非金属材料论文.doc

塑料对人类的影响及发展趋势 作者 荣建峰 指导老师邱兵 摘要本文基于对塑料优缺点和塑料在众多领域被广泛应用的现状的分析，对塑料在未来的发展趋势做出了判断，并对几个大的发展方向做了扼要的介绍。指出未来塑料的发展应该朝着环保、各种特殊功能、容易降解、易于回收利用的方向。 关键词塑料 发展趋势 回收利用 降解塑料 改性塑料 随着人类生活的发展和社会的进步，由于传统的金属材料存在比重大，耐腐蚀性差，制造工艺复杂等缺点，而且是不可再生资源，加之社会各个领域进一步发展对各种特殊功能材料的需求的越来越明显，这就促进了非金属材料在各个领域的广泛应用。 非金属材料由最初人类祖先使用天然棉、麻、丝，发展到了如今人工合成材料的广泛生产应用。而真正高分子合成材料的发展，自1909年L.H.贝克兰德在实验室中首次采用化学方法合成酚醛树脂至今，前后才不过一百年，但其发展速度之快，发展势头之迅猛非传统金属材料可及。 塑料作为最常用的非金属材料，在人们的日常生活中随处可见。 在农业渔业方面，农业中的地膜、大棚膜、化肥袋等；渔业中的渔网、浮球等。 在机械制造方面，小模数齿轮、泵叶轮、风扇叶片、阀座、衬套、轴承等等。 在石油化工方面，运输罐、运输桶、石油化工流体设备系统中的泵、阀门、管道、管路配件、储槽和热交换器等等。 在电子电器方面，电视机的回扫变压器、办公设备壳体和底座、空调机风扇、电子炉灶底座、办公设备壳件。 在军事航天方面，一些特殊材料，如高强纤维防弹衣，特种防火材料，高强度透明材料，飞机座舱玻璃，聚碳酸酯制飞机座舱盖，弹性材料，隐身材料等。 在食品加工方面，食品加工业中的周转箱、各种食品包装等。 在纺织服装方面，纺织工业中的容器、人造纤维丝等。 在仪器仪表方面，各种仪器元件，几何面复杂的仪表精密件，有机玻璃制造光学仪器等等。 在汽车制造方面，汽车内中电器元件，内装饰，以及一些汽车配件。如汽车外装部件、汽车分电盘和点火线圈等等。 在医疗卫生方面，各种人造器官，医用手套，各种药瓶、各种医疗器械医疗器材等等。 在体育竞技方面，各种体育用具，服装，等等。 在日常生活方面，生活中的各种塑料制品，如手提袋、饮料瓶、鞋底、玩具、电线外皮、灯具、水杯、盆、桶、文具、食品容器、家电外壳、电气配件等；建筑行业中的建材、管材等。 由此可以看出，塑料可以说是应用于各行各业，方方面面。离开塑料，也就谈不上社会进步，人类发展了。那么塑料这么多的领域里都被广泛应用。那么塑料它有何特点呢 塑料的优点 1、大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。 2、塑料制造成本低。 3、质轻，比强度高，耐冲击。 4、成型加工容易，比较容易着色，能被制成不同形状，生产率高。 5、是良好的绝缘体。 6、耐磨性、透光性、自润滑性良好。 7、具有好的消声性和减震性。 塑料的缺点 1、塑料的机械强度、硬度较低。 2、大多数的塑料耐热性、导热性比较差，胀缩变形大。 3、在日光、大气和热的作用下易发生老化，易燃烧。 4、回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算。 5、塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。 6、塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。 由上我们不难看出塑料的一个致命的缺点就是污染严重，回收再利用比较困难。特别是一些生活垃圾，医疗垃圾，就目前中国的塑料垃圾处理能力而言有相当大的问题。生活中随处可见各种塑料袋，这些塑料袋，自然降解的周期非常长，而人工降解又有非常大的技术问题，塑料降解的速度远远比不上塑料垃圾生成速度，这就造成了塑料垃圾的大量囤积，从而造成了广为人知白色污染。 通过上述分析，塑料在各个领域的广泛应用使我们获益良多，但同时带来日趋严重的环境污染问题同样让我们刻不容缓。因此塑料面临着全面得改革，这是由社会进一步健康可持续发展客观要求的。 塑料回收利用 废旧塑料通常以填埋或焚烧的方式处理。焚烧会产生大量有毒气体造成二次污染。填埋会占用较大空间；塑料自然降解需要百年以上；塑料析出添加剂污染土壤和地下水等。