摘要：生物基材料因其環(huán)保、可再生、原料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到廣泛的關(guān)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(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)進(jìn)展，并展望了其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵詞：生物基材料;汽車;發(fā)展趨勢(shì)

　　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(shù)木和其他動(dòng)植物的內(nèi)含物及其殘?bào)w為原料，通過(guò)生物、化學(xué)及物理的手段制造的材料。生物基材料的概念是相對(duì)于傳統(tǒng)的石化基材料而言的，目前汽車行業(yè)里普遍應(yīng)用的塑料、橡膠、油漆等非金屬材料的原材料基本都來(lái)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(dāng)下更加注重環(huán)保的大趨勢(shì)，得到國(guó)內(nèi)和國(guó)際政策的大力支持。

　　在新的世界經(jīng)濟(jì)論壇(WEF)報(bào)告中，生物塑料在新興技術(shù)2019TOP10中排名第一，高于社交機(jī)器人、微型設(shè)備的微型鏡片，以及作為藥物目標(biāo)的無(wú)序蛋白質(zhì)、更智能的肥料、協(xié)作遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、高級(jí)食品跟蹤和包裝、更安全的核反應(yīng)堆、DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和可再生能源的公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)存。據(jù)歐洲生物技術(shù)頂級(jí)研究機(jī)構(gòu)NovaInstitute統(tǒng)計(jì)，2018年全球生物基材料總體產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到石化基材料的2%，如果生物基材料被廣泛認(rèn)可和積極推廣，預(yù)計(jì)年增長(zhǎng)率可以達(dá)到10%～20%。

　　2汽車用生物基材料的分類及應(yīng)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(jié)構(gòu)件。生物纖維是指由樹(shù)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(fù)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(lái)合成的材料，其中的生物基化學(xué)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(lái)替代傳統(tǒng)的材料，如聚酰胺(PA)塑料、環(huán)氧樹(shù)脂、碳纖維、橡膠、聚氨酯、織物等的應(yīng)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(lái)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(yīng)用進(jìn)展

　　3.1福特汽車公司

　　福特汽車公司(簡(jiǎn)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(jì)20年代起就致力于生物材料的開(kāi)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(qiáng)材料都在福特的車型上得到了實(shí)際應(yīng)用，平均用量達(dá)到了每車9～18kg。

　　另外，福特在過(guò)去數(shù)年與各供應(yīng)商對(duì)采用竹制內(nèi)飾的可行性進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，目的是將竹子與塑料結(jié)合，增強(qiáng)其內(nèi)飾件的強(qiáng)度。將洋麻應(yīng)用到Escape車型的車門內(nèi)墊板中;采用稻殼強(qiáng)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(qiáng)化制造Flex車型的貯倉(cāng);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(dāng)勞嘗試用咖啡渣來(lái)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(jiǎn)稱大眾)的生物基材料應(yīng)用主要集中在使用木纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的材料，以實(shí)現(xiàn)環(huán)保、減重、降噪等效果。大眾在VDI發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)使用木纖維作為賣點(diǎn)，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(jiǎn)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(shè)計(jì)理念外，目前量產(chǎn)的主要是木纖維增強(qiáng)的復(fù)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(shù)推出了一款名為Maasaica的概念車。

　　這款車最獨(dú)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(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)形成的。寶馬專門設(shè)立了電動(dòng)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(shù)葉的天然鞣革劑鞣制，取代了可能產(chǎn)生甲醛的鉻鞣。基于上述環(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(shí)捷汽車公司

　　保時(shí)捷汽車公司(簡(jiǎn)稱保時(shí)捷)全新718Cay⁃manGT4是第一款配備由天然纖維復(fù)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(jī)纖維制成，其質(zhì)量和剛性方面的性能與碳纖維相當(dāng)。據(jù)境外媒體報(bào)道，在2020年的紐博格林24h耐力賽上，保時(shí)捷718CaymanGT4ClubsportMR首次使用由天然纖維復(fù)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(dòng)力鰭在內(nèi)的擋泥板和擴(kuò)散器。

