将绿色高分子科学融入《高分子材料改性》课程的教学探索

＊李正秋 陈宝书

（西华大学材料科学与工程学院 四川 610039）

1.引言

随着全球环境问题的不断加剧和可持续发展的迫切需求，高分子材料领域对于绿色和可持续性的关注日益增加。传统的高分子材料改性方法常涉及使用有害物质和高能耗的工艺，对环境造成负面影响。因此，将可持续高分子科学融入《高分子材料改性》课程成为一项重要的教学探索，通过教学探索培养学生的环保意识和可持续创新能力。

2.可持续高分子科学的基本原理和方法

可持续高分子科学是一门关注环境友好和可持续性发展的学科，旨在开发和应用具有低环境稳定性影响的高分子材料和相关技术。

(1)可再生资源的利用

可再生资源是指能够在人类时间尺度内持续补充和利用的资源，包括植物、动物和微生物等生物资源，以及太阳能、风能和水能等自然能源[1]。在可持续高分子科学中，利用可再生资源作为高分子材料的原料具有重要的意义，主要体现在以下几个方面。

资源可持续性：与传统的石油和煤炭等化石燃料相比，可再生资源具有可再生性和持续性的特点[2]。它们可以通过农作物种植、森林管理和废弃物回收等方式不断补充，有助于减少对有限资源的依赖，保持自然环境和生态系统的平衡。

环境友好性：可再生资源的利用通常具有较低的环境影响。生物资源的生长过程能够吸收二氧化碳，并在光合作用中释放氧气，有利于减少温室气体的排放。同时，可再生资源的开发和利用过程中较少产生有毒废物和污染物，有利于减少对环境的负面影响。

可持续发展：利用可再生资源开发高分子材料有助于推动可持续发展。通过引入可再生资源的概念，可以培养学生的可持续意识和创新能力，促进绿色科技的发展和应用，推动高分子材料行业向可持续方向转型。

材料性能优化：可再生资源可以提供多样化的高分子材料原料，如生物聚合物、植物提取物和生物基复合材料等。这些材料在可降解性、可再生性、生物相容性等方面具有独特的优势，有利于开发出具有良好性能和广泛应用前景的环保材料。

(2)循环经济思维方式

循环经济思维方式是一种强调资源的最大化利用和循环利用的理念，通过减少废弃物的产生和促进资源的再利用，实现经济可持续发展的模式[3]。在高分子材料改性领域，采用循环经济思维方式可以减少资源的消耗和环境的负担，具有重要的意义。以下是循环经济思维方式在高分子材料改性中的应用。

材料的回收再利用：循环经济思维方式鼓励对废弃材料进行回收和再利用。在高分子材料改性中，可以通过回收废弃材料并将其重新加工成新的材料，实现资源的循环利用。例如，废旧塑料瓶可以被回收再生产为新的塑料制品，减少了对原始原料的需求。

废弃物的转化利用：循环经济思维方式强调废弃物的转化利用，将废弃物转变为有价值的产品或原材料。在高分子材料改性中，一些废弃物或副产品可以被利用起来，通过合适的处理和改性方法转化为新的材料。例如，农业废弃物可以被用于生产生物基聚合物，实现农业资源的循环利用。

产品寿命周期的管理：循环经济思维方式注重产品的全生命周期管理，从原材料的选择到产品的使用、回收和再利用，最大程度地延长产品的使用寿命和价值。在高分子材料改性中，可以通过设计和改进材料的可降解性、可回收性和可再利用性，实现材料的循环使用，减少资源的浪费。

产业链的闭环化：循环经济思维方式倡导建立完整的产业链闭环，实现资源在产业链内的循环流动。在高分子材料改性中，可以通过与不同环节的企业和机构合作，建立从原料供应到产品制造、回收和再生产的闭环系统，促进资源的高效利用和循环利用。

(3)环境友好的合成方法

可持续高分子科学下环境友好的合成方法主要包括利用可再生资源、水相合成、生物催化合成、绿色交联方法、可控/精确合成方法和微生物合成等，有助于减少对有限资源的依赖，降低能源消耗和环境污染，推动可持续发展和绿色化的高分子材料研究。

水相合成：采用水作为溶剂或反应介质进行高分子材料的合成。水是一种环境友好的溶剂，具有低毒性、可再生、易于处理等优点。水相合成可以减少有机溶剂的使用，降低对环境的污染。

生物催化合成：利用酶或微生物作为催化剂，实现高分子材料的合成。生物催化合成具有高效、高选择性和低能耗的特点，可以减少有机催化剂的使用，并且在反应过程中产生的废物易于处理。

绿色交联方法：采用绿色交联剂进行高分子材料的交联改性。绿色交联剂可以是天然产物或可再生资源，例如，通过使用纤维素衍生物或天然胶黏剂，可以实现环境友好的高分子材料交联。

可控/精确合成方法：利用可控/精确合成方法，如原子转移自由基聚合、可控活性聚合、点击化学等，可以合成具有预定义结构和性能的高分子材料。这种方法可以减少副反应产物的生成，降低能源消耗，并提高产品的一致性和性能。

微生物合成：利用微生物合成高分子材料。通过遗传工程和代谢工程的手段，调控微生物合成途径，实现高效合成高分子材料。微生物合成具有高效、可持续的特点，并且能够利用废弃物或低价原料。

