摘要：生物基材料因其環(huán)保、可再生、原料來源廣泛等優(yōu)點越來越受到廣泛的關注和政策的大力支持。概述了生物基材料在汽車行業(yè)的應用現(xiàn)狀、技術進展，并展望了其未來的發(fā)展趨勢。

　　關鍵詞：生物基材料;汽車;發(fā)展趨勢

　　1生物基材料發(fā)展現(xiàn)狀

　　生物基材料是指利用可再生生物質(zhì)，包括農(nóng)作物、樹木和其他動植物的內(nèi)含物及其殘體為原料，通過生物、化學及物理的手段制造的材料。生物基材料的概念是相對于傳統(tǒng)的石化基材料而言的，目前汽車行業(yè)里普遍應用的塑料、橡膠、油漆等非金屬材料的原材料基本都來源于石化產(chǎn)業(yè)，屬于高能耗、高污染、不可再生的材料，生物基材料的發(fā)展符合當下更加注重環(huán)保的大趨勢，得到國內(nèi)和國際政策的大力支持。

　　在新的世界經(jīng)濟論壇(WEF)報告中，生物塑料在新興技術2019TOP10中排名第一，高于社交機器人、微型設備的微型鏡片，以及作為藥物目標的無序蛋白質(zhì)、更智能的肥料、協(xié)作遠程呈現(xiàn)、高級食品跟蹤和包裝、更安全的核反應堆、DNA數(shù)據(jù)存儲和可再生能源的公用事業(yè)規(guī)模儲存。據(jù)歐洲生物技術頂級研究機構NovaInstitute統(tǒng)計，2018年全球生物基材料總體產(chǎn)量已經(jīng)達到石化基材料的2%，如果生物基材料被廣泛認可和積極推廣，預計年增長率可以達到10%～20%。

　　2汽車用生物基材料的分類及應用方向

　　生物基材料可以分為生物纖維、生物提取物和農(nóng)產(chǎn)廢棄物三大類，作為傳統(tǒng)塑料、橡膠、皮革及紡織品的替代物[1⁃5]，可以廣泛用作汽車內(nèi)外飾或者結構件。生物纖維是指由樹木、麻、椰殼、竹子等農(nóng)作物提取的纖維，其中麻纖維又有亞麻、劍麻、大麻、洋麻等種類，以麻纖維、木纖維為代表的生物纖維復合材料主要用作汽車內(nèi)外飾件，如車門板、儀表板、座椅靠背等;生物提取物是指以從生物原料中提取的成分作為原料來合成的材料，其中的生物基化學纖維又有絲素蛋白改性纖維、大豆蛋白改性纖維、酪蛋白改性纖維、蠶蛹蛋白改性纖維、膠原蛋白改性纖維等種類，主要用來替代傳統(tǒng)的材料，如聚酰胺(PA)塑料、環(huán)氧樹脂、碳纖維、橡膠、聚氨酯、織物等的應用;農(nóng)產(chǎn)廢棄物是指以果皮、咖啡渣、蝦蟹殼等作為原料制成的材料，可以用來制做紡織品、皮革，或者用作塑料添加劑。

　　3生物基材料在汽車行業(yè)的應用進展

　　3.1福特汽車公司

　　福特汽車公司(簡稱福特)在密歇根迪爾伯恩擁有一家研發(fā)創(chuàng)新中心，從20世紀20年代起就致力于生物材料的開發(fā)[6]，大豆材質(zhì)的泡沫、密封膠、墊圈，蓖麻材質(zhì)的泡沫、塑料，以及天然纖維增強材料都在福特的車型上得到了實際應用，平均用量達到了每車9～18kg。

　　另外，福特在過去數(shù)年與各供應商對采用竹制內(nèi)飾的可行性進行測試評估，目的是將竹子與塑料結合，增強其內(nèi)飾件的強度。將洋麻應用到Escape車型的車門內(nèi)墊板中;采用稻殼強化的F⁃150線束塑料件;將大豆基聚氨酯用在北美產(chǎn)品線中的坐墊、椅背及頭枕中;使用麥稈強化制造Flex車型的貯倉;使用纖維素木纖維取代玻璃纖維，作為林肯KKX車型的座椅扶手材料;聯(lián)手麥當勞嘗試用咖啡渣來制造汽車零部件，可使汽車零部件質(zhì)量降低約20%;從椰子和棉花中提取材料用于地毯和坐墊。

