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

 

     天然纖維復(fù)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(zhì)纖維素纖維的好處，包括改善了化合物的機(jī)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(chǎn)品的聚羥基鏈烷酸酯。

 

    來自農(nóng)產(chǎn)品加工殘留物的纖維也很有趣，因?yàn)樗鼈兊某杀镜颓铱捎眯愿?。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(chǎn)的。甘蔗渣纖維作為支流產(chǎn)生，約占甘蔗生物量的三分之一。他說，結(jié)果將很快發(fā)表，證實(shí)蔗渣纖維可以促進(jìn)生物復(fù)合產(chǎn)品機(jī)械性能的改善。

 

纖維的處理

 

    在芬蘭，研究機(jī)構(gòu)對熱塑性塑料中混合天然纖維的纖維處理方面進(jìn)行了研究和開發(fā)。自然資源與環(huán)境解決方案高級科學(xué)家說：“例如，我們開發(fā)了一種獨(dú)特的壓縮設(shè)備，用于天然纖維在復(fù)合前的預(yù)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(fù)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(yùn)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(guān)人員說，在生物復(fù)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(zhì)之間的良好粘附性。

 

    PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了9-14%，PA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了3-14%，而纖維負(fù)載量在10%到30%之間的PLA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度提高了26-64%，PA達(dá)到了3-11%，PLA達(dá)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(diào)每種生物復(fù)合材料的機(jī)械性能。一項(xiàng)已經(jīng)完成的可回收性研究表明，PA和PLA生物復(fù)合材料可以經(jīng)受至少五次循環(huán)的成型、測試和研磨，同時保持拉伸強(qiáng)度和延伸性能。PP生物復(fù)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(shè)計(jì)用于增強(qiáng)聚烯烴化合物的木塊木纖維顆粒。相關(guān)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(fù)合公司計(jì)劃在未來12個月內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)，但具體應(yīng)用尚未公開。

 

    在南非的一家公司最近宣布，其生物復(fù)合纖維素纖維已被作為生物復(fù)合材料項(xiàng)目中開發(fā)輕質(zhì)生物復(fù)合材料的原料。該項(xiàng)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(xiàng)關(guān)鍵目標(biāo)，是強(qiáng)調(diào)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(shù)。

 

建筑的機(jī)會

 

    斯圖加特大學(xué)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(dāng)?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(fù)合和型材擠出，以及生物型材的特性化；斯圖加特大學(xué)專注于建筑和建筑行業(yè)中開發(fā)材料的應(yīng)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(yīng)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(dá)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(zhì)素

 

    位于美國一家的工作人員表示，該公司在塑料領(lǐng)域的主要產(chǎn)品是獨(dú)特的可熔融木質(zhì)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(zhì)中有效地分離木質(zhì)素。一旦提取出來，木質(zhì)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(zhì)素與聚烯烴，如HDPE和PP具有極佳的相容性，當(dāng)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(qiáng)度保持100%，拉伸強(qiáng)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(fù)雜的幾何形狀。

 

    這種木質(zhì)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(jié)合時，偶聯(lián)性能優(yōu)異。

 

    木質(zhì)素也是各種生物塑料的直觀補(bǔ)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(dāng)?shù)呐悸?lián)技術(shù)，木質(zhì)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(zhì)素的碳纖維產(chǎn)品。相關(guān)人員興奮地表示：“由于拉伸強(qiáng)度和模量值超過了現(xiàn)有文獻(xiàn)中的任何基準(zhǔn)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)有的商用熔融擠出設(shè)備上得到了驗(yàn)證。結(jié)合使用這一突破性產(chǎn)品可能降低的材料和制造成本，我們預(yù)計(jì)，與目前運(yùn)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(zhì)素用于生物合成產(chǎn)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(chǎn)品的不同木質(zhì)素。工作人員著重介紹了由生物塑料和木質(zhì)纖維素成分（如熱機(jī)械紙漿纖維）組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（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(shù)發(fā)展到量身定制產(chǎn)品的生產(chǎn)。

