本站原创摘 要：近年来生态环境材料以其良好的使用性能和环境相容性受到社会的关注,文章针对生态环境材料,从定义、特点、分类等方面对其相关的知识进行简要综述,并就目前的生态环境建筑材料和未来的发展趋势做了若干说明.综合来讲,生态环境材料是极具有发展前景的.
关 键 词：生态环境材料；资源；生态建材；环境协调；发展前景
前言
自20世纪后期,地球的整体环境在不断恶化,自然资源日益枯竭,人类的生存与发展受到严重威胁,“资源节约”与“环境协调”的概念日趋凸显.而材料作为社会经济发展的物质基础,在推动人类社会的进步方面起到了不可估量的作用.如何获得最大限度的资源效益、经济效益、环境效益,生态环境材料（Eaterial）是世界各国在认识到当今环境恶化问题严重威胁的情况下,顺应时代要求提出来的,具有深远的战略意义和发展前景.
1生态环境材料的概念及特点
1.1生态环境材料的概念
Eaterial――这一名词最初是由日本山本良一[1]教授于1992年提出的,后来在材料领域逐渐演变,最终以“生态环境材料”为人们所广泛接受,然而对其的具体定义并未达成统一共识.通常认为,生态环境材料是一种功能特殊的材料,可以与环境相协调.它从原料的提取到产品的加工与使用,以及过程中废弃物的处理,都充分考虑到了环境、生态、资料等多方面因素.广义上说,生态环境材料不仅包括这种环境、生态多方面协调的新材料,也包括对传统的结构材料或功能材料进行生态化改造,在环境协调性评价,或者称为材料生命周期评价（LifeCycleAssesent,LCA）的基础上,通过不断调整、改造和完善材料的制造工艺,逐步实现传统材料向生态环境材料的转化.
1.2生态环境材料的特点
生态环境材料不但具有优秀的使用性能,还兼有良好的环境协凋性,在具有先进性及舒适性的同时又能改善环境.所谓的环境协调性是指材料在开采生产过程中消耗的能源和资源较少,循环使用和可再生利用率较高,并且对环境污染较小；先进性则是指能够为人类开拓更广阔的活动范围和环境,舒适性即使人类的居住生活环境更加美好、设施更为便利.概括来讲,这种绿色制造工艺在整个生产过程中产生的废物量很少,对环境造成的毒副作用很小,负荷很低,是科技发展与经济效益结合的生产工艺（见图1）.因此,生态环境材料是材料产业发展的方向,是人们与自然和谐发展过程中总结出的经验与理性选择,相关领域的研究进展将有助于解决环境恶化、能源过度消耗以及资源短缺等一系列问题,促进低碳经济、循环经济、社会经济的可持续发展.
2生态环境材料的分类
生态环境材料有多种分类方式,按照其制造生产的生态化程度可划分为四种类型：一是可循环利用材料,例如循环利用复合材料、循环利用合金、低杂质合金等；二是绿色过程环境材料,这类材料采用生产过程绿色化,原料使用可再生资源或者再利用废弃物；三是高资源利用率材料,如生命周期评价设计材料、精益结构设计材料、低损耗材料、导向应用材料等；四是原料无害化材料,如无汞材料、无镉材料、无铬材料、无铅材料等.
如果从材料的功能及用途方面来划分,生态环境材料可分为生态环境建筑材料、生态环境工程材料、生态环境净化材料、生态环境降解材料、生态环境修复材料、绿色包装材料以及生态环境替代材料等.生态环境修复材料有用于治理工业废水污染的重金属沉淀、酸碱中和、氧化还原材料,用于治理大气污染的颗粒物吸附和催化转化材料,以及用于减少有害固态废弃物对土壤造成的污染的固体隔离材料、用于防止土壤沙漠化的固沙植被材料等；生态环境净化材料有过滤、杀菌、分离已经消毒材料等；生态环境替代材料的代表是用作制冷剂的氟里昂替代材料,以及工业和民用的无磷化学品材料[2]等.