　　3.2大眾汽車公司

　　大眾汽車公司(簡稱大眾)的生物基材料應用主要集中在使用木纖維復合材料替代傳統(tǒng)的材料，以實現(xiàn)環(huán)保、減重、降噪等效果。大眾在VDI發(fā)布會現(xiàn)場使用木纖維作為賣點，XL1車型的儀表板使用木纖維減重6kg，整車內(nèi)飾使用木纖維總共減重104kg;另外，IDRoomzz概念座椅采用了名為AppleSkin的紡織品，其中包含了蘋果汁生產(chǎn)中的殘留物。

　　3.3寶馬汽車公司

　　寶馬汽車公司(簡稱寶馬)的生物基材料除了在概念車上使用以彰顯環(huán)保的設計理念外，目前量產(chǎn)的主要是木纖維增強的復合材料制作的內(nèi)飾零件，如寶馬X5車型座椅靠背板和5系車型門內(nèi)飾板。寶馬曾利用大熱的3D打印技術推出了一款名為Maasaica的概念車。

　　這款車最獨特的地方在于材料———由菌絲和草的混合物，該混合物是在3D打印的結構上生長形成的。寶馬專門設立了電動汽車子品牌i，旗下的i3是一款在環(huán)保性上極具代表性的車型。內(nèi)飾上，i3采用了從錦葵科植物中提取的成分代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料，座椅材質(zhì)則混合了40%羊毛。車內(nèi)的皮質(zhì)內(nèi)飾使用的是橄欖樹葉的天然鞣革劑鞣制，取代了可能產(chǎn)生甲醛的鉻鞣�；�于上述環(huán)保性材料的使用，該車型上95%的材料都可以回收再利用。

　　3.4保時捷汽車公司

　　保時捷汽車公司(簡稱保時捷)全新718Cay⁃manGT4是第一款配備由天然纖維復合材料制造車身部件的量產(chǎn)賽車。2扇門及尾翼由一種主要取自農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品如亞麻和大麻纖維的混合有機纖維制成，其質(zhì)量和剛性方面的性能與碳纖維相當。據(jù)境外媒體報道，在2020年的紐博格林24h耐力賽上，保時捷718CaymanGT4ClubsportMR首次使用由天然纖維復合材料制成的完整車身套件，其中包括前后擋板、前擾流板、前后蓋，以及包括空氣動力鰭在內(nèi)的擋泥板和擴散器。

　　這類可持續(xù)性天然纖維復合材料基于種植亞麻纖維，不會與糧食作物發(fā)生沖突。此項研發(fā)始于2016年，由保時捷、德國聯(lián)邦食品與農(nóng)業(yè)部(BMEL)、弗勞恩霍夫協(xié)會(FraunhoferWKI)和瑞士Bcomp公司合作完成。在24h耐力賽中，德國FourMotors公關公司與Project1Motorsport賽車隊合作，為這款天然纖維718CaymanGT4ClubsportMR進行首次賽車速度測試。

　　3.5馬自達汽車公司

　　馬自達汽車公司(簡稱馬自達)在生物基材料的應用方面也有相當多的嘗試和量產(chǎn)落地，特別是在結構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僅作為裝飾件或者僅作為設計概念的狀況。自2013年以來，馬自達和三菱化學公司(簡稱三菱化學)一直在開發(fā)一系列用于汽車內(nèi)外飾件的新型材料[6]。

　　目前，2家公司生產(chǎn)的Durabio⁃生物基聚碳酸酯正在被用來制造大型外飾件。新型Durabio⁃生物基聚碳酸酯部分基于異山梨醇，而異山梨醇又是從山梨糖醇衍生來的，山梨糖醇是一種廣泛使用的天然原料。Durabio樹脂的性能與工程塑料類似，其拉伸模量通常在2300～2700MPa，拉伸強度為64～79MPa，彎曲模量為2100～2700MPa，抗彎強度為94～116MPa。該材料的透明性也意味著它是高度可著色的，顏料分散在有色化合物中，不需要涂漆。

