及生物矿物等；另一类是指人造的生物医用材料，包括一些人造器官、人体植入材料、组织工程材料等。,6-1 仿生物材料的环境性能,6-1 仿生物材料的环境性能,6-1 仿生物材料的环境性能,宿主反应指将材料植入生物体后，材料本身对生物活体的作用。包括材料植入部位的邻近组
2、织对材料的局部反应，以及远离材料植入部位的组织和器官，乃至整个活体系统对材料的全身反应。 材料反应指将材料应用于生物体中，生物活体环境对材料的各种作用，包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损、膨胀和浸析等失效作用。,6-2 生物材料的成分、结构和性能,6-3 仿生物材料的制备与应用,一、生物陶瓷及其复合材料 二、组织工程材料 三、仿生智能材料,一、生物陶瓷及其复合材料,生物陶瓷材料指在成分上与生物体具有相容性的一类仿生物无机陶瓷材料,生物陶瓷及其复合材料,二、组织工程材料,组织工程材料是用于代替某些生物体组织器官或恢复、维持以及改善其功能的一类仿生物材料。 常见的组织工程材料包括组织引导
3、材料、组织诱导材料、组织隔离材料、组织修复材料和组织替换材料。,二、组织工程材料,组织引导材料的功能主要是引导组织再生和生长，从而控制新生组织的质量。 组织诱导材料是通过在材料表面连接活性配体，使材料释放生物信息，诱导细胞和组织的生长和修复 组织隔离材料主要是用于隔离植入体与宿主的生物接触，避免宿主对植入体的异体排斥和免疫排斥 组织修复材料经常用于骨骼和牙齿的修复,三、仿生智能材料,仿生智能材料一般指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。感知、反馈和响应是这类材料的三大要素。仿生智能材料的性能不仅与材料的成分、结构和形态有关，而且与材料所处的环境有关，可响应环境的刺激和变化，使无生
4、命的材料具有越来越多的生物特性。 目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释放体系以及仿生薄膜材料等。,三、仿生智能材料,智能高分子凝胶材料是目前发展最快的一类仿生智能材料。其智能化特征在于当这种材料受到环境刺激时会随之响应，其结构、物理性质、化学性质可以随外界环境变化而变化 。 智能药物释放体系主要是为了在分子水平上控制药物在体内的活性、空间分布和作用时间而开发的一些药物释放载体材料和响应系统。 仿生薄膜材料主要是模拟生物膜的选择性渗透功能，实现信号传递、物质分离或调整环境性能等一系列智能化的操作过程。,第七章 环境降解材料,所谓环境降解材料，一般指可被环境自然吸收、消化、分解，从而不产生固体
5、废弃物的一类材料。 人工合成的环境降解材料，目前主要有两类，一类是仿生物材料中的生物降解磷酸盐陶瓷材料，另一类就是目前产量最大、用途最多的生物降解塑料。,环境降解材料,7-1 概 述 7-2 材料的环境降解机理 7-3生物降解材料的开发及应用,7-1 概 述,一、生物降解塑料的研究背景 所谓白色污染就是由各种用过的，难以被大自然消化的塑料饮瓶、塑料包装袋、农用塑料薄膜、塑料填冲材料等作为垃圾被抛弃，引起的一种白色垃圾污染现象。 二、生物降解塑料的分类 生物降解塑料是指具有满意的使用性能，且使用后能被自然界微生物或光最后完全分解成二氧化碳、水及其他分子化合物使之成为自然界中碳素循环的一个组成部分
