生物基材料在汽车行业的应用进展

　　摘要：生物基材料因其环保、可再生、原料来源广泛等优点越来越受到广泛的关注和政策的大力支持。概述了生物基材料在汽车行业的应用现状、技术进展，并展望了其未来的发展趋势。

　　关键词：生物基材料;汽车;发展趋势

　　1生物基材料发展现状

　　生物基材料是指利用可再生生物质，包括农作物、树木和其他动植物的内含物及其残体为原料，通过生物、化学及物理的手段制造的材料。生物基材料的概念是相对于传统的石化基材料而言的，目前汽车行业里普遍应用的塑料、橡胶、油漆等非金属材料的原材料基本都来源于石化产业，属于高能耗、高污染、不可再生的材料，生物基材料的发展符合当下更加注重环保的大趋势，得到国内和国际政策的大力支持。

　　在新的世界经济论坛(WEF)报告中，生物塑料在新兴技术2019TOP10中排名第一，高于社交机器人、微型设备的微型镜片，以及作为药物目标的无序蛋白质、更智能的肥料、协作远程呈现、高级食品跟踪和包装、更安全的核反应堆、DNA数据存储和可再生能源的公用事业规模储存。据欧洲生物技术顶级研究机构NovaInstitute统计，2018年全球生物基材料总体产量已经达到石化基材料的2%，如果生物基材料被广泛认可和积极推广，预计年增长率可以达到10%～20%。

　　2汽车用生物基材料的分类及应用方向

　　生物基材料可以分为生物纤维、生物提取物和农产废弃物三大类，作为传统塑料、橡胶、皮革及纺织品的替代物[1⁃5]，可以广泛用作汽车内外饰或者结构件。生物纤维是指由树木、麻、椰壳、竹子等农作物提取的纤维，其中麻纤维又有亚麻、剑麻、大麻、洋麻等种类，以麻纤维、木纤维为代表的生物纤维复合材料主要用作汽车内外饰件，如车门板、仪表板、座椅靠背等;生物提取物是指以从生物原料中提取的成分作为原料来合成的材料，其中的生物基化学纤维又有丝素蛋白改性纤维、大豆蛋白改性纤维、酪蛋白改性纤维、蚕蛹蛋白改性纤维、胶原蛋白改性纤维等种类，主要用来替代传统的材料，如聚酰胺(PA)塑料、环氧树脂、碳纤维、橡胶、聚氨酯、织物等的应用;农产废弃物是指以果皮、咖啡渣、虾蟹壳等作为原料制成的材料，可以用来制做纺织品、皮革，或者用作塑料添加剂。

　　3生物基材料在汽车行业的应用进展

　　3.1福特汽车公司

　　福特汽车公司(简称福特)在密歇根迪尔伯恩拥有一家研发创新中心，从20世纪20年代起就致力于生物材料的开发[6]，大豆材质的泡沫、密封胶、垫圈，蓖麻材质的泡沫、塑料，以及天然纤维增强材料都在福特的车型上得到了实际应用，平均用量达到了每车9～18kg。

　　另外，福特在过去数年与各供应商对采用竹制内饰的可行性进行测试评估，目的是将竹子与塑料结合，增强其内饰件的强度。将洋麻应用到Escape车型的车门内垫板中;采用稻壳强化的F⁃150线束塑料件;将大豆基聚氨酯用在北美产品线中的坐垫、椅背及头枕中;使用麦秆强化制造Flex车型的贮仓;使用纤维素木纤维取代玻璃纤维，作为林肯KKX车型的座椅扶手材料;联手麦当劳尝试用咖啡渣来制造汽车零部件，可使汽车零部件质量降低约20%;从椰子和棉花中提取材料用于地毯和坐垫。

　　3.2大众汽车公司

　　大众汽车公司(简称大众)的生物基材料应用主要集中在使用木纤维复合材料替代传统的材料，以实现环保、减重、降噪等效果。大众在VDI发布会现场使用木纤维作为卖点，XL1车型的仪表板使用木纤维减重6kg，整车内饰使用木纤维总共减重104kg;另外，IDRoomzz概念座椅采用了名为AppleSkin的纺织品，其中包含了苹果汁生产中的残留物。

　　3.3宝马汽车公司

　　宝马汽车公司(简称宝马)的生物基材料除了在概念车上使用以彰显环保的设计理念外，目前量产的主要是木纤维增强的复合材料制作的内饰零件，如宝马X5车型座椅靠背板和5系车型门内饰板。宝马曾利用大热的3D打印技术推出了一款名为Maasaica的概念车。

　　这款车最独特的地方在于材料———由菌丝和草的混合物，该混合物是在3D打印的结构上生长形成的。宝马专门设立了电动汽车子品牌i，旗下的i3是一款在环保性上极具代表性的车型。内饰上，i3采用了从锦葵科植物中提取的成分代替传统塑料，座椅材质则混合了40%羊毛。车内的皮质内饰使用的是橄榄树叶的天然鞣革剂鞣制，取代了可能产生甲醛的铬鞣。基于上述环保性材料的使用，该车型上95%的材料都可以回收再利用。

