生物质塑料在汽车上的应用

生物质塑料在汽车上的应用

摘要：随着汽车工业的不断发展，轻量化、节能和环保等问题日益凸显。发展生物质塑料成为降低汽车产业对石油等非可再生资源的依赖并实现汽车塑料可持续性发展的关键一环。本文主要介绍了生物质塑料的种类、生产工艺，复合材料的加工工艺以及在汽车上的应用。

关键词：生物质塑料汽车天然纤维

1. 前言

汽车工业是我国国民经济的支柱产业，近几年来已取得迅猛的发展。随着汽车工业的不断发展，轻量化、节能和环保等问题日益凸现出来。减少燃料消耗和降低对环境的污染已成为汽车工业发展和社会可持续发展急需解决的关键问题。实现汽车轻量化，是节省能源的最有效的途径之一。汽车重量每减轻10％，就会节省6％～8％的燃料。使用塑料及其复合材料取代金属应用于汽车零部件上已成为汽车轻量化的发展必然趋势和最重要的手段之一。目前，汽车塑料约占汽车车身总重量的10%，以2010年我国的汽车总产量超过1800万辆计算，需求的塑料量超过几百万吨。这必然给日益增长的石化产品的消耗带来极大的压力。随着石油价格的波动性太大，也使得传统石油基聚合物的价格成本无法明确。为了满足汽车轻量化的需求并降低汽车产业对石油等不可再生能源的依赖，发展生物质塑料成为实现汽车塑料可持续性发展的关键一环。

生物质塑料指的是以木本、禾本和藤本植物及林产品废弃物等可再生生物质资源为原材料，通过生物化工技术，加工制造的高分子材料。生物质塑料是从原料的角度来分的，与之相对的是以石油等不可再生资源为原料的石油基塑料。目前生物质塑料主要可以分为三大类：天然高分子材料、完全生物质合成高分子材料以及部分生物质合成高分子材料。

本文将从原材料的加工、具体的应用及存在的问题等方向，对生物质塑料在汽车应用研究做一定的综述。

2. 天然高分子

天然高分子材料是最早得到应用的生物质塑料，也是研究比较广泛的生物质塑料，其主要包括淀粉基聚合物材料、天然纤维以及甲壳素等。目前在汽车工业中应用最多的就是天然纤维。相对于传统的玻璃纤维，天然纤维及其复合材料具有节约石油资源、废弃后对环境影响小、减重效果更明显（密度小，质量轻）、原料成本低且来源广泛等优点。天然纤维在汽车内饰件制造的应用已经越来越广泛，并已开始用于汽车外部部件（如挡泥板衬和扰流板）的尝试。

2.1 天然纤维的改性研究

宣善勇，男，博士，毕业于中国科学技术大学火灾国家重点实验室，2011年7月进入奇

瑞汽车股份有限公司博士后工作站，主要研究方向为聚乳酸复合材料的改性。

汽车制造中常用的天然纤维有麻纤维、竹纤维、木纤维和椰壳纤维等。天然纤维复合材料由天然纤维和聚合物基体组成。用天然纤维作为复合材料的增强体，首先需要解决的是亲水性强的纤维与亲油性强的基体之间的匹配问题；其次是天然纤维在聚合物基体中的分散性的问题[1]。因此，为了制备满足汽车零部件要求的天然纤维复合材料，需要通过对天然纤维进行表面处理。

目前对天然纤维的改性方法包括物理改性方法和化学改性方法。物理改性方法包括高能射线辐射法、热处理法及机械破碎法等，这些方法只改变纤维的一些物理性能，目的是改善纤维与基体材料之间的物理黏合性能。化学改性方法包括：接枝共聚法、碱液处理法和混酸处理法等，这些方法改变了天然纤维的表面化学结构，从而改善纤维与基体的相容性[2]。

2.2 成型工艺和应用

天然纤维可以作为填充材料通过模压成型及注塑成型等加工方法制备并应用于汽车材料。传统的制备玻璃纤维复合材料的加工方法结合天然纤维的特性成为各种技术项目开发的切入点。

模压成型是一种重要的天然纤维复合材料加工方法，其关键在于纤维和粘合的聚合物基体组合方法及进入模具的方式。有的工艺使用预先熔化的聚合物，有些在模压前使用纤维状的聚合物于天然纤维形成共混的砧板，有的在模压前在纤维毡上加入聚合物粉末。通常以热塑性聚合物作为模压天然纤维复合材料成型为主。模压后天然纤维在复合材料中起到了增强的作用，能有效提高聚合物基体的力学性能。Pervaiz等[3]研究了模压成型情况下麻纤维增强PP复合材料的力学性能，结果发现复合材料相对于纯PP有着更好的强度。

