生物聚合物--科技与自然的结合

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欢迎访问e展厅 展厅 2 复合材料/胶粘剂展厅 阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ... 在工业应用领域，既可把生物聚合物当做生物复合材料所用的纤维，又可把它当做树脂基材料，现在它在这两方面应用都在日益增加。但由于其原料采用非连续性方法进行生产，因此在未来很长一段时间内，这种材料在保证质量的一致性方面还面临着巨大的挑战。 由于可再生资源是化石原料的环境友好型替代品，同时也出于对市场的考虑，很多企业开始使用它来生产塑料和复合材料。由生物原料制成的聚合物已在市场上成功立足，并且来源充足。2011年，全球生物聚合物总产量达到了140万吨。 同样地，木材和天然纤维在工业领域的应用也在增加。2010年，仅德国，天然纤维增强塑料（NFRP）和以木粉为填料的木塑复合材料（WPC）的产量已经达到16.6万吨。通过在塑料中添加天然纤维或木粉，复合材料的机械性能可以得到明显改善。天然纤维和木粉非常适用于增强那些要求具有高强度、低密度特性的部件。 在生物复合材料中，基体和增强材料均可以采用可再生原材料来替代。 生物聚合物 在塑料行业中，“生物聚合物”一词是指生物质材料和可生物降解材料。因此，生物聚合物大致可以分成以下三类： * 可生物降解的石油基生物聚合物； * （主要是）可生物降解的生物质生物聚合物； * 非生物降解的生物质生物聚合物。 图1比较了生物聚合物和石油基聚合物，并列举了一些代表性材料。生物聚合物定义的第一个条件是废物处理的特性（waste disposal property），第二是原材料来源，而不考虑是否可生物降解。这就意味着生物聚合物并非必须完全由可再生资源组成，也可以包括可生物降解的石化基原料。相反地，并非所有由可再生资源制成的生物聚合物都是生物可降解的。目前，市场趋势逐渐向针对长寿命应用的生物基、耐用的热塑性塑料和热固性塑料方向发展。 热塑性生物聚合物已经占据了较高的市场份额，而热固性生物聚合物的发展还达不到这个程度。部分原因是，即使是传统的热固性聚合物，它们在市场中的重要性也不及热塑性材料。另一个原因是，现有的热固性材料的应用都非常特殊，因而增加了生物基可替代材料的适应性开发成本。然而，人们日益增强的环保意识将对此起到推动作用。例如，现在业内对采用生物基材料取代传统的石油基材料来生产风力发电叶片表现了极大的兴趣。从技术角度来看，用亚麻籽油生产的热固性树脂体系（固化温度超过130℃）是理想的替代材料，该材料已经实现商品化。而且，近期还出现了少数可在室温下固化的生物基热固性树脂体系。这两种体系首次实现了石油基原料的部分取代。 生物质纤维 用于塑料增强的纤维可以分成很多种。现有的分类方法都基于纤维的生产工艺和材料的来源。图2是不同纤维的标准分类法。右边标注了可以用于生产各种纤维的可再生原料。 总地说来，陶瓷、玻璃和硼纤维由于其原料来源和特点，不可能被可再生原料所替代。而用于生产碳纤维和合成纤维的石化原料，可以由可再生原料进行部分替代。 天然纤维（第6种纤维类型）通常是可再生的。根据DIN EN ISO 60001-1标准的定义，天然纤维呈天然线性结构，来自植物或蚕茧，或天然矿物，或动物皮毛，且可制成织物。矿物纤维，如石棉，由于其重要性低，且具有不可再生和不可生物降解的特性而不在考虑之列。 （部分）由可再生能源生产的增强纤维简述如下。 碳纤维：用于生产碳纤维的原料有3种：聚丙烯腈纤维（PAN）、焦油或沥青，以及粘胶纤维。用粘胶纤维生产的碳纤维，其刚性不如其余两种，因此主要把它用于绝热材料。目前有一些研究人员试图用其他的生物质碳，如木质素或热塑性生物聚合物来生产碳纤维。理论上，用焦油或沥青生产的碳纤维既能用石油焦油做原料，也可采用可再生资源，如木材做原料。然而，焦油基碳纤维的重要性几乎是无足轻重，其所占有的市场份额非常之小。现在，大多数用于工业领域的碳纤维仍以石油化工生产的聚丙烯腈纤维为前驱体。 生物聚合物纤维：随着生物聚合物技术的进步和利用其生产生物质纤维的可能性的增加，人们开始着手利用热塑性生物聚合物来生产合成纤维。通过采用生物聚合物，依赖于石油的纤维将被部分甚至完全取代。 