让塑料和我们的生活更相宜

■甘 览 黄 正

塑料是由高分子聚合物加入适当的添加剂后构成的。 从合成方式上区分，有的聚合物是小的片段（单体）直接手拉着手连接在一起的，这些聚合物称之为加聚聚合物；还有的聚合物在手拉手的过程中，会排出水等小分子，这些聚合物称之为缩聚聚合物（见图1）。 当前大部分的塑料都是通过人工合成得到的。

图1 聚合物反应

塑料广泛存在于人们衣食住行所使用的物质中（见图2）。 当你翻开衣服的面料成分表时，你会看到一部分叫作涤纶的材料。涤纶是一种聚酯纤维，又叫PET，学名聚对苯二甲酸乙二醇酯。它是由对苯二甲酸和乙二醇缩聚而来的，由于其具有着非常好的力学性能，被广泛的应用在衣服面料之上。 除此之外，由于其透明度高，常见的矿泉水瓶、饮料瓶都是由PET 组成的。

图2 人类衣食住行所涉及的塑料产品

当你打开手机App 点了一份外卖，热腾腾的饭盒里飘出诱人的香味之时，你可能不会注意到包装食物的饭盒也是一种塑料产品。老式的发泡饭盒就是由聚苯乙烯（PS）组成的。聚苯乙烯易加工成型，适合大量生产，曾是一次性饭盒最重要的原材料。 当前一次性饭盒多用聚丙烯（PP）制造。

当你忙碌了一天的学习和工作，走进小区看到外墙悬挂的一根根排水管道时，你有没有想过其实它们也是由塑料组成的。这种塑料称为聚氯乙烯（PVC），它一度是世界上产量最大的通用塑料，由于具有着非常好的机械性能、介电性能和非常高的抗冲击强度，在很多建筑材料上有着广泛的用途。

当你走出家门，拿起口罩时，没错，你又遇上了塑料，这就是聚丙烯（PP）。 聚丙烯熔喷布是N95 口罩最重要的组成原料，聚丙烯的安全无毒加上熔喷布的过滤能力，在疫情期间，为广大的医疗一线工作者和普通市民提供了安全保障。

另一类常见的高分子材料是聚乙烯塑料。聚乙烯（PE）是全球产量最大的一种塑料，大部分塑料袋、吸管、保鲜膜都是由聚乙烯组成的，农民使用的农用膜和一些医用材料都有聚乙烯的身影。

可见，塑料已经成为国民经济和人们衣食住行中不可缺少的基本物质，被广泛应用于日常生活、交通运输、国防军工等诸多领域。 塑料如此受欢迎，是因为其具有质轻、易加工、耐腐蚀等优点。 目前塑料年产约3.6 亿吨，超过了大多数其他人造材料，而且年产量在不断增长。 在帮助建立现代世界、方便人们生活的同时，塑料的使用也造成了重大的环境和资源问题：绝大多数的塑料源于石化资源且难以自然降解，在人类至今生产的90 亿吨塑料中，约2/3 成为废弃物，不仅造成资源浪费，而且导致碳排放和“白色污染”等全球共性问题（见图3）。

图3 生活中随处可见的塑料垃圾

塑料污染所产生的这些涉及生态、环境、资源等影响社会可持续发展的一系列问题已得到社会高度关注。2019年联合国环境大会将塑料污染称为“需要全球关注的问题”，同年，BP、Exxon Mobil、BASF、中石化等近30家跨国公司组成的“终结塑料垃圾联盟”，致力于开发全新方案解决塑料垃圾问题。 2020年，发改委和生态环境部联合发布了《发改委、生态环境部关于进一步加强塑料污染治理的意见》。 2021年以来，全国各地禁塑令集体升级，超市和大型商场不再使用不可降解塑料袋，连喝饮料的吸管也变成了可降解材料。

与此同时，生物学家和化学家也在自己的领域发挥作用。 在生物科学方面，许多科学家研究着塑料的生物降解过程，发现了能够降解塑料的生物和酶，取得了显著的进展。 而塑料作为化学合成的产物，化学家们也在探索着白色污染的解决方案。

可降解塑料是解决白色污染的一种可行途径。 正如前文所说，当超市和奶茶店不再提供不可降解塑料制成的包装袋和吸管时，一大批可降解塑料占领了人们眼球。 就目前而言，使用最广泛的可降解塑料主要有聚乳酸（PLA）、己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物（PBAT）等。 这类塑料在堆肥的条件下，在数月时间内可以降解成二氧化碳和水（见图4）。

图4 可降解聚合物PLA 和PBAT

可以预期，可降解塑料的产能将不断扩大，然而以三大聚烯烃（PE、PP、PS）为代表的聚烯烃塑料，在性能和成本上仍然具有着相当大的优势。 作为非生物降解的通用塑料，被丢弃后在自然界可以长期存在，构成“白色污染”的主体。 因此，开发高效化学回收技术，将聚烯烃废塑料降解和转化为清洁燃油和单体，甚至重要精细化学品和功能材料已成为亟待解决的挑战性问题。 传统高温裂解方法条件苛刻，易结焦、选择性差，产生了包含气、油、蜡、焦的复杂混合物，产物利用价值低。 最近国内外科学家通过微波等离子体高温碳化技术，在数秒内将不可降解塑料转化为高度石墨化的碳，同时产生氢气和多种含碳气体。 上海有机所的黄正团队另辟蹊径，通过“交叉烷烃复分解”方法，实现了在相对温和的条件下（175℃）聚乙烯的可控降解。 首先聚乙烯和碳链较短的轻质烷烃在烷烃脱氢催化剂的作用下变成烯烃， 其在烯烃复分解催化剂作用下发生一个类似交换舞伴的过程进行重组，随后生产的烯烃又被催化剂氢化生成烷烃。 在整个过程中，大分子量的聚乙烯和小分子量的轻质烷烃的分子量发生了平均化，聚乙烯的分子量变小而轻质烷烃分子量变大，随着这个过程的不断循环，聚乙烯最终得以降解为液态燃油或者聚乙烯蜡的组分（见图5、图6）。 虽然该方法效率还有待提升，但是其在降解产物的选择性控制，以及产物后续利用上具有一定的特点。 不失为在塑料可控降解中的一种值得继续探索的方法和路径。

图5 通过烷烃复分解的聚乙烯降解过程

图6 交换舞伴式的烯烃复分解过程

塑料作为二十世纪最伟大的发明之一，为人类的生活带来了极大的便利。 塑料对于建立一个更具可持续发展的未来社会具有至关重要的作用，例如，塑料被广泛用于家庭隔热，减少了能源消耗；相比较于传统油气车，电动汽车可以使用更多的轻质塑料来替代金属部件；塑料是水净化系统中必不可少的活性层；无人机、机器人、个性化医疗和诊断等未来技术领域都依赖于更好的塑料材料的开发。 无疑， 塑料的使用造成了重大的环境挑战。 但是人们必须意识到塑料本身并不是问题，真正的问题在于使用它的方法和人们对待它的态度。 人们需要减少一次性塑料的使用，需要提高塑料制品使用的次数，需要健全塑料的分类、回收再利用机制。 只有这样，才可以让塑料更好地为人类生活服务。

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