　　3.4保时捷汽车公司

　　保时捷汽车公司(简称保时捷)全新718Cay⁃manGT4是第一款配备由天然纤维复合材料制造车身部件的量产赛车。2扇门及尾翼由一种主要取自农业副产品如亚麻和大麻纤维的混合有机纤维制成，其质量和刚性方面的性能与碳纤维相当。据境外媒体报道，在2020年的纽博格林24h耐力赛上，保时捷718CaymanGT4ClubsportMR首次使用由天然纤维复合材料制成的完整车身套件，其中包括前后挡板、前扰流板、前后盖，以及包括空气动力鳍在内的挡泥板和扩散器。

　　这类可持续性天然纤维复合材料基于种植亚麻纤维，不会与粮食作物发生冲突。此项研发始于2016年，由保时捷、德国联邦食品与农业部(BMEL)、弗劳恩霍夫协会(FraunhoferWKI)和瑞士Bcomp公司合作完成。在24h耐力赛中，德国FourMotors公关公司与Project1Motorsport赛车队合作，为这款天然纤维718CaymanGT4ClubsportMR进行首次赛车速度测试。

　　3.5马自达汽车公司

　　马自达汽车公司(简称马自达)在生物基材料的应用方面也有相当多的尝试和量产落地，特别是在结构件上使用生物基材料以替代部分工程塑料，突破了以往生物基材料仅作为装饰件或者仅作为设计概念的状况。自2013年以来，马自达和三菱化学公司(简称三菱化学)一直在开发一系列用于汽车内外饰件的新型材料[6]。

　　目前，2家公司生产的Durabio⁃生物基聚碳酸酯正在被用来制造大型外饰件。新型Durabio⁃生物基聚碳酸酯部分基于异山梨醇，而异山梨醇又是从山梨糖醇衍生来的，山梨糖醇是一种广泛使用的天然原料。Durabio树脂的性能与工程塑料类似，其拉伸模量通常在2300～2700MPa，拉伸强度为64～79MPa，弯曲模量为2100～2700MPa，抗弯强度为94～116MPa。该材料的透明性也意味着它是高度可着色的，颜料分散在有色化合物中，不需要涂漆。

　　此外，据称其冲击强度和耐候性比100%石油衍生的工程塑料优越，而高表面硬度则赋予材料良好的耐划伤性。三菱化学报告称该材料还成功应用于各种汽车内外饰件，包括支柱。马自达和三菱化学开发的最新牌号生物工程塑料Durabio成分有所改进，以进一步改善其在冲击强度、耐候性和可加工性方面的性能平衡，从而使得能够成型如此大的部件。

　　马自达计划在未来的车型中采用该牌号工程塑料，三菱化学则打算进一步开发Durabio⁃生物基塑料在大型汽车零部件方面的应用。巴斯夫公司Ultramid

　　3.6其他汽车公司

　　沃尔沃汽车公司提出了到2025年25%左右的塑料零件来源于可再生原料。旗下高端电动品牌极星发布了的全新概念车Precept，其无缝编织成型汽车座椅原料源自可回收的对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料瓶。

　　此外，Precept内衬和头枕由从红酒软木塞制造中产生的软木废料和瓶塞制成，地毯则利用回收的渔网制成，而面板和座椅背板由天然亚麻纤维复合材料制作，相比传统内饰件减重高达50%，处处彰显着环保与科技相融合的理念。路虎汽车公司在纽约汽车展上展示的纯蔬菜材料，被配备在其2020款揽胜Evoque、揽胜Velar和捷豹I⁃PaceSUV上;揽胜Evoque的装饰选项之一———Tencel，采用了木纤维制成的植物纺织品。早在2010年，丰田汽车公司就宣布使用一种新型生物塑料，该塑料30%的原料是从甘蔗中提取的。这种材料在当时主要用于车门、坐垫和磨损板等内饰。

　　目前，这种生物塑料的使用范围已经延伸到装饰件以外，例如普锐斯的车架中就使用了一种由玉米、甘蔗和洋麻制成的生物塑料。据境外媒体报道，南非约翰内斯堡大学的研究人员证实，一种淀粉类香蕉———车前草是一种很有前景的原料，可用作汽车业的新兴复合材料。将天然车前草纤维与碳纳米管和环氧树脂相结合，可以制成一种天然纤维增强型聚合物混合纳米复合材料。研究人员用环氧树脂、处理过的车前草纤维和碳纳米管制成了一种复合材料。碳纳米管的最佳用量是车前草-环氧树脂加起来质量的1%。最终得到的车前草纳米复合材料比环氧树脂自身更坚固、更坚硬。该复合材料的抗拉强度比环氧树脂本身高31%，抗弯强度高34%。此外，该材料的拉伸模量比环氧树脂高52%，弯曲模量高29%。