天然纤维复合材料模压成型技术已经在汽车上有所应用。伟世通（Visteon）公司采用一步模压成型方法，使用的是德国R+S公司的成型设备成功制备了汽车门板，并应用于福特公司的“Mondeo”汽车上。德国戴姆勒-克莱斯勒（Daimler-Chrysler）公司研究中心进行的试验表明，天然纤维复合材料部件具有较高的抗冲性能，其尺寸稳定性和耐候性能也很好。奔驰公司的E级轿车门板也应用了天然纤维复合材料模压成型。宝马（BMW）5系列车也应用了模压成型技术生产的汽车门板。

树脂传递模塑成型（Resin Transfer Molding）技术也是制备天然纤维复合材料的一种重要工艺。它的基本原理是将纤维增强材料放到闭模的模腔内，用压力将树脂胶液注入模腔，浸透纤维增强材料，然后固化，脱模成型制品。它适合制备大型的且结构复杂的样件，而且制备的样件表面光泽度较好。RTM相比热压成型，具有质量稳定，成型效率高等特点[4]。Li[5]比较了热压成型和RTM制备的剑麻平纹织物/聚酯复合材料的力学性能，发现在纤维含量相同的情况下，RTM得到的复合材料性能要优于热压成型得到的复合材料。RTM工艺制备的天然纤维复合材料常用于高档的车型上，如莲花跑车 Eco Elise。

注塑模塑成型是一种高效的天然纤维增强复合材料成型方法，它主要是针对短纤维的。Keller等[6]通过注射成型方法制备了黄麻/聚丙烯复合材料，研究了纤维含量和表面处理

对复合材料力学性能的影响，发现复合材料的力学性能随着纤维含量的提高而呈线性增长，而纤维表面接枝改性后，力学性能也得到了显著提高。福特携手英国Qinetig-Led公司，着力开发用于注塑成型内饰件的天然纤维热塑性非织造复合材料技术，以减少汽车工业对不可再生能源的依赖。

3. 完全生物质合成高分子材料

完全生物质合成高分子材料可以极大的降低对不可再生能源的依赖。聚乳酸就是一种完全生物质申城高分子材料，它是由可再生农作物发酵产生的乳酸为最初原料制备得来，这可以减少人们对石油等不可再生资源的依赖，也可以更从容的面对石油资源价格上涨所带来的压力。同时聚乳酸生产耗能为传统化工产品的20%-50%，而产生的二氧化碳气体只有相应的50%。聚乳酸拥有优良的生物相容性和力学性能，可以通过多种加工手段制得多种用途的产品。聚乳酸的最终降解产物为二氧化碳和水，对环境的污染小。因此聚乳酸是真正的低碳环保聚合物，被公认为能在一定程度上取代传统石油基塑料的聚合物。[7-9] 目前聚乳酸主要应用于包装材料上，但是随着研究的进一步深入，其在电子产品、汽车零部件上的应用也引起了广泛关注。日本丰田公司2003年首次在汽车上使用了聚乳酸复合材料，其在“Raum”上采用了聚乳酸和洋麻复合材料用作备用轮胎罩和车垫的材料，后期丰田又在其他车型上使用了聚乳酸材料取代了传统的聚丙烯材料。日本帝人和马自达公司联合开发的聚乳酸纤维具有较高的耐热性能，并将其应用于汽车坐垫材料。但是聚乳酸的热变形温度只有60℃左右，很难满足汽车塑料，因此需要对其改性以提高其耐热性能。目前的研究表明：通过添加成核剂、与具有高玻璃化转变温度(Tg)的高分子材料共混、引入交联结构、纤维增强以及纳米复合等技术可以改善PLA的耐热性能。普立万（Polyone）公司和尔特普（RTP）公司正在研发PLA/PC复合材料，并积极的将其应用于汽车零部件。

4. 部分生物质合成高分子材料

随着石油资源的日益枯竭，开发生物质化学品成为研究和应用的重点，特别是生产一些中间体，并由此合成高性能的高分子材料引起了广泛的关注。这些中间体包括丁二酸（琥珀酸）、正丁醇、丙烯酸、己二酸、乙酰基及甲基丙烯酸甲酯（MMA）。而由此合成的高性能高分子材料包括生物质尼龙、生物质聚氨酯及生物质聚对苯二甲酸丁二醇酯等。

以丁二酸为例，首先以秸秆、玉米或木薯为原料，通过筛选、闪蒸、膨化和酶处理将其转化成葡萄糖，接着抽除空气，将二氧化碳泵送入内，在一定的菌株的存在下消耗葡萄糖和二氧化碳生成丁二酸。在发酵过程中连续加入氢氧化铵调调节PH值，在溶液中形成丁二酸铵，再经过蒸发提浓形成丁二酸结晶。而形成的丁二酸又可以进一步的经过催化形成丁二醇等中间体 [10] 。目前，利用该种方法生产丁二酸的企业包括德国的巴斯夫（BASF）、美国的Eastmann、荷兰的普拉克（Purac）、日本的昭和、韩国的SK等，国内的企业有安徽的和兴化工，浙江的鑫富等。