挪威木質纖維素生物質研究所的科學家說：“對塑料垃圾的環(huán)境關注，正在推動可持續(xù)生物復合材料的發(fā)展。在這種復合材料中，木質纖維素纖維增強的生物基塑料是明顯的選擇。木材加工業(yè)已經意識到木質纖維素纖維作為塑料和生物塑料的替代品和增強材料的潛力。”

 

     天然纖維復合材料可替代玻璃鋼部分，用于制作儀表板、門芯板及中控臺。最大好處是零件的重量減少了 25%。

 

    研究人員表示，木質纖維素纖維的好處，包括改善了化合物的機械性能和環(huán)境性能。最近的研究活動還表明，木纖維可以改善生物塑料在土壤中的生物降解能力，例如可用于一次性產品的聚羥基鏈烷酸酯。

 

    來自農產品加工殘留物的纖維也很有趣，因為它們的成本低且可用性高。在像巴西這樣的國家尤其如此，那里的生物基乙醇和聚乙烯是由甘蔗生產的。甘蔗渣纖維作為支流產生，約占甘蔗生物量的三分之一。他說，結果將很快發(fā)表，證實蔗渣纖維可以促進生物復合產品機械性能的改善。

 

纖維的處理

 

    在芬蘭，研究機構對熱塑性塑料中混合天然纖維的纖維處理方面進行了研究和開發(fā)。自然資源與環(huán)境解決方案高級科學家說：“例如，我們開發(fā)了一種獨特的壓縮設備，用于天然纖維在復合前的預處理，它還可以將長天然纖維引入熱塑性塑料中。”

 

    同時，加拿大的性能生物纖維（PBI）報告成功地提高了PP和PA，以及PLA生物復合材料的材料性能。該公司與美國核管理委員會的汽車和地面運輸研究中心合作，使用了納米纖維化纖維素（NFC）和無光澤硫酸鹽漿的致密混合物。

 

    PBI的商用干顆粒是專門為改善生物纖維的儲存、處理和用量而開發(fā)的，適用范圍廣泛。相關人員說，在生物復合材料中可以觀察到顆粒纖維的良好分散性以及纖維和聚合物基質之間的良好粘附性。

 

    PP復合材料的拉伸強度提高了9-14%，PA復合材料的拉伸強度提高了3-14%，而纖維負載量在10%到30%之間的PLA復合材料的拉伸強度提高了19-31%。PP的拉伸模量增加了5-76%，PA增加了45-116%，PLA增加了41-97%。PP的彎曲強度提高了26-64%，PA達到了3-11%，PLA達到了40-45%。PP、PA和PLA的HDT分別提高了60%、37%和134%。

 

    對相容劑的綜合評估可以微調每種生物復合材料的機械性能。一項已經完成的可回收性研究表明，PA和PLA生物復合材料可以經受至少五次循環(huán)的成型、測試和研磨，同時保持拉伸強度和延伸性能。PP生物復合材料的拉伸和伸長率在7次循環(huán)后僅略有下降。

 

來自汽車行業(yè)的興趣

 

    由新西蘭的研究公司開發(fā)的一種設計用于增強聚烯烴化合物的木塊木纖維顆粒。相關人員表示，公司在歐洲看到了對試用訂單的良好需求，幾家復合公司計劃在未來12個月內進行大規(guī)模商業(yè)生產，但具體應用尚未公開。

 

    在南非的一家公司最近宣布，其生物復合纖維素纖維已被作為生物復合材料項目中開發(fā)輕質生物復合材料的原料。該項目旨在通過用生物纖維替代礦物填料來減少8%的汽車二氧化碳排放量。一項關鍵目標，是強調更可持續(xù)資源的潛在利用，并在工業(yè)規(guī)模上示范這些技術。

 

建筑的機會

 

    斯圖加特大學和弗勞恩霍夫WKI木材研究所的研究人員正在開發(fā)生物塑料型材，這種材料利用當?shù)乜捎玫闹参餁埢?，如麥秸作為填充材料。弗勞恩霍夫WKI木材研究所專注于復合和型材擠出，以及生物型材的特性化；斯圖加特大學專注于建筑和建筑行業(yè)中開發(fā)材料的應用。

 