国际上许多知名的公司企业已研发出一系列具有与环境高度协调性的材料产品,像MisawaHome公司的100%可再生房屋、DAIKIN公司的房间空调器、BMW公司的混合动力汽车以及YOKOGAWA公司的便携式示波器等.这些新型的生态环境材料为人类的生活提供了极大的便利,潜在着广阔的应用前景.
3生态环境建筑材料的应用
所有人造材料之中,建筑材料的用量最大、产量最高,因此带来的能耗消耗与资源消耗也最高,污染最为严重.在当前的大背景下,社会对于建筑材料的要求除了轻质、耐久性和高强度等性能以外,还要从循环的角度来考虑它可能引起的环境影响或生态兼容性.这一改变形成了多种具有明显特点的生态环境建筑材料,日益崭露头角,逐渐出现在建筑的各个角落.生态环境建筑材料是生态环境材料的重要组成部分,就以下几种材料作为代表来进行阐述.
3.1生态水泥
生态水泥是通过回收利用工业废渣或城市垃圾进行加工,以充分发挥各种废弃物的潜力,最大程度地激发其活性,来生产无公害的水硬性胶凝材料.
水泥材料是多组分的混合物,从理论上讲,凡是可以提供钙质材料和硅质材料的物质,都可以作为水泥原料.在传统的水泥生产中,大多采用页岩或石灰石等天然矿物作为水泥原材料,原生资源消耗大,废气、粉尘的排放量大,对煤炭的消耗巨大,被称为“煤老虎”,这完全背离了可持续发展的基本内涵,对人类及社会的长远发展极为不利.若由其原料本质的化学组成来看,其完全可以用其他含有相似成分的物质替代,如粉煤灰、铜矿渣、电石渣、高炉矿渣以及煤矸石等.加入某些工业废渣以用作水泥的矿物掺合料,在有效节省水泥熟料、降低生产成本的前提下,还可以改善并提高水泥的性能,比如加入一些经过加工处理的矿渣能够有效提高普通硅酸盐水泥的抵抗硫酸盐侵蚀以及抗渗能力[3]并显著地降低水化放热,粉煤灰可改善含碱水泥的泌水性能.
水泥在生产过程中温度很高,反应稳定,并且伴随充分的气固相热交换,因此利用这些特点,可以在水泥生产过程中同时对可燃的工业废弃物及可燃的生活垃圾进行焚烧处理,这种处理方式不仅节约了单独对垃圾焚烧处理所消耗的能源,还另外拥有独特的优势.在水泥回转窑中,窑内气体温度可高达1800℃,物料温度在1450℃,可以保证熔点较高的有机物也能完全焚烧；回转窑内的高温气体湍流强烈,更有助于彻底焚烧工业废弃物；除此之外,气体在窑内的停留时间一般在4s以上,而物料的停留时间更是超过30min,为待焚烧的废弃物提供了充分的焚烧时间[4]；焚烧后的废弃物残渣可以用作水泥的矿物掺和料,避免了废弃物的二次处理；同时水泥窑体系本身高效的除尘系统能保证废气快速顺畅地被净化处理,从而限制了燃烧产生的粉尘的肆意排放（见图2）.澳大利亚某生态技术公司最近宣布开发成功一种能吸收温室气体的新一代生态水泥,其主要原料为粉煤灰、废料、氧化镁以及普通水泥.据报道,如果世界所产18.5亿吨的普通水泥中的0%由生态水泥替代,将会有16亿吨的二氧化碳被吸收.普通水泥每生产1吨,就会释放出1吨的二氧化碳,与之相反,生态水泥制成的产品是二氧化碳的中和物,如若这种生态水泥与有 机废料纤维相结合,它们会成为二氧化碳的吸收物.除此之外,这种生态水泥不仅在强度上完全不逊色于普通水泥,还具有更高的耐氯化物性、耐硫酸盐性以及耐其他腐蚀性化学物质性.