6、的一类高分子材料。,二、生物降解塑料的分类,1淀粉填充型 2微生物合成型 3化学合成型 4天然物质利用型,7-2 材料的环境降解机理,所谓降解指高分子聚合物材料在热、机械、光、辐射、生物及化学物质作用下，分子中化学键断裂，并由此引发的一系列材料老化、性能劣化的过程。该过程包括多种物理和化学的协同作用。根据其降解机理大致可将材料的环境降解分为光降解和生物降解，以及光生物共降解等。,一、光降解机理,光降解是指高分子材料在日光照射下发生劣化分解反应，在一段时间内失去机械强度，其实质是在紫外线照射下的一种快速光老化反应过程。由于受光照时间、天气、地域的限制，光降解塑料属于一类不完全降解型的高分子材料，
7、其降解速度不易控制。,一、光降解机理,一、光降解机理,制备光降解塑料的方法通常有两种，一种是在塑料中添加光敏剂；另一种是采用含羰基的光敏单体与常规的结构单体共聚，用光敏单体的加入量控制聚合物的降解时间。,二、生物降解机理,生物降解是通过微生物的作用将高分子塑料分解成水、二氧化碳及其他低分子化合物 。 生物降解塑料的降解机理主要是通过各种细菌及酶将高分子材料分解成二氧化碳、水、蜂巢状的多孔材料和低分子的盐类，它们可被植物用于光合作用，不会对环境造成污染。生物降解塑料的降解过程一般分为两步，第一步是填充在其中的淀粉被真菌、细菌等微生物侵袭，渐渐消失，在聚合物中形成多孔破坏结构，增大了聚合物的表面积
8、；第二步是剩下的高分子聚合物在细菌和酶的作用下进一步发生各种分解反应，使分子链断裂成低分子量碎片，达到被微生物代谢的程度。,三、光-生物共降解机理,塑料在光和微生物的共同作用下发生的分解过程被称为光-生物共降解。其过程是塑料先通过自然日光作用发生光氧化降解，并在光降解达到衰变期后可继续被微生物降解，最终变成二氧化碳、水及一些低分子化合物，参与大自然的循环过程。由于由光和微生物共同作用，这类高分子材料的降解速度是可以控制的，也是一类完全降解型的高分子材料。,7-3生物降解材料的开发及应用,一、生物降解材料的研究开发现状 二、可降解塑料的应用趋势 三、可降解塑料用于生物医学和组织工程的前景 四、可
9、降解塑料的发展前景,一、生物降解材料的研究开发现状,一、生物降解材料的研究开发现状,淀粉塑料,淀粉塑料,二、可降解塑料的应用趋势,（1）在工农业生产中，可用于制造农用薄膜，建筑薄膜，林业木材的包装材料，土壤、沙漠绿化保水材料，纸张薄膜或代纸用品，农药、化肥包装袋，鱼具、鱼网等水产用材，药物释放缓释性材料等 。 （2）在日常生活中，可降解塑料可用于制作食器包装袋、包装箱、日化包装瓶、饮料瓶、一次性圆珠笔、垃圾袋、野外旅行用品、休闲用品等。 （3）在医学上，可降解塑料作为医用材料，可用于生产手术缝合线、外用脱脂棉、绷带、骨科用固定材料、生理卫生用品、药品缓释控制材料等。,三、可降解塑料用于生物医学
10、和组织工程的前景,天然可降解高分子材料是组织工程支架材料的发展方向，其原因是天然可降解性生物材料本身来自于生物体，其细胞亲和性和组织亲和性得到保证。同时，最终降解产物为多糖或氨基酸，容易吸收而不产生炎症反应。而且，通过酶降解可解决降解速度匹配问题。如甲壳糖难于降解，可通过酶解达到提高降解速度的目的。另外，需要开发新的工艺技术解决材料在高孔隙率下的成型问题 。,四、可降解塑料的发展前景,首先要利用纤维素、淀粉、甲壳素等天然高分子材料制取生物降解塑料，进一步开发改良天然高分子的功能与技术。 其次要利用分子设计、精细合成技术合成生物降解塑料。通过对具有生物降解性的合成高分子生物降解机理的分析，制取生
11、物降解塑料。同时对这类高分子与现有通用聚合物、天然高分子、微生物类聚合物等的嵌段共聚进行研究开发。 再次，通过微生物的培养获得生物降解塑料。寻找能降解高分子塑料的微生物，研制新的高分子材料，并分析其合成机理，同时通过现有方法及基因工程的手段研究高效的培养微生物的方法。,第八章 环境工程材料,8-1 环境净化材料 8-2 环境修复材料 8-3 环境替代材料,8-1 环境净化材料,一、大气污染控制材料 二、水污染控制材料 三、其他污染控制材料,一、大气污染控制材料,自然界中局部的质能转换和人类所从事种类繁多的生活、生产活动，向大气排放出各种污染物。当污染物的排放量超过了大气环境所能承受的容量极限时
