从第二次世界大战期间及战后初期起,聚合物(长链合成分子,“塑料”是对它们常见但不准确的称呼)的商业产业迅速发展。2015年,全球生产的聚合物(不包括纤维)超过3.2亿吨,遍及全球制造。
直到过去五年,聚合物产品设计师通常都不会考虑产品初始使用寿命结束后会发生什么。这种情况正开始改变,未来几年这一问题需要得到越来越多的关注。
塑料产业
“塑料”已成为描述聚合物的一种不太准确的说法。这些长链分子通常源自石油或天然气,每条链上有数百至数千个连接单元。长链赋予材料重要的物理特性,例如强度和韧性,而短分子无法与之相比。
“塑料”实际上是“热塑性塑料”的简称,这一术语指可通过加热成型并重新塑形的聚合物材料。
现代聚合物产业实际上由杜邦公司的华莱士·卡罗瑟斯于20世纪30年代创立。他在聚酰胺方面孜孜不倦的研究促成了尼龙的商业化;战时丝绸短缺迫使女性另寻制作丝袜的材料。
第二次世界大战期间,其他材料变得短缺,研究人员于是转向合成聚合物来填补缺口。例如,天然橡胶的供应因日本征服东南亚而中断,汽车轮胎因此改用合成聚合物替代品。
由好奇心驱动的化学突破促成了合成聚合物的进一步发展,包括如今广泛使用的聚丙烯和高密度聚乙烯。一些聚合物(如特氟龙)则是偶然发现的。
最终,需求、科学进步和机缘巧合共同促成了种类齐全的聚合物,也就是如今我们熟知的“塑料”。由于人们希望减轻产品重量,并以低成本材料替代纤维素或棉花等天然材料,这些聚合物很快实现了商业化。
塑料的种类
全球合成聚合物的生产以聚烯烃为主,即聚乙烯和聚丙烯。
聚乙烯有两种:“高密度”和“低密度”。在分子尺度上,高密度聚乙烯看起来像一把梳子,短齿间距均匀。相比之下,低密度聚乙烯则像一把梳子,齿的间距不规则、长度各异;从高处俯瞰,它有点像一条河流及其支流。尽管二者都是聚乙烯,但形状上的差异使它们在模制成薄膜或其他产品时表现不同。
聚烯烃占主导地位有几个原因。首先,可以用相对廉价的天然气生产。其次,它们是大规模生产的合成聚合物中最轻的,密度极低,甚至可以漂浮。第三,聚烯烃能抵抗水、空气、油脂和清洁溶剂造成的损害,而这些都是聚烯烃在使用中可能接触到的物质。最后,它们易于加工成各种产品,同时又足够坚固,因此用它们制成的包装即使在烈日下的配送卡车里放上一整天也不会变形。
然而,这些材料也有严重缺点。它们的降解速度极慢,这意味着聚烯烃会在环境中存留数十年乃至数百年。与此同时,波浪和风会不断对其进行机械磨蚀,产生可能被鱼类和动物吞食的微粒,并沿着食物链向上进入我们的身体。
由于收集和清洗方面的问题,聚烯烃回收并不像人们希望的那样简单。再加工时,氧气和热会损坏分子链,食物和其他物质也会污染聚烯烃。化学领域持续进步,催生了强度和耐久性更高的新型聚烯烃,但它们在回收时不一定能与其他等级的材料混合。此外,聚烯烃常与其他材料组合制成多层包装;这类多层结构虽然性能良好,却无法回收。
聚合物有时因使用日益稀缺的石油和天然气生产而受到批评。然而,用于生产聚合物的天然气或石油比例非常低;每年开采的石油或天然气中,用于生产塑料的不到5%。此外,乙烯还可以由甘蔗乙醇生产,巴西Braskem公司就在商业生产中采用了这种方式。
塑料的用途
因地区而异,包装消耗合成聚合物总产量的35%至45%,其中聚烯烃占主导地位。作为一种聚酯,聚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。
建筑业消耗了聚合物总产量的另外20%,其中以PVC管材及其化学近亲为主。PVC管重量轻,可以用胶粘接,无需钎焊或焊接,而且能很好地抵抗水中氯的损害。不幸的是,赋予PVC这一优势的氯原子也使其极难回收——大多数PVC制品在使用寿命结束后都会被丢弃。
聚氨酯是一个由多种相关聚合物组成的大家族,广泛用于住宅和家电的泡沫保温材料,也用于建筑涂料。
汽车行业越来越多地使用热塑性塑料,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的16%由塑料部件构成,其中以内饰零件和部件最为常见。
每年超过7000万吨热塑性塑料用于纺织品,主要是服装和地毯。合成纤维中有超过90%在亚洲生产,其中大部分是聚对苯二甲酸乙二醇酯。服装中合成纤维使用量的增长挤占了棉花和羊毛等天然纤维的份额;生产天然纤维需要大量农田。由于人们青睐弹性、吸湿排汗和透气等特殊性能,合成纤维产业在服装和地毯领域迅速发展。
与包装一样,纺织品通常不会被回收。美国公民平均每年产生超过90磅纺织品废弃物。据绿色和平组织称,2016年普通人每年购买的衣物比15年前多60%,而且衣物留在手中的时间更短。