因此，合理高效回收利用塑料是未来一个重要发展方向，但目前废塑料的回收和再生利用率低。究其原因，有管理、政策、回收环节方面的问题，但更重要的是回收利用技术还不够完善。 塑料的回收首先应对塑料进行分类筛选。由于不同树脂的熔点、软化点相差较大，为使废塑料得到更好的再生利用，最好分类处理单一品种的树脂，因此分离筛选是废旧塑料回收的重要环节。塑料的分离分选可是采用仪器识别与分离技术、水力旋分技术、选择性溶解法、浮选分离法、电分离技术等 。 塑料的熔融再生技术。熔融再生是将废旧塑料加热熔融后重新塑化。目前主要针对一些树脂厂和塑料制品厂的边角废料等。由于熔融再生塑料时杂质多、品种复杂、形态多样、有脏污，因此再生加工程序比较繁杂，分离技术和筛选工作量大。再生塑料性质不稳定，易变脆，常被用来制备较低档次的产品。 塑料的裂解回收技术。热裂解和催化裂解一般不产生二次污染，但技术要求高，成本也较高。超临界油化法裂解，成本低廉，可避免热解时发生炭化现象，反应在密闭系统中进行，不会给环境带来新的污染，反应快速，生产效率高。气化裂解，能将垃圾混合处理，无需分离塑料，但操作需要高于热分解法的高温。此外还可采用氢化裂解技术等。 目前国内外还有其他形式的废旧塑料利用技术。比如采用黄砂、石子、液态PET和固化剂为原料制成混凝土；利用废旧塑料与木料、纸张等制备中孔活性炭；还可将某一种或几种塑料按一定比例均匀溶于沥青中，使沥青的路用性能得到改善，从而提高沥青路面质量，延长路面寿命。 复合塑料 复合塑料料是含两种或两种以上物理性质不同并可用机械方法分离的多相材料（区别与混合物和合金）。可人为控制将一种材料分布到其它材料中，以达最佳性能。其性能优于单独组分材料，并具独特性能。 复合塑料的这种扬长避短的作用被称为复合效应。人们利用复合效应可自由选择复合材料组成物质，人为设计各种新型复合材料，把材料科学推进到了一个新阶段。 可降解塑料 可降解塑料的出现是为了解决塑料废弃物造成的白色污染。可降解塑料是利用植物的秸秆等制成的对人体和环境友好的物品,废弃后,在生物环境的作用下,可以自行分解,无论对人还是环境都无害,属于绿色包装. 可降解塑料按其降解机理主要分为光降解塑料、生物降解塑料和光/生物双降解塑料。光降解技术是利用在烯烃聚合物主链上引入光敏基团或者添加有光敏作用的化学助剂以利于塑料降解。 生物降解塑料是指在自然环境下通过微生物的生命活动来加快高分子材料的降解。按其降解特性可分为完全生物降解塑料和生物破坏性塑料。近年来，各个国家以完全生物降解塑料的研发最为活跃，降解产品主要是完全生物降解塑料，这将是今后中长期的产业发展方向。 兼具光、生物双降解功能的光/生物降解塑料是目前主要的开发方向之一。通过在高分子材料中添加光敏剂、自动氧化剂、抗氧剂和作为微生物培养基的生物降解助剂等方式来实现。光/生物降解塑料可分为淀粉型和非淀粉型两种，目前采用淀粉作为生物降解助剂的技术比较普遍。 改性塑料 所谓“塑料改性”是指通过在塑料树脂中添加一种或多种其它物质，来达到改变其原有性能、改善一方面或多方面性能，从而达到拓展其适用范围之目的的方法。经过改性的塑料材料统称“改性塑料”。 增强，通过加入玻璃纤维、碳纤维、云母粉等纤维状或片状填料来达到增加材料刚性及强度的目的，如电动工具中使用的玻璃纤维增强尼龙等。 增韧，通过在塑料中加入橡胶、热塑性弹性体等其它物质来达到提高其韧性/冲击强度的目的，如汽车、家电中常用的增韧聚丙烯等。 共混，将两种或多种不完全相容的聚合物材料均匀地混合成宏观相容、微观分相的混合物，以满足对物理机械性能、光学性能、加工性能等方面的某些要求的方法。 合金，与共混相似，但组分间相容性好，容易形成均相体系，并且可获得单一组分所无法达到的某些性能，如PC/ABS合金，或PS改性PPO等。 阻燃，给普通塑料树脂里面加阻燃剂,即可使塑料具有阻燃特性.一般阻燃剂有溴锑系,P系,N系 抗细菌感染医用材料的研究开发/任 玲等 81 抗细菌感染医用材料的研究开发* 任 玲1, 2, 南 黎1, 杨 柯1 1 中国科学院金属研究所, 沈阳110016; 2 中国科学院研究生院, 北京100049 摘要 概述了生物医用材料在临床应用中引发的细菌感染问题, 介绍了与其相关的细菌生物膜感染机制, 提出了抗细菌感染医用材料的概念, 分析了各类抗细菌感染医用材料目前的开发思路、研究进展和特点, 包括抗感染医用金属材料、抗感染医用高分子材料和抗感染医用陶瓷材料等。