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生物材料维持可持续性发展
作者:Steven Ashley    来源:Ringer
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几年前,对具有环保意识的购物者来说,最大的问题就是在超市排队付钱的时候是问收银员要“纸袋”还是“塑料袋”。今天,一些购物者将他们自己准备的可反复使用的购物袋带到商场,进一步降低购物袋对环境带来的影响。同样,虽然今天相对来说很少有消费者在购车时会问销售代表车型是否采用了环保型绿色材料,但是按照目前的发展趋势,也许迟早有一天越来越多的消费者会问这个问题,这只是时间问题。

了解了这一点,你就很容易理解为什么那么多的汽车制造商在最近几年里都不遗余力地用从植物提取的聚合物和天然纤维增强材料制成的部件来替代传统的塑料部件了。石油基塑料零部件毕竟占整车重量的五分之一。但是由于汽车行业较长的产品开发周期和该行业对材料的严格要求,到目前为止这种替代程度还不是很大。

生物塑料在汽车上早期的应用只是在一些相对要求不高的内饰件上,比如隔热材料、内嵌物、衬里、脚垫、覆盖物、托盘、仪表板和门板、车顶内衬、座椅后背以及一些装饰部件。不过在新的车型年里,汽车制造商已经开始采用一些用生物聚合物材料制成的零部件,用来替代之前用高性能工程塑料制成的部件。

比如,2010款丰田Camry轿车采用了一个成型的散热器端部水箱——相对来说要求比较高的应用,需要能够承受长期的化学侵蚀和机械应力。该水箱采用的材料40%为生物基尼龙,为杜邦公司从可再生的蓖麻油提取的尼龙6/10材料。据杜邦高性能塑料开发经理RichardBell表示,这种方式还降低了产品的整体成本。该部件不久前还获得了美国塑料工程师协会(SPE)颁发的环境创新奖。

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2010款福特Flex车型储物箱采用了聚丙烯注塑件,通过麦秸纤维进行增强。

与此同时,人们还在不断拓展天然纤维在增强材料中的应用,用于生产更加结实的结构件。比如福特公司在这方面就举得了新的发展,在其2010款Flex Crossover混合型SUV车型上采用了一个塑料车门储物箱。

该聚丙烯部件包含了占总重量20%的天然纤维填充料及用麦秸制成的增强部件,其中麦秸是一种低成本农作物副产品。

据福特塑料研究公司(Ford Plastics Research)的Ellen Lee表示,福特联合总部位于俄亥俄州Akron的A.Schulman塑料公司以及加拿大滑铁卢大学一个联合研发小组进行了新技术的开发,时间持续了18个月。由Leonardo Simon领导的滑铁卢大学研发小组在多伦多生物汽车项目(Ontario BioCar Initiative)的支持下提出了采用麦秸作为创新材料的想法。多伦多生物汽车项目是一项获得政府1800万美元资助的联合研发项目,参与各方有滑铁卢大学、贵湖大学、多伦多大学和温莎大学。

新Flex车型的塑料储物箱与采用滑石粉或玻璃纤维填充物制成的部件相比重量上减轻了10%。该储物箱打开了麦秸类材料应用于更坚固的内饰、发动机机舱及外饰件等领域的大门。

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“我们在其他应用领域也看到了许多潜在机会,因为麦秸拥有很好的机械性能,而且可以满足性能和耐久性方面的要求,”Lee表示。

福特公司研发人员认为增加麦秸添加剂的部分负载可以进一步增强塑料材料,从而可以承受车内空气挡板、前部中控台箱体和托盘、车门装饰门板部件以及外饰件等部件的机械张力。

生物塑料市场

虽然用于汽车方面的生物材料大多都是特有的技术,因此很难估计出整个行业对这种材料应用的比例是多少,不过业内人士认为这种新兴市场正在慢慢地积聚向前发展的动力。

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“该领域几年前才开始发展,”杜邦公司Bell说。“一些汽车制造商表现得非常积极,他们甚至制定了具体的战略目标,希望在未来的五年时间里将汽车中20~60%的聚合物材料替换为可再生材料,无论是生物材料还是可回收的材料,”Bell指出。

但是在简单介绍了几个类似的项目之后,Bell指出“在汽车制造商之间取得普遍的认可需要一定的时间。”

江森自控公司座椅创新技术总监Nick Petouhoff也表现出了这种谨慎乐观的态度。“虽然很多汽车制造商都将生物材料和可循环性放在了他们的战略性计划中,而且我们在欧洲的天然纤维增强材料的销售还不错,在北美也有一些,但是帮助他们对产品的耐久性建立信心还需要许多说服性工作,”Petouhoff说。“毕竟没有人会为了绿色口号而惹上可能的维修麻烦。”

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而且没有一家汽车制造商愿意为生物材料支付额外的费用,Petouhoff总结道。

生物聚合物的基本知识

不管价格是否昂贵,生物聚合物及天然纤维的种类在过去的十年里取得了显著的发展,密歇根州立大学化学工程师及材料科学家(同时还是一名资深生物聚合物研究人员)Lawrence T. Drzal表示。据他介绍,在热塑性方面两种主要的生物聚合物树脂分别是PLA(聚乳酸),性能类似聚苯乙烯;以及PHB(聚β-羟基丁酸),类似传统的聚酯。

