汽车环保材料系列之生物基塑料

生物基材料简介

　　【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。

　　 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、DowD

　　（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

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