    據(jù)介紹，由于擠壓過程中良好的成形性，生物型材不僅可以用于窗戶和外墻，還可以用于各種建筑應用。一個重要的方面是滿足型材在阻燃性、紫外線穩(wěn)定性、隔熱性和耐久性方面的要求。為了達到高水平的防火性能，其采用共擠的方法將阻燃劑引入型材的外層。

 

可流動的木質素

 

    位于美國一家的工作人員表示，該公司在塑料領域的主要產品是獨特的可熔融木質素。這是一種生物添加劑，可為普通樹脂系統(tǒng)帶來無與倫比的成本節(jié)約和性能。

 

    公司使用一種專有的提取工藝，據(jù)稱可以從幾乎任何形式的生物質中有效地分離木質素。一旦提取出來，木質素就可以與傳統(tǒng)的樹脂系統(tǒng)或新的生物塑料材料混合，以降低成品的成本，提高可持續(xù)性并保持性能。

 

    到目前為止，木質素與聚烯烴，如HDPE和PP具有極佳的相容性，當混合濃度為15-25%時，與純聚合物相比，成品的拉伸模量和沖擊強度保持100%，拉伸強度保持90%。熔融流動材料注塑模具非常好，具有高光澤、均勻的表面，并且能夠填充長流量零件和復雜的幾何形狀。

 

    這種木質素還成功地與一系列其他聚合物偶聯(lián)。有證據(jù)表明，與PMMA和其他丙烯酸類材料結合時，偶聯(lián)性能優(yōu)異。

 

    木質素也是各種生物塑料的直觀補充，其固有的100%生物基含量增加了目前提供的許多奇妙的解決方案，同時作為硬化劑和成本稀釋劑。如果采用適當?shù)呐悸?lián)技術，木質素可以有效地與PLA、PBAT、PHA、PBS等一起工作。

 

    ATIS正在開發(fā)一種完全基于生物的、100%木質素的碳纖維產品。相關人員興奮地表示：“由于拉伸強度和模量值超過了現(xiàn)有文獻中的任何基準，這項技術已經在現(xiàn)有的商用熔融擠出設備上得到了驗證。結合使用這一突破性產品可能降低的材料和制造成本，我們預計，與目前運輸市場上的低成本碳纖維相比，成品碳纖維的制造價格可以大幅降低。”

 

    一家公司也看到了人們對木質素用于生物合成產品的興趣。目前它正在與挪威和歐洲公司密切合作，采取各種持續(xù)的舉措，正在研究用于3D打印和注塑產品的不同木質素。工作人員著重介紹了由生物塑料和木質纖維素成分（如熱機械紙漿纖維）組成的復雜結構（如手矯形器）的3D打印。聚合物和化合物的3D打印正在迅速從原型技術發(fā)展到量身定制產品的生產。

 

顆粒生物復合材料

 

    德國的Nova研究所負責生物和二氧化碳經濟的研究和咨詢，同量負責監(jiān)測歐洲生物復合顆粒的生產商和供應商。據(jù)估計，整個非洲大陸至少有35家生產商，2018年生產和銷售的顆粒數(shù)量接近14萬噸。在冠狀病毒爆發(fā)之前，Nova研究所預測未來幾年的年增長率將達到兩位數(shù)。

 

    芬蘭的一家公司開發(fā)了一種新的世界級生物復合材料，滿足最高的可持續(xù)性要求。這種生物復合材料將經過認證的木材和纖維素纖維在解決方案中經過認證的可再生聚丙烯結合在一起，后者使用生物燃料生產的基于木材的原料。據(jù)稱，與來自于石油的化工輕油相比，每噸化工輕油可以減少三噸的溫室氣體排放。

 

    該公司表示，它可以順利地取代石油能源解決方案，因為它在質量和性能上與不可再生的替代品完全相同。據(jù)說這種生物復合材料幾乎100%基于可再生資源。

 

    相關人員表示：“在試點成功之后，我們現(xiàn)在期待著開始向全球的業(yè)務伙伴提供我們的新型生物復合材料。典型的最終用途包括注射成型或擠壓制造的食品接觸產品、個人護理產品和消費品的包裝。它被描述為溫暖和柔滑的手感，可以生產不同的顏色，包括淺色和深色。

 