　　此外，據(jù)稱其沖擊強度和耐候性比100%石油衍生的工程塑料優(yōu)越，而高表面硬度則賦予材料良好的耐劃傷性。三菱化學報告稱該材料還成功應用于各種汽車內(nèi)外飾件，包括支柱。馬自達和三菱化學開發(fā)的最新牌號生物工程塑料Durabio成分有所改進，以進一步改善其在沖擊強度、耐候性和可加工性方面的性能平衡，從而使得能夠成型如此大的部件。

　　馬自達計劃在未來的車型中采用該牌號工程塑料，三菱化學則打算進一步開發(fā)Durabio⁃生物基塑料在大型汽車零部件方面的應用。巴斯夫公司Ultramid

　　3.6其他汽車公司

　　沃爾沃汽車公司提出了到2025年25%左右的塑料零件來源于可再生原料。旗下高端電動品牌極星發(fā)布了的全新概念車Precept，其無縫編織成型汽車座椅原料源自可回收的對苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料瓶。

　　此外，Precept內(nèi)襯和頭枕由從紅酒軟木塞制造中產(chǎn)生的軟木廢料和瓶塞制成，地毯則利用回收的漁網(wǎng)制成，而面板和座椅背板由天然亞麻纖維復合材料制作，相比傳統(tǒng)內(nèi)飾件減重高達50%，處處彰顯著環(huán)保與科技相融合的理念。路虎汽車公司在紐約汽車展上展示的純蔬菜材料，被配備在其2020款攬勝Evoque、攬勝Velar和捷豹I⁃PaceSUV上;攬勝Evoque的裝飾選項之一———Tencel，采用了木纖維制成的植物紡織品。早在2010年，豐田汽車公司就宣布使用一種新型生物塑料，該塑料30%的原料是從甘蔗中提取的。這種材料在當時主要用于車門、坐墊和磨損板等內(nèi)飾。

　　目前，這種生物塑料的使用范圍已經(jīng)延伸到裝飾件以外，例如普銳斯的車架中就使用了一種由玉米、甘蔗和洋麻制成的生物塑料。據(jù)境外媒體報道，南非約翰內(nèi)斯堡大學的研究人員證實，一種淀粉類香蕉———車前草是一種很有前景的原料，可用作汽車業(yè)的新興復合材料。將天然車前草纖維與碳納米管和環(huán)氧樹脂相結合，可以制成一種天然纖維增強型聚合物混合納米復合材料。研究人員用環(huán)氧樹脂、處理過的車前草纖維和碳納米管制成了一種復合材料。碳納米管的最佳用量是車前草-環(huán)氧樹脂加起來質(zhì)量的1%。最終得到的車前草納米復合材料比環(huán)氧樹脂自身更堅固、更堅硬。該復合材料的抗拉強度比環(huán)氧樹脂本身高31%，抗彎強度高34%。此外，該材料的拉伸模量比環(huán)氧樹脂高52%，彎曲模量高29%。

　　4汽車用生物基材料的制約因素及未來發(fā)展方向

　　生物基材料的優(yōu)勢明顯，但同時也有眾多的因素制約了其在汽車的大規(guī)模應用，行業(yè)存在技術點以待突破。

　　4.1制約因素

　　(1)植物基纖維的差異化比較大，材料種類單一，可控性較差。(2)生物基材料熱穩(wěn)定性較差，用于汽車，在高溫條件下力學性能達不到標準。(3)加工技術不夠成熟，產(chǎn)能不足。(4)多數(shù)生物基材料成本高于石油基材料。(5)目前應用的領域相對低端，汽車電子等高端領域應用亟待突破。(6)其他的問題還包括：氣味、濕度敏感性、降解及耐惡劣環(huán)境。

　　4.2技術突破點

　　4.2.1植物纖維的高效分散生物基纖維柔軟蓬松，甚至成團成塊，在傳統(tǒng)的擠出造粒生產(chǎn)體系中，很難完成連續(xù)分散加工。采用間歇式密煉工藝，既拖慢生產(chǎn)節(jié)拍、浪費能源，又容易過度剪切，造成纖維斷裂，進而影響材料性能。因此，前期車廠在加工生物基纖維復合材料時，多采用纖維氈模壓或樹脂傳遞模塑(RTM)技術工藝，保證生物基纖維的增強效果。但眾所周知，注射成型這種節(jié)拍快、精度高、滿足復雜形狀設計的工藝，是汽車工業(yè)的首選。滿足注射級要求的高效分散生物基纖維增強材料，是新材料發(fā)展的方向。