　　4汽车用生物基材料的制约因素及未来发展方向

　　生物基材料的优势明显，但同时也有众多的因素制约了其在汽车的大规模应用，行业存在技术点以待突破。

　　4.1制约因素

　　(1)植物基纤维的差异化比较大，材料种类单一，可控性较差。(2)生物基材料热稳定性较差，用于汽车，在高温条件下力学性能达不到标准。(3)加工技术不够成熟，产能不足。(4)多数生物基材料成本高于石油基材料。(5)目前应用的领域相对低端，汽车电子等高端领域应用亟待突破。(6)其他的问题还包括：气味、湿度敏感性、降解及耐恶劣环境。

　　4.2技术突破点

　　4.2.1植物纤维的高效分散生物基纤维柔软蓬松，甚至成团成块，在传统的挤出造粒生产体系中，很难完成连续分散加工。采用间歇式密炼工艺，既拖慢生产节拍、浪费能源，又容易过度剪切，造成纤维断裂，进而影响材料性能。因此，前期车厂在加工生物基纤维复合材料时，多采用纤维毡模压或树脂传递模塑(RTM)技术工艺，保证生物基纤维的增强效果。但众所周知，注射成型这种节拍快、精度高、满足复杂形状设计的工艺，是汽车工业的首选。满足注射级要求的高效分散生物基纤维增强材料，是新材料发展的方向。

　　4.2.2植物纤维与树脂的相界面连接相容性提高生物基纤维，如麻纤维、木纤维、竹纤维、秸秆纤维，其表面为多羟基基团，与多数热塑性聚合物的界面不相容，即使分散均匀，也很难起到增强效果。改善界面相容性的方法有2种[7]：(1)纤维表面改性，进行疏水化处理;(2)增容改性，加入相容剂。2种方法都是通过增加纤维与树脂界面相容程度的方法，提高材料的整体性能，达到增强目的。

　　4.2.3原材料的综合化利用

　　各类生物基材料的原材料来源极为广泛且多元化，如天然植物纤维以植物和农作物的种皮、茎、叶等形式分布散布各处，导致收集成本较高，杂质较多，最后的综合化利用也比较困难。因此，探索更有效、更具规模的分类、初加工及多样综合化的利用技术，是生物基材料规模发展的技术方向。

　　4.2.4加工方法和加工设备的升级

　　工业上常用的机械设备无法完成预加工和纤维化，或加工成本极高，因此距离复合材料的制造与产业化依然比较遥远。在与聚合物均匀混合的问题上，常用的双螺杆加工设备在植物长纤维和颗粒下料等问题上存在几乎难以克服的障碍。某公司开发了一种高速共混设备，该设备可以在一定地域范围多点生产，其高效的纤维破碎和非常强的共混搅拌扭矩，能让高含量的植物纤维与塑料树脂充分共混，再配以优选的相容助剂，在一个工艺步骤内克服了天然纤维原材料制备和加工问题，实现其与聚合物之间分散与相容，还能有效控制纤维素“焦烧”问题，最终成功制备出植物纤维填充质量分数高达60%的注塑用颗粒，并且能够有效保证纤维长度保留在3～10mm，未来有望出现更多类似的进展[6]。

　　4.2.5可满足汽车应用性能的综合改性

　　车用材料在外观、尺寸精度、工艺性能、工作环境、法规、成本等方面对生物基材料都提出了更高的要求，在实际应用中，也碰到诸如耐高温老化、耐光照、气味、挥发性有机化合物(VOC)超标等问题，同时研究机构和材料厂商正在寻求通过改性添加剂、改善工艺，或者寻找性能更好的替代材料，以推进生物基材料更广泛的应用。

　　5结语

　　目前生物基材料在汽车行业的量产应用大多集中在以木纤维、麻纤维为代表的天然纤维增强的复合材料，许多解决方案仅在合成材料基质中含有一部分生物来源材料，以天然纤维替代一部分玻璃纤维的作用，以实现环保、减重、降噪等效果。随着环保理念的越发深入人心、法规要求的越发严格，以及技术和应用上不断取得的进展，相信未来会看到更多的生物基材料应用在量产车型上，如生物基PA、大豆基聚氨酯、生物基纤维等都是比较有前景的研究方向。

　　参考文献：

　　[1]靳玲，张政鑫，王杰，等.PVC基植物纤维复合材料的研究进展[J].上海塑料，2020(3)：12⁃19.

　　[2]徐玉珍.生物基高分子材料的研究进展[J].化工设计通讯，2020(8)：36⁃43.

　　[3]冷雪冬，张凤山，蔡小霞，等.生物基聚氨酯泡沫材料研究进展[J].齐鲁工业大学学报，2020(3)：1⁃7.

　　作者：孙衍林，罗涌泉