PLA是一种可降解的脂肪族聚酯,提取自玉米淀粉或甘蔗等植物。此类供应商有NatureWorks,一家由Cargill和Teijin公司成立的总部位于明尼苏达州的合资公司。PHB也是一种聚酯级材料,通过微生物获取。此类微生物供应商包括马萨诸塞州Metabolix公司。

Drzal指出,目前的热固性生物聚合物只能说是部分绿色,因为此类聚合物包含提取自植物的多元醇——主要用作反应物来生成其他聚合物的醇类化合物——以及标准的石油基聚合物树脂。

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“由于天然产品的质量差别太大,因此很难制造出10 0%的热固性生物树脂,”Drzal说。(需要指出的是,ASTM标准规定生物材料须在重量上至少包含20%的天然成分。)

对汽车生物聚合物市场来说一个值得高兴的现象是,一些类似杜邦这样的公司现在可以提供许多不同种类的绿色材料,而且这些材料拥有各种物理属性。除了提取自植物的Zytel 610尼龙树脂(长链聚酰胺),Bell介绍道,杜邦还提供Sorona EP热塑性聚酯树脂,性能上类似于聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。这种树脂在重量上包含20~37%提取自玉米的材料,而且具有很好的表面效果。

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其他一些工程生物塑料供应商还包括法国阿科玛(热塑性弹性体和胶粘剂)、西班牙麦金莎(热塑性聚氨酯和胶粘剂)、德国巴斯夫(尼龙6/10)、拜耳材料科技(提取自高达70%植物油的多元醇)以及赢创德固赛。

在汽车生物材料开发方面,两家日本轮胎制造商推出了采用硫化橡胶制成的轮胎——这种硫化橡胶原料为天然生物油而不是传统的石油。横滨橡胶推出的环保型“dB Super E-spec”轮胎据称将80%的石油原料替换为橙油。这种橙油在一家横滨称之为“无排放工厂”中进行提取,而橙子皮就来自隔壁的橙汁加工厂。

另外一家公司——住友橡胶工业株式会社也在开发一种轮胎。据公司管理层表示,这种轮胎不会含有任何石化材料。住友公司计划在2013年将该产品推向日本市场。

天然纤维的发展

如果市场上生物聚合物的数量越来越多的话,天然纤维的种类也将大量增加。用于增强塑料的最佳植物纤维很可能是韧皮和树干纤维,来自大麻、亚麻、黄麻、竹子等——这也是Drzal的研究领域。

采用哪一种植物用于塑料增强纤维主要取决于成本和原料供应问题,因为从技术上说“根本没有太大的区别,”Drzal指出。“一旦加工成常见的短切纤维,平均大概为1~2英寸长,从性能上看基本都差不多。”

不过,Drzal还表示,“天然纤维拉伸强度比玻璃纤维低,因此在加工的时候需要小心对待。如果在标准的挤出机上生产天然纤维增强产品时,你通常采用的是纤维粉。这种纤维粉更多的是起到填充剂的作用,而不是增强剂。”

其他一些要求相对较低的成型工艺如模压成型、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)及层压等更适合采用天然纤维,不过会增加制造成本。从农业废弃物和野生植物获取的天然纤维成本较低,可以帮助降低生产方面的成本。

在使用天然纤维方面还需要面对一个问题,就是这种材料本身特有的多变性和所种植植物的季节性,后者会直接给供应带来压力。产品的同质化和稳定的供给对天然纤维在汽车中的大量应用非常关键,这些问题必须得到解决。

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值得注意的是,福特Flex车型是在福特公司位于加拿大安大略省Oakville装配厂生产的。该地区约有2800名农民种植麦子、玉米和大豆等植物。麦秸一般都是被农民遗弃的废弃物。在安大略省任何时候都可以得到约3300万吨麦秸废弃物。

据多伦多生物汽车项目顾问委员会表示,未来有关生物材料的研究应该着力于解决材料在使用过程中随着时间的推移出现的吸湿行为,这会导致功能性和耐久性问题;以及天然纤维增强塑料在高温注塑成型时散发的异味问题;此外还包括生物可降解聚合物如PLA在汽车使用寿命结束时面临的分解问题。

虽然面临如上种种问题,在全球范围内,人们依然尝试各种方式来提高生物材料的产量。日本有一个示范性工厂在生产丰田公司的生物塑料材料——一种洋麻纤维增强的PLA复合材料,年产量为907吨。据报道,该产量有望于2020年增长到1800万吨。

密歇根州立大学科学家Drzal透露,他所领导的研究小组在天然纤维复合材料技术方面取得了新的进展。通过该小组所研发的工艺,植物纤维通过化学方式可以分解为微纤维素,甚至是纳米晶须纤维素,这种纤维素的物理性能可以大大超过今天的植物基增强材料。

虽然Drzal表示研究小组的进展顺利,但是因为额外的工艺毕竟会带来成本的增加,因此还是受到了一定的影响。不过一些迹象表明美国政府最终会采取一些措施,来帮助降低未来生物材料的价格。一些行业观察家表示,政府可能会在某个时候制定税收补贴或其他类似美国农业部认证的“生物基材料优先(bio-preferred)”标签等刺激性政策来提高机动车产品(也包括摩托车及其部件)中生物基材料的用量。
文章内容仅供参考 (投稿) (2010-11-23)
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