每年生产数百万吨塑料制品, 图片来源: Bert Kaufmann / Wikimedia, CC BY
从第二次世界大战期间以及之后的早期, 聚合物的商业产业—长链合成分子— '塑料' 是一种常见的误称—已经迅速增长. 2015年, 全球生产了不包括纤维在内的聚合物超过3.2亿吨.
在过去的五年中, 聚合物产品的设计者最初通常没有考虑到产品的使用寿命结束后会发生什么. 但这种情况正开始发生变化, 将在未来几年内得到更多的关注.
塑料工业
'塑料' 已经成为一种被误导的描述聚合物的方式. 它们通常事来自石油或天然气的长链分子, 每条链中具有成百上千个链接. 长链传达了短分子根本无法匹配的重要物理性质, 例如强度和韧性.
'塑料' 实际上是 '热塑性塑料' 的缩写形式, 这一术语描述了可以使用热塑造和重塑的聚合物材料.
现代聚合物工业实际上是 由华莱士卡罗斯在20世纪30年代创立的 . 他对聚酰胺的艰苦研究从而使尼龙的商业化, 因为战时的丝绸短缺迫使女性寻找其他材料来制作长筒袜.
当其他材料在第二次世界大战期间变得稀缺时, 研究人员寻找人工合成聚合物来填补缺口. 例如, 日本对东南亚的征服切断了汽车轮胎用天然橡胶的供应, 导致了一种合成聚合物代替品出现.
CC-BY-ND资料来源: Plastics Europe
在化学领域的突破推动合成聚合物的进一步发展, 包括现在广泛使用的聚丙烯和高密度聚乙烯. 有一些聚合物是偶然发现的, 如特氟龙.
最终, 需求, 科学进步和意外发现的结合形成了一整套聚合物制品, 你现在可以很容易地将其识别为 '塑料' . 由于人们希望减少产品的重量, 并为纤维素或棉花等天然材料提供廉价的替代品, 这些聚合物很快就被商业化.
塑料类型
全球生产的合成聚合物主要是 聚烯烃 - 聚乙烯和聚丙烯.
聚乙烯有两种类型: '高密度' 和 '低密度' . 在分子的尺度上, 高密度聚乙烯看起来就像一个有规律间隔短牙齿的梳子. 与之不同的是, 低密度的版本看起来就像一个有着不规则间隔的长牙梳子;如果从高处看的话, 有点像河流和它的支流. 虽然它们都是聚乙烯, 但形状上的差异使这些材料在被塑造成薄膜或其他产品时有不同的表现.
CC-BY-ND来源: 科学进展(2017)
聚烯烃的优势有几个原因. 首先, 它们可以使用相对便宜的天然气生产. 其次, 它们是大规模生产的最轻的合成聚合物; 它们的密度如此之低, 以至于可以漂浮起来. 第三, 聚烯烃可以抵抗水, 空气, 油脂, 清洁剂的破坏—这些聚合物在使用时可能会遇到的所有问题. 最后, 它们很容易被塑造成产品, 同时又足够坚固, 由它们制成的包装箱不会在整天暴露在阳光下的运输卡车里变形.
然而, 这些材料有严重的缺点. 它们的降解速度非常缓慢, 这意味着聚烯烃在自然环境中存在几十年到几个世纪. 与此同时, 波浪和风蚀作用机械地磨损它们, 产生出了可以被鱼类和动物吞食的微粒子, 这些微粒沿着食物链向我们移动.
由于收集和清洗问题, 回收聚烯烃并不像人们希望的那样简单. 在再处理过程中, 氧气和热量会导致长链损坏, 而食物和其他物质会污染聚烯烃. 化学的持续进步创造了新等级的聚烯烃, 增强了强度和耐用性, 但在回收过程中, 它们不能总是与其他等级混合在一起. 更重要的是, 聚烯烃通常与多层结构包装中的其他材料结合在一起;尽管这些多层结构运行良好, 但它们是无法回收利用.
由石油和天然气日益缺少, 聚合物的生产一直被诟病. 然而, 用于生产聚合物的天然气或石油的比例非常低;每年生产的石 油或天然气中, 只有不到5%用于生产塑料. 此外, 乙烯可以从甘蔗乙醇中提炼出来, 就像巴西的Braskem在商业上做的那样.
CC-BY-ND资料来源: 英国塑料联合会
如何使用塑料
根据功能不同, 包 装消耗的聚合物总共占合成聚合物总量的35% 至45% . 聚酯对苯二甲酸乙二醇酯在饮料瓶和纺织纤维市场占据主导地位.
房屋和土木建筑消耗了生产聚合物总量的20% , 其中PVC管占主导地位 . PVC管重量轻, 可以胶合而不用锡焊或钎焊, 并且极大地抵抗氯在水中的破坏作用. 但不幸的是, 给PVC带来这种优势的氯原子使回收变得非常困难—大多数在使用寿命结束时被丢弃.
聚氨酯是一整套相关的聚合物族群, 广泛用于家庭和电器的泡沫保温绝缘材料以及建筑涂料.
汽车行业使用越来越多的热塑性塑料, 主要是为了减轻重量, 从而达到更高的燃油效率标准. 欧盟估计, 普通汽车重量中的16% 是塑料部件, 最重要的是内饰部件和组件.
CC-BY-ND来源: 科学进展(2017)
每年有7000多万吨热塑性塑料用于纺织品, 主要是服装和地毯 . 超过九成的合成纤维(主要是聚对苯二酸酯)是在亚洲生产的. 在服装中合成纤维的增长是以牺牲棉花和羊毛等天然纤维为代价的, 这些纤维需要生产大量的农田. 由于对诸如拉伸, 吸湿排汗和透气性等特殊性能的要求, 合成纤维行业的服装和地毯都出现了大幅增长.
与包装品一样, 纺织品通常不再回收. 普通美国公民每年产生超过90磅的纺织废料. 根据绿色和平组织的数据, 2016年的平均每人每年购买的衣服比15年前的普通人多出60%, 而且衣服的保存时间也更短.