12、，大气质量发生恶化，影响人类的生活、工作、健康、精神状态，破坏设备财产及生态环境等，此类现象称为大气污染。,一、大气污染控制材料,1、低浓度二氧化硫烟气净化 根据大气污染控制技术的原理和流程来分类，烟气脱硫方法大致分为下列3类： 用各种液体和固体物料优先吸收或吸附二氧化硫； 在气流中将二氧化硫氧化为三氧化硫，再冷凝为硫酸； 在气流中将二氧化硫还原为单质硫，再将单质硫冷凝分离出来。,一、大气污染控制材料,2含氮氧化物的废气净化 氮氧化物主要来自各种大型燃油锅炉的燃烧过程；城市机动车尾气排放，特别是柴油车和柴油发动机；硝酸生产和各种硝化过程；冶金企业中的炼焦、烧结、冶炼等高温过程和金属表面的硝酸处
13、理等。目前氮氧化物污染的主要防治技术是废气物理化学方法脱硝处理,一、大气污染控制材料,催化法处理含氮氧化物废气 目前，用于选择性催化还原法处理含氮氧化物废气的催化剂有三大类：以-氧化铝为载体的催化剂、铁铬催化剂和以铜为主要组分的混合催化剂。 吸收法处理含氮氧化物废气 为了提高氮氧化物的吸收效率，可采用氧化吸收法、吸收还原法及配位吸收法。采用氧化吸收法时先将组分中的一氧化氮氧化为二氧化氮，再用碱液吸收除去。吸收还原法的原理是用还原剂将氮氧化物还原成氮气。配位吸收法的原理是，先将氮氧化物与某些化合物反应生成配位化合化物，再将所生成的配位化合物分离，通过加热，释放出氮氧化物，从而得到高浓度的氮氧化物
14、。,二、水污染控制材料,水在自然循环过程中，进入水体的污染物超过了水体自净化能力和消纳能力，从而使水体丧失了规定的使用功能，这类现象称为水污染。 废水排放引起的水体污染主要有以下几种类型： 需氧型污染：废水中有机物被微生物吸收利用时，消耗水中的溶解氧，从而影响水生生物的正常循环，降低水的质量。 毒物型污染：废水中有毒物质排入水体后，导致水生生物中毒，并通过食物链危害人体健康。对生物圈来说，由重金属引起的毒物型污染，其毒性危害尤其严重。 富营养型污染：氮、磷含量较高的废水排入水环境，会大量滋生藻类及其他水生植物，使水中的需氧量猛增，恶化水质。 感官型污染：废水中许多污染物使人感到很不愉快，如颜色
15、、嗅味、泡沫、浑浊等，尤其对旅游环境有较大的影响。 其他类型的水污染还有生物污染、酸碱盐污染、油类污染、热污染等。,二、水污染控制材料,1、氧化还原材料在污水处理中的应用 氧化还原属于一种污水化学转化处理工艺。用于氧化还原处理的材料包括氧化剂、还原剂及催化剂等。常用的氧化还原材料有活泼非金属材料如臭氧、氯气等，含氧酸盐如高氯酸盐、高锰酸盐等；常用的还原材料有活泼金属原子或离子；常用的催化剂有活性炭、粘土、金属氧化物及高能射线等。,二、水污染控制材料,2沉淀分离材料在污水处理中的应用 沉淀分离方法是利用水中悬浮颗粒与水的密度不同进行污染物分离的一种废水处理方法。利用沉淀分离法，可以去除水中的砂粒
16、、化学沉淀物，以及混凝处理形成的絮凝体和生物处理的污泥。沉淀分离从理论上可分为自由沉淀、絮凝沉淀、分层沉淀和压缩沉淀等。 沉淀分离工艺过程中所用材料主要有絮凝沉淀的絮凝剂和化学沉淀法的沉淀剂。,二、水污染控制材料,3稀释中和材料在污水处理中的应用 所谓稀释中和处理指废水排放前，其PH值超过排放标准，通过加入一些稀释中和剂，调节酸碱度，使废水水质的PH值达到排放标准。稀释中和处理一般有3个目的，其一是使废水在合适的PH值指标范围内，减少对水生生物的影响；其次是工业废水排入城市下水道系统前，通过调节酸碱度避免对管道系统造成腐蚀；第三是在生物处理前，需将废水的PH值维持在6.5-8.5的范围内，以确