3.《高分子材料改性》课程的教学探索

(1)案例研究和实践项目

引入橡胶循环再生案例的研究和实践项目，具体安排如下。

①橡胶废料回收与再生技术研究：研究不同类型的橡胶废料回收与再生技术，包括机械回收、物理回收、化学回收等方法。探索如何高效地将橡胶废料转化为可再生的橡胶材料，以实现资源的循环利用。

②再生橡胶材料的改性研究：通过引入不同的改性剂、填料或添加剂，对再生橡胶材料进行改性，以提升其力学性能、耐磨性、耐老化性等特性。研究不同改性方法对再生橡胶材料性能的影响，并寻找最优的改性方案。

③循环再生橡胶制品的设计与制备：研究设计循环再生橡胶制品的方法和原则，结合再生橡胶材料的特性，开发适用于不同应用领域的橡胶制品。例如，研究开发再生橡胶车胎、再生橡胶密封件等产品，并进行制备和性能评估。

通过开展以上研究和实践项目，可以深入了解橡胶循环再生的技术、改性方法、制品设计及环境和可持续性方面考量的一种塑料餐盒的原料上料装置。这将为学生提供实践操作和综合能力培养的机会，并促进可持续发展理念在高分子材料领域的应用。

(2)可持续改性材料示范和讨论

可持续改性的动态交联橡胶材料是指通过改性技术对橡胶材料进行调整，使其能够在特定条件下实现动态交联或可逆交联，以提高材料的性能、延长使用寿命或实现可持续发展的目标。下面是一些可持续改性的动态交联橡胶材料的示范和讨论。

自修复性橡胶材料：动态交联橡胶材料具有自修复能力，即在受损后可以自行修复和恢复原有性能[4]。这种材料通常通过引入自修复机制，如自修复化学键或自修复微胶囊等，实现材料的自动修复，延长橡胶材料的使用寿命，减少资源消耗。

温敏橡胶材料：动态交联橡胶材料还可以是温敏的，即在特定温度范围内实现交联或解交联[5]。这种材料可以根据温度的变化调节材料的力学性能和形状，具有形状记忆效应和可调控性，可应用于智能材料和可调控器件。

可回收性橡胶材料：动态交联橡胶材料可以在特定条件下进行解交联，使材料可以回收和再利用[6]。这种特性可以降低废弃物的产生，减少对原始橡胶资源的需求，并提高橡胶材料的可持续性。

高性能橡胶材料的可持续改性：动态交联技术可以改善橡胶材料的性能，如提升强度、耐磨性和耐化学性[7]。这使得橡胶材料在工程和工业应用中具有更广泛的应用前景，并为可持续发展提供高性能解决方案。

以上示范和讨论只是可持续改性的动态交联橡胶材料领域的一部分，实际上，动态交联橡胶材料的研究和应用在汽车工业、电子行业、医疗器械等领域具有广泛的应用潜力。随着技术的不断创新和发展，我们期待看到更多可持续改性的动态交联橡胶材料的发展和应用。以上的示范案例中，均需按照以下思路进行课程引入。

①材料选择和设计：在可持续改性高分子材料的生物循环中，选择可再生资源作为材料的起始原料是至关重要的。例如，生物基聚合物（如生物可降解聚合物）可以从可再生资源如植物、纤维素或淀粉中获得。此外，设计材料时应考虑其在生物系统中的可降解性和可利用性，以确保材料在环境中能够迅速分解并被生物吸收。

②生物降解性和分解性测试：为了验证可持续改性高分子材料的生物降解性和可分解性，需要进行一系列的测试和评估。这些测试包括在模拟的环境条件下测定材料的降解速率、测定生物体内材料的分解和代谢产物、评估材料对生物系统的毒性等。

③循环利用和再生：可持续改性高分子材料生物循环的关键目标是实现材料的循环利用。可以通过多种方式实现，例如，回收和再生材料、将材料转化为其他有用的产物、通过生物降解将材料还原为其原始组成成分等。这样的循环利用过程有助于减少对原始材料的需求和废弃物的产生，从而实现更可持续的材料生产。

④环境影响评估：在进行可持续改性高分子材料的生物循环时，应进行全面的环境影响评估。这包括评估材料的生命周期，从原料采集、制造、使用阶段到最终处置的影响。通过评估材料在不同环节的环境影响，可以确定改进和优化的方向，以减少对环境的负面影响。

通过在可持续改性高分子材料的生物循环中采取上述措施，可以实现更可持续的材料生产和使用，减少资源消耗和环境污染，促进循环经济的发展。这对于解决目前的可持续发展挑战具有重要意义，并有助于推动绿色高分子科学融入《高分子材料改性》课程的教学创新和技术进步。

4.结论

可持续高分子科学教育在《高分子材料改性》课程中的未来发展方向将注重绿色化学、循环经济、可持续能源应用、多学科融合和实践创新能力培养。这些方向的发展将帮助学生培养可持续发展意识和技能，使他们能够在高分子材料领域中做出贡献，推动构建可持续社会。通过教育的引导和培养，我们期待未来的科学家和工程师能够更好地应对环境挑战，推动高分子材料的可持续发展和应用。