生物基聚酰胺（bio-PA）可采用从由蓖麻油中提取的癸二酸或油酸来生产。在生产的生物基聚酰胺中，其可再生原料的含量各不相同。例如，在生物基PA610中，可再生原料占62%；在生物基PA1012中，通常最低含量为45%（最高可达100%）；生物基PA1010中的可再生原料则可达到100%。用这些生物基PA进行纤维的生产，其工艺和传统聚酰胺时相同。 生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（bio-PET）是通过使用生物乙醇来替代传统乙醇制成的。因此，其生物质原料约占30%。 通过这些方法，石化原料可以部分或全部被生物质原料所取代。这种部分或全部采用生物质原料生产的聚合物具有与传统PET相同的化学结构、成型工艺、服役性能和废弃物处理特性。因此，用生物基PET所生产的纤维或织物具有与PET相似的性能。 除此意外，还有一些具有不同化学结构的新型生物聚合物。目前，有两种非常适用于纤维生产的生物聚合物，它们是聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）。市场上已经可以见到用这两种聚合物制成的首批纤维制品（织物、地毯）。 纤维素制成的人造纤维：再生纤维素纤维是通过将片状木材在苛性钠溶液中煮沸、溶解而制成的。纤维素首先被碱化，然后在进一步的反应中转换为纤维素黄原酸酯（cellulose xanthate）。最后，再一次用苛性钠处理纤维素黄原酸酯。接着将所得的粘胶溶液通过喷丝头挤出，并在酸性纺丝槽中进行沉淀，得到由将近100％的纤维素组成的再生纤维素纤维。 通过对生产工艺和后处理工艺的进一步开发，除粘胶以外，其他各种各样的再生纤维素纤维也均已经面世，产品性能得到不断改进。 生物复合材料 生物复合材料是纤维增强塑料，其基体材料或纤维中至少有一种是生物基材料，或含有一种生物聚合物。它仍能采用热塑性体系或热固性树脂体系。用于生产生物复合材料的生物聚合物既可作为基体也可用作增强纤维。也就是说，当采用石油基、不可生物降解的聚合物作为基体材料时，至少其增强成分必须是天然纤维或木质纤维与木粉。在这类生物复合材料中，比较为人所熟知的有PE或PP基的天然纤维增强塑料和木塑复合材料。 相反地，也可采用非生物基纤维。但是，这种情况下，其基体材料就必须含有一种生物聚合物（如玻璃纤维增强生物质聚酰胺或碳纤维增强生物基树脂）。当然，这两个组分都能由可再生资源或可生物降解材料组成，例如短天然纤维增强聚乳酸，用天然纤维织物和生物基树脂生产的平面产品部件，或者是粘胶纤维增强生物基PA。这些例子表明，可以通过各种各样的组合来生产生物复合材料。 总而言之，生物复合材料要么以生物聚合物为基体，要么以生物质纤维作为增强材料。如果基体材料和增强纤维都是生物基的，或都由生物聚合物组成，那么这类复合材料可称为100%生物聚合物复合材料（见标题图片）。 生物聚合物复合材料也可按照成型工艺的特点进行分类。所采用的工艺必须根据复合材料是热塑性基体还是热固性基体，以及增强纤维是长纤维还是短纤维而定。传统工艺几乎都适用于生物复合材料，见表1。一般，将长径比大于100的纤维定义为长纤维或连续纤维，长径比在10-100的定义为短纤维。长径比小于10的纤维几乎没有增强作用。 长纤维或连续纤维增强的热固性复合材料的成型工艺一般采用拉挤或手糊工艺。长纤维或连续纤维增强的热塑性基体复合材料的成型工艺一般采用拉挤或真空成型法。为了得到机械性能更好的生物复合材料，增强纤维的长度应尽可能长一些。但是，这也意味着只能生产结构简单、不太精细的组件。 短纤维增强热固性基体复合材料可以采用喷射和离心法或其他方法成型。短纤维增强热塑性基体复合材料可以采用挤出（如型材生产）或注射工艺。采用注射工艺可以生产复杂形状的三维部件，这时要采用合适的短纤维或超细纤维进行增强。 用于生产生物复合材料的工艺必须符合其特定要求。 结束语 生物聚合物已经在塑料行业拥有一席之地，并已作为耐用型生物塑料在工业领域得到应用。生物质纤维可以由生物聚合物制得，并与传统的塑料或生物聚合物基体配合使用维。这样就能生产满足不同要求的生物复合材料。(end)

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