17、保生物处理的最佳活性 。,二、水污染控制材料,4膜分离材料在污水处理中的应用 用天然或人工合成的膜材料，以外界能量或化学位差作动力，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法统称为膜分离法。,二、水污染控制材料,膜分离法的主要优点有： 在膜分离过程中，不发生相变化，能量的转化效率高； 一般不需要投加其他物质，可以节省原材料和化学药剂； 在膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，能回收有价值的原料； 根据膜的选择性和膜孔径的大小，既可将不同粒径的物质分开，也可使物质得到纯化，且不改变其原有的属性； 膜分离过程不会破坏对热敏感和对热不稳定的物质，可在常温下得到分离； 膜分离法适应性强，操
18、作和维护方便，易于实现自动化控制。,二、水污染控制材料,二、水污染控制材料,纳滤膜有以下特点： 具有纳米级孔径，因而其分离对象主要为1nm左右的物质，特别适合于分子量为数百至一千左右物质的分离； 操作压力低，一般低于1MPa，故有“低压反渗透”之称，操作压力低，意味着设备投资和运行费用低，因而过滤成本低； 可取代传统处理过程中的多个步骤，因而比较经济，如为了净化水，传统采用石灰苏打法或离子交换法去除钙、镁离子，用活性炭吸附法去除有机物，而采用纳滤技术可一次性将上述无机物和有机物同时去除； 较好的耐压密性和较强的抗污染能力，由于纳滤膜多为复合膜或荷电膜，可根据离子大小及电价态的高低进行分离，从而
19、使其耐压密性和抗污染能力较强。,三、其他污染控制材料,1噪声控制材料 常用的吸声材料有玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、毛毡、棉絮等多孔材料，将其装饰在墙壁上或悬挂在空间，吸收发射出的声能，可降低噪声。,8-2 环境修复材料,环境修复指对已破坏的环境进行生态化治理，恢复被破坏的生态环境。常见的环境修复材料有防止土壤沙漠化的固沙植被材料、二氧化碳固化材料，以及臭氧层修复材料等。 一、固沙材料及沙漠植被技术 二、其他环境修复材料,一、固沙材料及沙漠植被技术,一、固沙材料及沙漠植被技术,目前的固沙植被材料主要有两大类，一类是高吸水性树脂，另一类是高分子乳液。其中高吸水性树脂有丙烯酸型等类型，加以淀粉接枝、天
20、然纤维接枝等措施改性，在去离子水中吸水率可达3 0005 000倍。可用于各种土壤、沙地环境中，特别是无灌溉条件的旱地和沙地等，促进作物、草类生长，从而保持水土。高吸水性树脂类固沙植被材料还可以用于农业聚水保墒，种子包衣、固定尾矿等，并具有调节作物发芽的作用。,一、固沙材料及沙漠植被技术,高分子乳液类固沙植被材料是把增粘剂、养生剂等高分子乳液和草籽、肥料、水混和在一起制成。使用时将这些乳液喷洒在沙地表面，可临时固定沙尘。待种籽发芽生根，则草的毛根对沙尘起到永久性固定作用，达到绿化，也可用于沙漠公路路基表面保护层，公路、铁路、管道沿线坡道固沙，黄土坡固定、尾矿、粉煤灰等粉料固定。,二、其他环境修
21、复材料,到目前为止，专家提出的固碳技术措施有： （1）节约能源，少用能源，减少二氧化碳的排放总量，这是最积极主动的措施； （2）开发用二氧化碳人工合成甲醇的技术并早日实用化，用合成的甲醇作燃料，燃烧后再合成甲醇，实现碳元素的人工循环； （3）利用光合作用，培养植物，消耗二氧化碳，加强对天然植物的综合利用； （4）将二氧化碳进行液化，送入海底，使之变成碳酸盐加以储存； （5）利用热管，将赤道上的热量送到极地带，减少寒冷地区的取暖能源消耗等等。,8-3 环境替代材料,常见的环境替代材料有替代氟里昂的制冷剂材料、工业和民用的无磷化学品材料、工业石棉替代材料以及其他有害物（如水银等）的替代材料，还有那
