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生物基材料在汽车零部件中的创新应用

作者: 竹纤维产业网

2024-07-26

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一、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。

国外生物基行业政策情况


据欧洲生物技术顶级研究机构Nova Institute统计,2022年生物基聚合物总体产量约490万吨(不包含燃料乙醇),实际产量为450万吨,占化石基聚合物总产量的1%。预计到2027年,产能将增加到930万吨,年平均复合增长率(CAGR)约为14%。

据全球经济合作与发展组织(OECD)发布的“面向2030生物经济施政纲领”战略报告预计,2030年生物制造在生物经济中的贡献率将达到39%,将有25%有机化学品和20%的化石燃料(约8000亿美元)由生物基化产品取代,然而目前替代率不到5%,缺口近6000亿美元。


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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,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。汽车用生物基材料的分类下图。

汽车用生物基材料的分类

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生物基材料在汽车行业的应用

福特

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,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。

大众

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(见表1表2)。

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104 kg;

另外ID Roomzz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。

大众汽车目前的主要重点是下一代皮革替代品的基础研究,为此他们在ID. Buzz内饰中使用大量创新再生材料。

大众汽车目前的主要重点是下一代皮革替代品的基础研究,因为大众汽车已经做出了不再在全电动ID中使用动物产品的总体决定。

围绕咖啡豆银皮、纤维素等天然植物材料,大众汽车展开了环保皮革的生产制造。

此外,考虑到镀铬工艺对环境造成的负面影响,大众汽车将停止在ID. Buzz的车门饰件、仪表板、方向盘上使用镀铬材料,而是用含生物基粘合剂的仿铬涂料予以替代。

宝马

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鞋革剂鞣制,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。

保时捷

保时捷汽车公司全新718 Cay man GT4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24的力赛上,保时捷718 Cayman GT4 Clubsport MR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,以及包括空气动力在内的挡泥板和打散器。

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(Fraumbofer WKI)和理士Bcomp公司合作完成。在24h耐力赛中德玉Four Motors公关公司与Proiect 1 Motorsoort赛车队合作,为这款天然纤维718 Cayman GT4 Clubspor MR进行首次赛车速度测试。

马自达

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。

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Duabio-生物基塑料在大型汽车零部件方面的应用。

巴斯夫公司Utramid Balance创新PA解决方案用于生产新型后保险杠托架,用于生产Utra mide Balance的生物基癸二酸提取自菌麻油植物。目前该产品已被用于马自达新推出的马自达3和CX-30 2款车型。

沃尔沃

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Precent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

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Vela和捷豹I-Pace SUV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。

雷诺

雷诺在2023年9月5日的慕尼黑车展上正式发布的的新型电动车Scenic E-Tech 仪表板整流罩采用43%生物来源的洋麻,方向盘套则采用51%生物来源,其中包括由蓖麻油制成的PVC和棉纬纱。

丰田

早在2010年丰田汽车公司就宣布用一种新型生物烟料,该塑料30%的原料是从甘蒸中提取的。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业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。此外。丰田汽车公司已成功开发了蓖麻油基PU泡沫塑料座垫.

起亚

在起亚EV9车型中,起亚选择了生物聚氨酯(PU)的头枕,主要是考虑到这种材料在减少碳排放、提高植物基材料的应用等方面的潜力,最终实现更加平衡的可持续发展。生物聚氨酯不仅提供了可持续的替代材料,同时还提供舒适的乘坐体验。经过精心设计,全新起亚EV9的座椅和内饰包覆使用的生物聚氨酯材料可以提供出色的支撑和缓冲,经久耐用,同时还拥有柔软透气的质感。

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结语

目前生物基材料在汽车行业的量产应用大名集中在以木纤维,麻纤维为代表的天然纤维增强的复合材料,许多解决方案仅在会成材料基质中含有一部分生物来源材料,以天然纤维代一部分玻理纤维的作用,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。

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