每年生產數百萬噸塑料製品, 圖片來源: Bert Kaufmann / Wikimedia, CC BY
從第二次世界大戰期間以及之後的早期, 聚合物的商業產業—長鏈合成分子— '塑料' 是一種常見的誤稱—已經迅速增長. 2015年, 全球生產了不包括纖維在內的聚合物超過3.2億噸.
在過去的五年中, 聚合物產品的設計者最初通常沒有考慮到產品的使用壽命結束後會發生什麼. 但這種情況正開始發生變化, 將在未來幾年內得到更多的關注.
塑料工業
'塑料' 已經成為一種被誤導的描述聚合物的方式. 它們通常事來自石油或天然氣的長鏈分子, 每條鏈中具有成百上千個連結. 長鏈傳達了短分子根本無法匹配的重要物理性質, 例如強度和韌性.
'塑料' 實際上是 '熱塑性塑料' 的縮寫形式, 這一術語描述了可以使用熱塑造和重塑的聚合物材料.
現代聚合物工業實際上是 由華萊士卡羅斯在20世紀30年代創立的 . 他對聚醯胺的艱苦研究從而使尼龍的商業化, 因為戰時的絲綢短缺迫使女性尋找其他材料來製作長筒襪.
當其他材料在第二次世界大戰期間變得稀缺時, 研究人員尋找人工合成聚合物來填補缺口. 例如, 日本對東南亞的征服切斷了汽車輪胎用天然橡膠的供應, 導致了一種合成聚合物代替品出現.
CC-BY-ND資料來源: Plastics Europe
在化學領域的突破推動合成聚合物的進一步發展, 包括現在廣泛使用的聚丙烯和高密度聚乙烯. 有一些聚合物是偶然發現的, 如特氟龍.
最終, 需求, 科學進步和意外發現的結合形成了一整套聚合物製品, 你現在可以很容易地將其識別為 '塑料' . 由於人們希望減少產品的重量, 並為纖維素或棉花等天然材料提供廉價的替代品, 這些聚合物很快就被商業化.
塑料類型
全球生產的合成聚合物主要是 聚烯烴 - 聚乙烯和聚丙烯.
聚乙烯有兩種類型: '高密度' 和 '低密度' . 在分子的尺度上, 高密度聚乙烯看起來就像一個有規律間隔短牙齒的梳子. 與之不同的是, 低密度的版本看起來就像一個有著不規則間隔的長牙梳子;如果從高處看的話, 有點像河流和它的支流. 雖然它們都是聚乙烯, 但形狀上的差異使這些材料在被塑造成薄膜或其他產品時有不同的表現.
CC-BY-ND來源: 科學進展(2017)
聚烯烴的優勢有幾個原因. 首先, 它們可以使用相對便宜的天然氣生產. 其次, 它們是大規模生產的最輕的合成聚合物; 它們的密度如此之低, 以至於可以漂浮起來. 第三, 聚烯烴可以抵抗水, 空氣, 油脂, 清潔劑的破壞—這些聚合物在使用時可能會遇到的所有問題. 最後, 它們很容易被塑造成產品, 同時又足夠堅固, 由它們製成的包裝箱不會在整天暴露在陽光下的運輸卡車裡變形.
然而, 這些材料有嚴重的缺點. 它們的降解速度非常緩慢, 這意味著聚烯烴在自然環境中存在幾十年到幾個世紀. 與此同時, 波浪和風蝕作用機械地磨損它們, 產生出了可以被魚類和動物吞食的微粒子, 這些微粒沿著食物鏈向我們移動.
由於收集和清洗問題, 回收聚烯烴並不像人們希望的那樣簡單. 在再處理過程中, 氧氣和熱量會導致長鏈損壞, 而食物和其他物質會汙染聚烯烴. 化學的持續進步創造了新等級的聚烯烴, 增強了強度和耐用性, 但在回收過程中, 它們不能總是與其他等級混合在一起. 更重要的是, 聚烯烴通常與多層結構包裝中的其他材料結合在一起;儘管這些多層結構運行良好, 但它們是無法回收利用.
由石油和天然氣日益缺少, 聚合物的生產一直被詬病. 然而, 用於生產聚合物的天然氣或石油的比例非常低;每年生產的石 油或天然氣中, 只有不到5%用於生產塑料. 此外, 乙烯可以從甘蔗乙醇中提煉出來, 就像巴西的Braskem在商業上做的那樣.
CC-BY-ND資料來源: 英國塑料聯合會
如何使用塑料
根據功能不同, 包 裝消耗的聚合物總共占合成聚合物總量的35% 至45% . 聚酯對苯二甲酸乙二醇酯在飲料瓶和紡織纖維市場佔據主導地位.
房屋和土木建築消耗了生產聚合物總量的20% , 其中PVC管佔主導地位 . PVC管重量輕, 可以膠合而不用錫焊或釺焊, 並且極大地抵抗氯在水中的破壞作用. 但不幸的是, 給PVC帶來這種優勢的氯原子使回收變得非常困難—大多數在使用壽命結束時被丟棄.
聚氨酯是一整套相關的聚合物族群, 廣泛用於家庭和電器的泡沫保溫絕緣材料以及建築塗料.
汽車行業使用越來越多的熱塑性塑料, 主要是為了減輕重量, 從而達到更高的燃油效率標準. 歐盟估計, 普通汽車重量中的16% 是塑料部件, 最重要的是內飾部件和組件.
CC-BY-ND來源: 科學進展(2017)
每年有7000多萬噸熱塑性塑料用於紡織品, 主要是服裝和地毯 . 超過九成的合成纖維(主要是聚對苯二酸酯)是在亞洲生產的. 在服裝中合成纖維的增長是以犧牲棉花和羊毛等天然纖維為代價的, 這些纖維需要生產大量的農田. 由於對諸如拉伸, 吸濕排汗和透氣性等特殊性能的要求, 合成纖維行業的服裝和地毯都出現了大幅增長.
與包裝品一樣, 紡織品通常不再回收. 普通美國公民每年產生超過90磅的紡織廢料. 根據綠色和平組織的數據, 2016年的平均每人每年購買的衣服比15年前的普通人多出60%, 而且衣服的保存時間也更短.