22、些环境负荷较大的建筑材料，如铝门窗替代材料等，另外，用竹、木等天然材料替代那些环境负荷较大的结构材料事实上也属于环境替代材料的一类。,一、氯氟烃化合物替代材料,1、制冷剂的更新替代 目前的CFC替代品有两大类，一类是过渡性替代材料，另一类是永久性替代材料。过渡性替代材料主要有氟代烃类化合物（HCFC）、丙烷、异丁烷等。永久性替代材料目前开发出来的有环戊烷、R134a等。根据实验结果，目前尚无一种满意的CFC永久性替代品。,一、氯氟烃化合物替代材料,2、扩大现有天然制冷剂的应用 有3种流体保留应用于常规-404的制冷空调蒸发温度范围，即氨、碳氢化合物（丙烷及其混合物）和二氧化碳等，这些制冷剂适宜
23、于所有制冷空调领域的实际应用。,一、氯氟烃化合物替代材料,3研究和采用其他的制冷方法 其他的制冷方法有吸收式制冷、斯特林循环制冷、电热制冷、磁热制冷和半导体制冷等,二、无磷洗涤剂的开发与应用,洗衣粉实现无磷化主要采取以下措施： （1）调整洗衣粉配方，增加表面活性剂比例，由15%增到加25%甚至更高，以提高洗衣粉的去污除垢能力； （2）用-烯基磺酸盐和醇系表面活性剂替代目前使用的烷基苯磺酸盐，提高产品的生物降解性和去污能力，但产品成本有所增加； （3）用沸石替代三聚磷酸钠，作为无磷洗衣粉的助剂，主要是通过钠、钙离子交换达到束缚钙离子的目的，实现了硬水的软化。,三、石棉替代材料,根据用途不同，目前
24、市场上已有许多种石棉替代材料，如汽车刹车片现大多用含石墨无机纤维材料制成。日本已有用树皮陶瓷材料制得的汽车刹车片上市。对隔热垫或其他保温绝热材料，现大多数用硅酸铝、硅酸锌陶瓷纤维材料，原料来源简便，加工成本低廉。对高温防护服，国内外已有用芳族聚酰胺纤维替代石棉纤维制成的高温防护纺织品。这种新材料具有优良的阻燃、耐热性能，其分解温度可达385，在火焰中不延燃，可用于冶金服、消防服以及特种部队战斗服等。,四、其他环境替代材料,铝合金是一种环境负担性较高的材料。原料加工的固体废弃物排放量大，冶炼过程能耗高，使用过程中保温隔热效果差。目前市场已有大量的塑钢材料用作住宅建筑材料，替代铝合金门窗，具有保温
25、、装饰效果好等优点。 对于铝合金结构材料的替代，已开发出竹-铝、萱麻-铝等天然纤维增强铝基复合材料。萱麻-铝复合材料板的密度仅为工业纯铝的60%，成本为工业纯铝的2/3，但抗拉强度却是纯铝的1.2倍；竹-铝复合板材料的密度为工业纯铝的44%，抗拉强度和抗弯强度分别是工业纯铝的2.6倍和1.6倍。,课程论文题目,1、结合自己的体会，分析环境材料的未来发展趋势。 2、近10年来，有关LCA方法学的研究一直是环境材料研究的热点，试对LCA方法学的研究及应用现状加以综述。 3、用数据论证，为什么说设计给环境带来90%的贡献。 4、建筑材料对环境的影响在材料工业中居首位，如果你承担一个生态建材的科研项目，你将从何处着手，开展生态建材的研究。,思考题,1、生态环境材料的定义、特征是什么？ 2、LCA的评价过程包括哪几部分？指出其关键和核心部分？ 3、LCA 的局限性有哪些？ 4、何谓材料流理论？ 5、资源及其资源效率？ 6、生态设计的主要方法？ 7、清洁生产的理论基础？ 8、清洁生产的主要内容？,思考题,9、生态建筑材料的特点有哪些？ 10、降低材料环境负担性的技术有哪些？ 11、目前的环境降解塑料有哪几类？ 12、环境工程材料有哪几类？,