最后, 展望了抗细菌感染医用材料的未来发展及临床应用前景。 关键词 生物医用材料 细菌感染 细菌生物膜 抗感染 填充，通过在塑料中加入填料来达到改善物理机械性能或降低成本的目的。 其它改性，如利用导电性填料来降低塑料的电阻率；添加抗氧化剂/光稳定剂来改善材料的耐候性；加入颜料/染料来改变材料的颜色、加入内/外润滑剂使材料的加工性能得到改善、使用成核剂改变半结晶性塑料的结晶特性来改善其机械性能及光学性能等等。此外 及超声等方法破坏生物膜的形成。 但是这些方法都不能从根本上解决生物医用材料引发的感染问题, 或者说还不能有效地解决问题。因此还迫切需要研究开发自身具有抗感染功能的新型生物医用材料, 从而达到抑制细菌生物膜形成、消除或减少细菌感染性疾病发生的目的。 具有抗感染功能的新型生物医用材料的研究开发思路就是在现有生物医用材料中加入抗菌成分, 或通过表面抗菌改性等方式, 使材料表面难以生成细菌生物膜, 从而在根本上防止细菌感染的发生。随着生物医用材料的不断发展, 目前已经出现抗细菌感染生物医用材料的相关报道, 因此这类新型生物医用材料有望成为今后的一个研究发展热点。 3 抗细菌感染医用材料 图1 骨科植入器械相关感染中常见细菌比例 Fig. 1 Frequ ency of main pathogenic spec ies among orthoped ic clinic al isolates of implant associated infe ctions [5] [5] 结语高分子材料发展至今100年来，塑料在生活的应用发生了翻天覆地的变化。塑料的品种越来越繁多，并且还以相当的速度在增长，塑料的功能越来越全面，并朝着功能多样化逐渐发展。各种特殊功能的塑料也都应运社会发展要求而生。 医用金属材料具有高的力学强度和抗疲劳性能, 广泛应用于临床医疗中, 主要包括不锈钢、钛及钛合金、钴基合金等几大类型。赋予医用金属材料抗细菌感染功能, 使其成为功能/结构一体化的新型生物医用材料, 是未来医用金属材料发展的一个研究热点。 [14] 沙门氏菌等常见细菌都有很强的杀灭作用。国内, 中科院金属研究所在21世纪初已相继开发出铁素体、奥氏体和马氏体3种类型含C u 抗菌不锈钢[15,16], 它们不仅具有强烈的广谱抗菌性见表1 , 而且力学性能和耐蚀性能均与普通不2 抗细菌感染的主要方法 21 抗细菌感染医用材料的研究开发/任 玲等 太钢、西安交大等多家单位研究开发出抗菌不锈钢。最近北京大学等单位还在研究开发具有临床应用背景的抗菌钛合金。 表1 奥氏体和铁素体抗菌不锈钢的抗菌谱[17] T able 1 Ant ibact erial spectrum of aust enit e and 气单孢菌鼠伤寒沙门氏菌 杀菌率/奥氏体抗铁素体抗菌不锈钢菌不锈钢99. 999. 999. 999. 984. 683. 586. 799. 999. 794. 699. 999. 991. 199. 892. 5 99. 999. 985. 970. 196. 299. 999. 999. 998. 298. 970. 499. 188. 2 83 进行表面改性, 如在表面涂覆抗生素、渗A g 或镀A g 等方法, 在材料表面引入杀菌物质以抑制细菌的黏附、生长及细菌生物膜的形成[21]。 李焕新等[22]以医用级低密度聚乙烯LDPE 为基材, 通过添加具有广谱高效和低毒副作用的有机抗菌剂三氯沙T riclosan , 使材料具有抑菌和杀菌作用, 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都有强烈的抗菌效果, 抗菌率达到99. 9,有望达到降低细菌感染的目的。马楠等[23]将载有A g 和Cu 等金属离子的沸石、T iO 2与聚乙烯塑料整合成抗菌塑料, 研究了纳米抗菌塑料颗粒混悬液的抗菌作用。结果表明, 纳米抗菌塑料颗粒混悬液对医院感染常见的14株革兰阳性菌和37株革兰阴性菌的抑菌质量浓度均不高于100m g/L, 即材料对革兰阳性菌、革兰阴性菌以及厌氧菌均有较强的抑制作用。