总之,生态水泥改变了传统的生产方式,减少了废弃物的数量,并使其更容易被处理,大大降低了对环境的污染程度,从而与环境相协调,并改善了人类的生活环境,转变为地球的“清洁工”.
3.2新型墙体材料
实心粘土烧结砖曾经是我国墙体材料的主导,比例高达90%左右.在生产和使用环节中,每年需要耗用粘土约109m3,毁坏无数农田,消耗大量标煤,排放若干粉尘及有害气体,粘土砖块小体重、不利于现代化施工、不满足轻质高强等当今建筑材料的基本要求.现在,人们开始研发利用各种工业废渣生产新型建筑墙体材料――各种轻质板材、墙体砖、矿棉、砌块等,利用甘蔗渣或麦秆等植物纤维生产纤维板,利用各种工业石膏,包括排烟脱硫石膏来生产纸面石膏板等,这些均给墙体材料带来一场全新的生态革命.
具体来说,轻质板材包括加气混凝土板、石膏板、石棉水泥板、普通混凝土墙板、有机涂层彩色钢板、玻璃纤维水泥板等品种.其中,石膏板以其所具有的保温、防水、吸声、轻质、隔热、装饰、空气湿度自动调节以及低廉的等特点而得到广泛的应用.人们在单一的轻质板材基础上,将这些轻质板材作为面层,在中间填充保温材料制备成复合墙板.目前人们研发并投入使用的复合墙板有很多种,如“泰柏板”系列的中间填充的是聚氨酯、发泡聚苯乙烯、合成纤维、岩棉等保温材料,两面喷涂水泥砂浆并辅以钢丝网而形成.还有采用复合材料蜂窝或纸蜂窝做芯材的金属或石膏复合板、玻纤增强水泥夹心复合板以及陶粒混凝土复合外墙板等.以上这些材料,不仅体现了能源方面的节约,而且因其可进行温度和湿度的调节控制而能够维持室内环境舒适程度,建筑物使用面积大,安装方便,是我国墙体材料（见图3）改革的必然趋势.
同时,新型砌块以其隔音、防火、质轻、强度稳定以及工效高等优点,将在中小型建筑中广泛使用.新型砌块的主要种类包括多功能石膏砌块、装饰砌块、加气混凝土砌块、保温隔热砌块以及轻骨料混凝土砌块等.其中,以利废且成本低的多功能石膏砌块和加气混凝土砌块和应用最为广泛.砌块类似于板材,正在向复合型材料方向发展.为了进一步提高砌块的保温隔热效果和减轻砌块重量,目前已生产出掺入膨胀聚苯乙烯颗粒或膨胀珍珠岩的混凝土空心砌块.或者为了使墙体兼顾围护与保温功能,还可以在空心砌块的空隙中填充各类保温材料.而装饰砌块则是同时具有围护与装饰功能的砌块.
新型墙体材料的市场前景光明,已经有越来越多的企业开始从事新型墙体材料（见图4）制备加工和化工高新技术科技产品的研究,以生态环境建材设备、技术工艺（高压高强标准压砖机、盲孔压砖机、各种砌块机、彩色水泥瓦机、轻质隔墙板机、节能挖掘装载设备等）,利用工业废渣类似粉煤灰、煤矸石、炉渣、冶炼渣、大砂和各种尾矿渣,任意选取一种或两种作为主要原料,生产符合要求的新型墙体产品.