　　4.2.2植物纖維與樹脂的相界面連接相容性提高生物基纖維，如麻纖維、木纖維、竹纖維、秸稈纖維，其表面為多羥基基團，與多數(shù)熱塑性聚合物的界面不相容，即使分散均勻，也很難起到增強效果。改善界面相容性的方法有2種[7]：(1)纖維表面改性，進行疏水化處理;(2)增容改性，加入相容劑。2種方法都是通過增加纖維與樹脂界面相容程度的方法，提高材料的整體性能，達到增強目的。

　　4.2.3原材料的綜合化利用

　　各類生物基材料的原材料來源極為廣泛且多元化，如天然植物纖維以植物和農(nóng)作物的種皮、莖、葉等形式分布散布各處，導致收集成本較高，雜質(zhì)較多，最后的綜合化利用也比較困難。因此，探索更有效、更具規(guī)模的分類、初加工及多樣綜合化的利用技術，是生物基材料規(guī)模發(fā)展的技術方向。

　　4.2.4加工方法和加工設備的升級

　　工業(yè)上常用的機械設備無法完成預加工和纖維化，或加工成本極高，因此距離復合材料的制造與產(chǎn)業(yè)化依然比較遙遠。在與聚合物均勻混合的問題上，常用的雙螺桿加工設備在植物長纖維和顆粒下料等問題上存在幾乎難以克服的障礙。某公司開發(fā)了一種高速共混設備，該設備可以在一定地域范圍多點生產(chǎn)，其高效的纖維破碎和非常強的共混攪拌扭矩，能讓高含量的植物纖維與塑料樹脂充分共混，再配以優(yōu)選的相容助劑，在一個工藝步驟內(nèi)克服了天然纖維原材料制備和加工問題，實現(xiàn)其與聚合物之間分散與相容，還能有效控制纖維素“焦燒”問題，最終成功制備出植物纖維填充質(zhì)量分數(shù)高達60%的注塑用顆粒，并且能夠有效保證纖維長度保留在3～10mm，未來有望出現(xiàn)更多類似的進展[6]。

　　4.2.5可滿足汽車應用性能的綜合改性

　　車用材料在外觀、尺寸精度、工藝性能、工作環(huán)境、法規(guī)、成本等方面對生物基材料都提出了更高的要求，在實際應用中，也碰到諸如耐高溫老化、耐光照、氣味、揮發(fā)性有機化合物(VOC)超標等問題，同時研究機構和材料廠商正在尋求通過改性添加劑、改善工藝，或者尋找性能更好的替代材料，以推進生物基材料更廣泛的應用。

　　5結語

　　目前生物基材料在汽車行業(yè)的量產(chǎn)應用大多集中在以木纖維、麻纖維為代表的天然纖維增強的復合材料，許多解決方案僅在合成材料基質(zhì)中含有一部分生物來源材料，以天然纖維替代一部分玻璃纖維的作用，以實現(xiàn)環(huán)保、減重、降噪等效果。隨著環(huán)保理念的越發(fā)深入人心、法規(guī)要求的越發(fā)嚴格，以及技術和應用上不斷取得的進展，相信未來會看到更多的生物基材料應用在量產(chǎn)車型上，如生物基PA、大豆基聚氨酯、生物基纖維等都是比較有前景的研究方向。

　　參考文獻：

　　[1]靳玲，張政鑫，王杰，等.PVC基植物纖維復合材料的研究進展[J].上海塑料，2020(3)：12⁃19.

　　[2]徐玉珍.生物基高分子材料的研究進展[J].化工設計通訊，2020(8)：36⁃43.

　　[3]冷雪冬，張鳳山，蔡小霞，等.生物基聚氨酯泡沫材料研究進展[J].齊魯工業(yè)大學學報，2020(3)：1⁃7.

　　作者：孫衍林，羅涌泉