    相關人員說，隨著發(fā)展，公司現(xiàn)在正在開發(fā)一種濃縮液，它將含有90%或更多的纖維。這一產品現(xiàn)在正處于研發(fā)的階段最后，希望在明年投入商用。這種濃縮物將使制藥廠有可能以天然纖維為基礎開發(fā)他們自己的產品，并相應地擴大其產品組合。復合公司有很多新機會向更可持續(xù)的產品擴展，并將其解決方案定位于汽車市場和消費市場。

 

    匈牙利的公司也在這一領域開展工作。據(jù)介紹，該公司在天然填料和增強材料的產品開發(fā)方面有十多年的經驗，目前可以提供三種產品選擇。

 

    第一種方法是用纖維素粉填充聚合物。這些是經典填料：使用這些填料可以增加材料的生物含量，降低密度。典型的應用領域是擠壓式平板，但該公司也有注射式模具支架的項目。

 

    第二種選擇是木質纖維填充聚合物。使用這種纖維，可以提高材料的機械性能，比如彎曲模量，并降低密度。在這種情況下，纖維的含量是10-40%，當含量超過40%時，纖維會相互干擾，降低性能。由于其力學性能接近玻璃纖維填充級，因此在汽車工業(yè)中很受歡迎。

 

    該公司的第三種產品是填充了農用工業(yè)殘留物的特殊聚合物，例如堅果殼，杏子或杏仁殼。該公司開發(fā)了一種研磨工藝，并準備了一種特殊的制劑以進行復合材料的生產。公司可以用高達70%的填料填充熱塑性塑料，不僅是現(xiàn)成的化合物，也包括母料。目前產品可用于注塑成型。其不僅適用于普通商品，還適用于聚乳酸（PLA）等特殊行業(yè)，從而得到100%的生物解決方案。這種填料也降低了化合物的價格。PLA的價格實在太高，并且現(xiàn)在的供應也有問題。

 

    公司的合作伙伴目前開發(fā)的應用包括餐具、美容霜包裝瓶罐、花盆、食物托盤和容器，以及一些特殊產品，如嬰兒鼻吸器。

 

    人們對注塑用天然纖維（NAFILean）系列麻填充化合物用于生產汽車結構件的興趣持續(xù)增長。將天然麻質纖維與聚丙烯相結合，可加工為復雜形狀及結構，同時實現(xiàn)減重?？山柚鷤鹘y(tǒng)注塑機及相關設備進行加工。該公司表示，這是一款可循環(huán)再利用的輕量化材料，其天然纖維（大麻）的含量達到了20%，具有非常好的熱機械性能?？商娲Y構件注塑用的玻璃纖維，可被用于制作儀表板、門芯板及中控臺。最大好處是零件的重量減少了25%。

 

天然麻纖維

 

    去年，零部件應用在大約13種不同的車型上，總產量約為300萬輛。預計2022年的汽車產量將達到700萬輛（這一預測是在冠狀病毒緊急事件對汽車生產造成影響之前做出的）。

 

    此公司計劃在今年年底左右推出新一代更為剛性的產品。這種材料是玻璃纖維增強聚丙烯（PP）的一種更輕的替代品，具有類似的3.5GPa的拉伸模量。

 

    瑞典生物復合材料制造商去年在一家新工廠投入商業(yè)運營，主要生產聚丙烯基化合物，使用歐洲農場的大麻作為增強材料。該公司把這些化合物描述為“第二代”材料，公司解釋說這意味著植物成分是用來提高性能的，而不是簡單地用來大量生產塑料。

 

    相關人員說：“考慮到成本、廢物流的上升循環(huán)以及對二氧化碳排放量的影響，第一代生物復合材料在他們的時代非常棒。但是其配方極大地限制了它們的機械性能，部分原因是纖維素成分沒有完美地與復合材料中的其他成分結合。因此研究了大麻纖維和聚合物分子之間的相互作用，并開發(fā)了優(yōu)化這些鍵的極佳方法。”

 

    該公司使用專有技術切割和加工大麻纖維，以優(yōu)化其作為增強材料。它最近宣布了與另一家瑞典材料公司合作的項目，該項目旨在利用林業(yè)工業(yè)的木質素副產品形成塑料樹脂。此公司說，該合作伙伴已經生產出了一種基于大麻的“第三代”生物復合材料原型，其所有主要成分均來自生物來源。