汽车用生物基材料。
时间:2020-03-13 17:34 来源:雅延咨询 作者:雅延 点击:
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【中国汽车材料网】生物基材料是以农作物、树木、其它植物及其残体和内含物等可再生生物质为原料,通过生物转化获得生物高分子材料或单体,然后进一步聚合形成的高分子材料。 生物质材料包括通过生物合成、生物加工、生物炼制过程获得的生物醇、有机酸、烷烃、烯烃等基础生物基化学品,和生物基塑料、生物基纤维、糖工程产品、生物基橡胶以及通过生物质热塑性加
【中国汽车材料网】生物基材料是以农作物、树木、其它植物及其残体和内含物等可再生生物质为原料,通过生物转化获得生物高分子材料或单体,然后进一步聚合形成的高分子材料。
生物质材料包括通过生物合成、生物加工、生物炼制过程获得的生物醇、有机酸、烷烃、烯烃等基础生物基化学品,和生物基塑料、生物基纤维、糖工程产品、生物基橡胶以及通过生物质热塑性加工得到塑料材料等。
生物基新材料具有原料成本低、节约石油资源、 性能优异且质量轻、可实现材料轻量化、可回收降解,环保性好等特点。
生物基材料全生命周期
生物基材料来源于通过光合作用生长的生物质,从中提取出高分子原材料合成所需的化学单体,再经过微生物或化学合成的方法,聚合成高分子。之后还需经过增塑、着色等一系列加工步骤后,最终制得各类产品。生物基材料废弃时,可经由燃烧或堆肥等生物降解法,转变为水和二氧化碳等无毒小分子,重新进入自然循环中。具体循环过程见下图。
图 1 生物基材料全生命周期
几种生物基塑料介绍及其在汽车领域的应用
(1)聚乳酸(PLA)
聚乳酸(PLA),使用可再生的植物资源所提出的淀粉原料经由糖化得到葡萄糖,再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸,再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。
中文别名:聚丙交酯
英文名称:polylactide, polylactic acid, PLA
英文别名:polytrimethylene carbonate;1,3-Dioxan-2-one homopolymer
分子式:(C3H6O3)n
原料:主要以玉米、木薯等为原料。
特点:聚乳酸拥有良好的热稳定性性、抗溶剂性,可用多种方式进行加工。由聚乳酸制成的产品除了能够生物降解外,还拥有良好的生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性,并且具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性,用途十分广泛。
国内外应用情况:
在汽车应用方面,PLA由于力学及耐热性能的限制,多数是通过与其它材料共混改性得以应用。
PLA在汽车上的应用,国外起步早,技术相对成熟,改性PLA在汽车领域的应用相对领先。
日本丰田公司的Raum车型采用洋麻纤维/PLA复合材料制作备胎盖板,聚丙烯(PP)/PLA改性材料制作汽车门板、侧饰板等。
图 2 丰田 Raum
帝人与马自达合作开发了车用耐热PLA纤维Biofront,用于制造汽车内纺织品,熔融温度达210℃,可与聚酯纤维媲美。
日本东丽公司也开发了适用于制造汽车门板、座椅、顶棚等内饰件的PLA纤维。
德国劳士领公司和科比恩公司合作研发了PLA与玻璃纤维或木纤维的复合材料,应用于汽车功能组件和内饰件。
美国RTP公司研发出玻璃纤维(GF)/PLA复合材料产品,应用于汽车的导流罩、遮阳罩、副保险杠、侧护板等零部件。
欧盟ECOplast项目研发出了以PLA和纳米黏土为原料制备的生物基塑料,专门用于汽车零部件的生产。
国内关于PLA在汽车行业的应用研究较晚,但是推广迅速。而随着国内环保意识的提高,国内车企开始加大对车用改性PLA的研究开发与应用工作,目前主要应用于汽车装饰件中。
绿程生物材料技术有限公司推出了高强度高韧性的PLA复合材料,并在汽车进气格栅、三角窗框等零部件中得到应用。
锦湖日丽公司开发高性能可生物降解聚碳酸酯(PC/PLA)合金材料,力学性能好且可降解回收,可广泛应用于汽车电子电器件及于汽车内饰件。
供应商:NatureWorks、Total Corbion、Futerro、Teijin、锦湖日丽公司、绿程生物材料技术有限公司国内代表公司等。
(2)聚丁二酸丁二醇酯(PBS)
聚丁二酸丁二醇酯是一种可生物降解的脂肪族聚酯,也是可以同时实现生物降解和生物来源的100%生物塑料,PBS具有良好的加工性和染色性。由于热力学性能较差,一般需要通过改性。但PBS价格低廉,市场前景良好。
中文别名:聚琥珀酸丁二酯
英文名称:polybutylene succinate; poly butylenes succinate;PBS
分子式:HO-(CO-(CH2)2-CO-O-(CH2)4-O)n-H
应用方面:目前PBS在汽车上的应用还比较少,但改性研究很多,纳米材料改性、阻燃改性等将进一步拓展其在汽车行业的应用。佛吉亚和三菱化学合作,采用PBS与天然纤维混合技术,开发出一种汽车内饰专用PBS材料,应用范围包括车门镶板饰条、结构仪表板和控制台嵌件、导气管、车门镶板嵌件等。
供应商:Showa Denko、Mitsubishi Chemical、DowDUPont、BASF、S.K.Ind、金发科技股份有限公司等。
(3)聚羟基烷酸酯(PHA)
PHAs是一系列聚羟基脂肪酸酯的统称,常用的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物(PHBV)、聚3-羟基丁酸酯和3-羟基己酸酯共聚物(PHBH)等。目前主要是由细菌通过新陈代谢形成。
原料:主要以玉米、甜菜、甘蔗为原料。
特点:由于原料限制,PHAs价格较高。PHA兼具有良好的生物相容性能,生物可降解性和塑料的热加工性能。
应用方面:PHAs不仅具有传统高分子材料的力学性能,还兼具优异的可降解性和生物相容性随着PHAs合成及改性方法的不断开发和优化,PHAs的售价会逐步降低,对汽车行业有巨大的吸引力。目前关于PHAs在汽车行业的应用报道较少,主要是以纺织品形式使用,如用作汽车脚垫。根据其应用形式,未来将在低VOC、低气味、抗静电、阻燃、表面改性及力学性能提升等方面进行改性,进一步推广PHAs在汽车行业的应用。
供应商:天津国韵生物材料有限公司、宁波天安生物材料有限公司、北京蓝晶微生物科技有限公司等
(4)生物基尼龙
生物基尼龙是以生物基材料为原料合成的PA材料,具有更好的环保性和可持续发展。
常见种类有:
① 糖基尼龙
以糖为原料的生物尼龙:糖也是生物基PA的重要原料,价格低廉,以糖为原料制备的PA单体具有一定的立体构型和多官能特性。目前,随着生物技术的发展,酶催化聚合呋喃二甲酸类PA的合成应用普遍。
② 植物油基尼龙
以油脂为原料的生物尼龙:主要采用蓖麻油为原料,经过裂解、再聚合形成PA,包括PA 1010,PA 11,PA 610以及PA 1012等。另外,葵花籽油等其他油脂也可合成PA。
图 3蓖麻油合成PA示意图
应用领域:汽车结构件、内外饰、发动机周边等。帝斯曼开发出PA46制备的燃料蒸气分离器表现出非常低的渗透水性,可在175℃的高温下长时间使用,具备优异的机械性能、超高的热老化性能、优异的尺寸稳定性、耐化学性等。
供应商:DSM、BASF、Arkema、上海凯赛生物科技有限公司等