李红梅等在普通聚氯乙烯中添加玻璃基Ag 系抗菌剂Ionpure, 利用挤出机混合并制成抗菌塑料, 其对临床常见致病菌具有较好的广谱抗菌和抑菌作用, 可抑制细菌膜的形成。由其制成具有抗菌作用的医用导管为防治医用导管相关感染提供了新的技术途径。李镇江等[25]利用钛酸醋偶联剂对ZnO/Ag 纳米抗菌剂进行改性处理后, 将其与聚氯乙烯PV C 均匀混合并压片, 制得抗菌PVC 纳米抗菌材料, 其对大肠杆菌的抗菌率达99以上。 然而, 目前研究开发的抗感染生物医用材料一般还都只停留在体外抗菌检测和评价上, 其对植入材料表面细菌生物膜的抑制作用尚需通过动物实验等来进一步观察和研究。 [24] 以上这些抗菌金属材料的共同特点都是通过在金属材料基体中添加适量的抗菌元素从而赋予金属材料抗菌功能。这类抗菌金属材料具有抗菌功能持久、易于加工成型等优点, 但是其在抗细菌感染医疗器械中的应用还属空白。目前, 中科院金属研究所正在研究开发具有抗细菌感染功能的不锈钢医疗器械, 有望在骨科、口腔科等领域的专用医疗器械中得到应用。 邱兵，马永昌 . 机械工程非金属材料 . 西南农业大学工程技术学院 .2004 [2] 汤佩钊.复合材料及其应用技术 13横田毅, 等. A nt imicr obial ferr tic stainless steel co nt aining silver [J].川奇製鉄技報, 1998, 30121 14Suzuki S, N akamura S, M iyakusu K, et al. A ntimicro bial activ ity of Cu co nta ined aust entic st ainless steel[J].CAM P IsIJ, 1999, 123 518 15陈四红, 吕曼祺, 杨柯, 等. 一种纳米析出相铁素体抗菌不锈钢中国, Z L 02144568. 0[P].2005 12 0716陈四红, 吕曼祺, 杨柯, 等. 一种奥氏体抗菌不锈钢中国, 2002144683. 0[P]. 2006 06 28 17南黎. 含铜抗菌不锈钢的抗菌特性和抗菌机理研究[D ].北 京中国科学院研究生院, 2008 [3] ded polo xamine micelles for enhanced topical antibacterial act ivit y ag ainst bio film[J].Eur J P harm Biopharm, 2008, 692 535 22李焕新, 季君晖. 抗感染聚乙烯材料表面生物被膜形成的抑制[J].中国组织工程研究与临床康复, 2009, 2513 487123马楠, 季君晖, 崔德健, 等. 纳米抗菌塑料的抗菌性能测定[J].中国消毒学杂志, 2006, 234 319 24李红梅, 季君晖, 崔德健, 等. 抗菌塑料对其表面菌膜形成的 抑制作用研究[J].中国医院感染学杂志, 2006, 166 61525李镇江, 郭锋, 岑伟, 等. 抗菌PV C 纳米复合材料的制备[J]. 合成树脂及塑料, 2008, 251 2326阮洪江, 刘俊建, 范存义, 等. 载银羟基磷灰石抗菌涂层体外抗菌性能及生物相容性研究[J]. 中国修复重建外科杂志, 2009, 232 226 27束嫘, 丁寅, 曹勇, 等. 纳米陶瓷涂层托槽的研制[J].实用口腔医学杂志, 2005, 212 252 28李箐, 冯希平, 廖运茂. 钛表面载银H A T CP 溶胶凝胶涂层的制备及其抗菌性的研究[J].中国口腔颌面外科杂志, 2008, 62 127 29夏睿, 方诗元, 孔荣, 等. 壳聚糖抗菌生物陶瓷的制备及其体 内外实验研究[J].生物骨科材料与临床研究, 2009, 65 21 参考文献 1 顾其胜, 侯春林, 徐政. 实用生物医用材料学[M ]. 上海上海 科学技术出版社, 20059 2 叶刚, 张伟民, 严庆, 等. 抗感染P V C 材料的研制及应用[J]. 国外塑料, 2007, 253 343 V irk A , Osmon D R. P rosthetic joint infectio n[J].Cur r T r eat Optio ns Infect Dis, 2001, 3287 [4] 唐赛珍.降解塑料的今天和明天.2000