由于墙体材料对原材料的适应性比较强,只要其能满足生产工艺的要求,并且不会对人体和环境造成危害即可.利废墙体材料主要包括工业废渣类墙体材料、建筑废渣类墙体材料和农业废渣类墙体材料.这些墙体材料充分利用了废弃资源,并具有保温、减震、隔音等特性.其中农业废渣类墙体材料主要包括植物纤维水泥板、麦秸人造板、纸面草板、麦秸均质板等.秸秆包括水稻、玉米、小麦、、棉花等作物的秸秆,纤维组分含量很高.据联合国环境规划署（UnitedNationsEnvironmentProgramme,简称UNEP）报道,全世界种植的各类谷物,每年可提供秸秆约17亿吨.联合国粮农组织统计表明,全世界农作物的秸秆纤维有6成以上作为生活能源而被烧掉甚至在田中直接烧掉,并未形成工业化规模的生产.我国是一个农业大国,在一些粮食生产大省,有着非常丰富的秸秆纤维资源,我国的秸秆利用率仅为30%左右,大量的秸秆并未得到充分利用,直接在田中燃烧销毁,不仅是宝贵的资源的浪费,而且还造成了更为严重的环境问题.
因此,新型利废墙体材料凭借充分有效利用资源与能源的特点,将占据未来庞大的建材市场,给人类的生活带来耳目一新的感受.
3.3纯天然木材
作为一种纯天然材料,木材广泛应用于建筑领域,包括家具、装修及建筑结构等方面.木材不仅抗震性能好、保温隔热性能优良、素雅美观,而且具有极佳的环境协调性,无论是树木的生长,还是木材的加工和使用过程,都具有优异的环境友好性.除此之外,树木在生成过程中具有良好的固碳作用,可以减少二氧化碳对全球变暖的影响.在当今四大建筑材料--钢材、水泥、塑料和木材中,其中,水泥与钢材的生产过程需要消耗大量的能源,从开采到生产、拆除都会对生态环境造成一定程度的损害.木材是其中唯一可再生的天然资源,并且可以多次循环利用,同时还有优异的触觉以及视觉特性.
然而木材也有一些显而易见的缺陷,如易腐蚀、硬度和强度均不高.通常人们会对木材进行加工改性的预处理,以克服其自身的缺陷,提高使用的可靠性.木材的改性主要分为物理改性和化学改性两大类.物理改性包括对木材进行形状加工、外形修饰、组合等,如制成三合板或叠层板等；化学改性包括化学修饰、减压注入、浸渍处理、加热注入等,可对木材起到阻燃、防腐、装饰、耐磨等作用.化学处理根据反应机制的不同,有缩醛化、脂化、醚化等处理方法.近年来,人们采用先进的技术将木材进行塑化复合处理,形成木材高分子复合材料,从而获得具有更好耐磨性能、更高强度与硬度的木材.木材的表面处理包括涂层处理和涂层保护等.最近人们发明了一种非电解镀膜处理表面的方法,这种方法将木材放入混合了还原剂与金属离子的溶液中进行镀膜,使木材的表面获得一种金属的光泽,同时提高木材的耐久性能与抗腐蚀性.还有一种新型的木材表面改性技术是用等离子体对木材表面进行处理,这种方法可改变木材表面的介电特性和机械强度.通过设计各种表面处理方法的组合可以在木材的表面引入各种官能团,进一步提高木材的使用性能与装饰性能.除了作为建筑材料以为,木材还可以用来制备木质陶瓷.木材经过树脂充分浸渍后,放入炉中进行高温真空烧结处理,在表面形成碳化酚醛树脂和碳化木纤维的各种结构,生成的陶瓷材料具有优异的耐磨性能,可用作汽车摩擦垫等耐磨部件.木材还有其他用途,比如从树叶中提炼香精油、从植物中提取食品添加剂、利用树皮制备吸油垫等.国外将开发具有调节环境舒适性的建筑材料作为重点之一.日本研制出了一种带有呼吸感应功能的硅酸钙质可调湿人造木材,当室内湿度较大时,木材可以吸收水分,降低湿度,而当空气干燥时木材可逐渐放出所吸附的水份,达到感应调解湿度的作用,为人们提供更加舒适的工作和生活环境.另可采用渗入复合技术,制出无机有机材料与木材的复合材料,将人工合成的某些优良性能引入到木材中,使其可以阻燃、抗菌,变为集资源、功能、环境特性于一身的生态环境材料.