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

　　3.5馬自達(dá)汽車公司

　　馬自達(dá)汽車公司(簡(jiǎn)稱馬自達(dá))在生物基材料的應(yīng)用方面也有相當(dāng)多的嘗試和量產(chǎn)落地，特別是在結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)概念的狀況。自2013年以來(lái)，馬自達(dá)和三菱化學(xué)公司(簡(jiǎn)稱三菱化學(xué))一直在開(kāi)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(lái)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(lái)的，山梨糖醇是一種廣泛使用的天然原料。Durabio樹(shù)脂的性能與工程塑料類似，其拉伸模量通常在2300～2700MPa，拉伸強(qiáng)度為64～79MPa，彎曲模量為2100～2700MPa，抗彎強(qiáng)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(qiáng)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(xué)報(bào)告稱該材料還成功應(yīng)用于各種汽車內(nèi)外飾件，包括支柱。馬自達(dá)和三菱化學(xué)開(kāi)發(fā)的最新牌號(hào)生物工程塑料Durabio成分有所改進(jìn)，以進(jìn)一步改善其在沖擊強(qiáng)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(dá)計(jì)劃在未來(lái)的車型中采用該牌號(hào)工程塑料，三菱化學(xué)則打算進(jìn)一步開(kāi)發(fā)Durabio⁃生物基塑料在大型汽車零部件方面的應(yīng)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(lái)源于可再生原料。旗下高端電動(dòng)品牌極星發(fā)布了的全新概念車Precept，其無(wú)縫編織成型汽車座椅原料源自可回收的對(duì)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(fù)合材料制作，相比傳統(tǒng)內(nèi)飾件減重高達(dá)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(xiàng)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(dāng)時(shí)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(bào)道，南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)的研究人員證實(shí)，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(fù)合材料。將天然車前草纖維與碳納米管和環(huán)氧樹(shù)脂相結(jié)合，可以制成一種天然纖維增強(qiáng)型聚合物混合納米復(fù)合材料。研究人員用環(huán)氧樹(shù)脂、處理過(guò)的車前草纖維和碳納米管制成了一種復(fù)合材料。碳納米管的最佳用量是車前草-環(huán)氧樹(shù)脂加起來(lái)質(zhì)量的1%。最終得到的車前草納米復(fù)合材料比環(huán)氧樹(shù)脂自身更堅(jiān)固、更堅(jiān)硬。該復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度比環(huán)氧樹(shù)脂本身高31%，抗彎強(qiáng)度高34%。此外，該材料的拉伸模量比環(huán)氧樹(shù)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(lái)發(fā)展方向

　　生物基材料的優(yōu)勢(shì)明顯，但同時(shí)也有眾多的因素制約了其在汽車的大規(guī)模應(yīng)用，行業(yè)存在技術(shù)點(diǎn)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(xué)性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。(3)加工技術(shù)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(yīng)用的領(lǐng)域相對(duì)低端，汽車電子等高端領(lǐng)域應(yīng)用亟待突破。(6)其他的問(wèn)題還包括：氣味、濕度敏感性、降解及耐惡劣環(huán)境。

　　4.2技術(shù)突破點(diǎn)

　　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(tuán)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(fèi)能源，又容易過(guò)度剪切，造成纖維斷裂，進(jìn)而影響材料性能。因此，前期車廠在加工生物基纖維復(fù)合材料時(shí)，多采用纖維氈模壓或樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)技術(shù)工藝，保證生物基纖維的增強(qiáng)效果。但眾所周知，注射成型這種節(jié)拍快、精度高、滿足復(fù)雜形狀設(shè)計(jì)的工藝，是汽車工業(yè)的首選。滿足注射級(jí)要求的高效分散生物基纖維增強(qiáng)材料，是新材料發(fā)展的方向。

　　4.2.2植物纖維與樹(shù)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(tuán)，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(qiáng)效果。改善界面相容性的方法有2種[7]：(1)纖維表面改性，進(jìn)行疏水化處理;(2)增容改性，加入相容劑。2種方法都是通過(guò)增加纖維與樹(shù)脂界面相容程度的方法，提高材料的整體性能，達(dá)到增強(qiáng)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(lái)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(dǎo)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(shù)，是生物基材料規(guī)模發(fā)展的技術(shù)方向。

　　4.2.4加工方法和加工設(shè)備的升級(jí)

　　工業(yè)上常用的機(jī)械設(shè)備無(wú)法完成預(yù)加工和纖維化，或加工成本極高，因此距離復(fù)合材料的制造與產(chǎn)業(yè)化依然比較遙遠(yuǎn)。在與聚合物均勻混合的問(wèn)題上，常用的雙螺桿加工設(shè)備在植物長(zhǎng)纖維和顆粒下料等問(wèn)題上存在幾乎難以克服的障礙。某公司開(kāi)發(fā)了一種高速共混設(shè)備，該設(shè)備可以在一定地域范圍多點(diǎn)生產(chǎn)，其高效的纖維破碎和非常強(qiáng)的共混攪拌扭矩，能讓高含量的植物纖維與塑料樹(shù)脂充分共混，再配以優(yōu)選的相容助劑，在一個(gè)工藝步驟內(nèi)克服了天然纖維原材料制備和加工問(wèn)題，實(shí)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(wèn)題，最終成功制備出植物纖維填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)60%的注塑用顆粒，并且能夠有效保證纖維長(zhǎng)度保留在3～10mm，未來(lái)有望出現(xiàn)更多類似的進(jìn)展[6]。

　　4.2.5可滿足汽車應(yīng)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(duì)生物基材料都提出了更高的要求，在實(shí)際應(yīng)用中，也碰到諸如耐高溫老化、耐光照、氣味、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)超標(biāo)等問(wèn)題，同時(shí)研究機(jī)構(gòu)和材料廠商正在尋求通過(guò)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(jìn)生物基材料更廣泛的應(yīng)用。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　目前生物基材料在汽車行業(yè)的量產(chǎn)應(yīng)用大多集中在以木纖維、麻纖維為代表的天然纖維增強(qiáng)的復(fù)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(lái)源材料，以天然纖維替代一部分玻璃纖維的作用，以實(shí)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(yán)格，以及技術(shù)和應(yīng)用上不斷取得的進(jìn)展，相信未來(lái)會(huì)看到更多的生物基材料應(yīng)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。

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　　作者：孫衍林，羅涌泉