 

顆粒生物復(fù)合材料

 

    德國的Nova研究所負(fù)責(zé)生物和二氧化碳經(jīng)濟(jì)的研究和咨詢，同量負(fù)責(zé)監(jiān)測歐洲生物復(fù)合顆粒的生產(chǎn)商和供應(yīng)商。據(jù)估計(jì)，整個非洲大陸至少有35家生產(chǎn)商，2018年生產(chǎn)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(yù)測未來幾年的年增長率將達(dá)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(fù)合材料，滿足最高的可持續(xù)性要求。這種生物復(fù)合材料將經(jīng)過認(rèn)證的木材和纖維素纖維在解決方案中經(jīng)過認(rèn)證的可再生聚丙烯結(jié)合在一起，后者使用生物燃料生產(chǎn)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?yàn)樗谫|(zhì)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(fù)合材料幾乎100%基于可再生資源。

 

    相關(guān)人員表示：“在試點(diǎn)成功之后，我們現(xiàn)在期待著開始向全球的業(yè)務(wù)伙伴提供我們的新型生物復(fù)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(chǎn)品、個人護(hù)理產(chǎn)品和消費(fèi)品的包裝。它被描述為溫暖和柔滑的手感，可以生產(chǎn)不同的顏色，包括淺色和深色。

 

    相關(guān)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(chǎn)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(chǔ)開發(fā)他們自己的產(chǎn)品，并相應(yīng)地擴(kuò)大其產(chǎn)品組合。復(fù)合公司有很多新機(jī)會向更可持續(xù)的產(chǎn)品擴(kuò)展，并將其解決方案定位于汽車市場和消費(fèi)市場。

 

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

 

    第一種方法是用纖維素粉填充聚合物。這些是經(jīng)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(yīng)用領(lǐng)域是擠壓式平板，但該公司也有注射式模具支架的項(xiàng)目。

 

    第二種選擇是木質(zhì)纖維填充聚合物。使用這種纖維，可以提高材料的機(jī)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(dāng)含量超過40%時，纖維會相互干擾，降低性能。由于其力學(xué)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(chǎn)品是填充了農(nóng)用工業(yè)殘留物的特殊聚合物，例如堅(jiān)果殼，杏子或杏仁殼。該公司開發(fā)了一種研磨工藝，并準(zhǔn)備了一種特殊的制劑以進(jìn)行復(fù)合材料的生產(chǎn)。公司可以用高達(dá)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(chǎn)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(shí)在太高，并且現(xiàn)在的供應(yīng)也有問題。

 

    公司的合作伙伴目前開發(fā)的應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)汽車結(jié)構(gòu)件的興趣持續(xù)增長。將天然麻質(zhì)纖維與聚丙烯相結(jié)合，可加工為復(fù)雜形狀及結(jié)構(gòu)，同時實(shí)現(xiàn)減重?？山柚鷤鹘y(tǒng)注塑機(jī)及相關(guān)設(shè)備進(jìn)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(dá)到了20%，具有非常好的熱機(jī)械性能?？商娲Y(jié)構(gòu)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(yīng)用在大約13種不同的車型上，總產(chǎn)量約為300萬輛。預(yù)計(jì)2022年的汽車產(chǎn)量將達(dá)到700萬輛（這一預(yù)測是在冠狀病毒緊急事件對汽車生產(chǎn)造成影響之前做出的）。

 

    此公司計(jì)劃在今年年底左右推出新一代更為剛性的產(chǎn)品。這種材料是玻璃纖維增強(qiáng)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(fù)合材料制造商去年在一家新工廠投入商業(yè)運(yùn)營，主要生產(chǎn)聚丙烯基化合物，使用歐洲農(nóng)場的大麻作為增強(qiáng)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(chǎn)塑料。

 

    相關(guān)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(fù)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(jī)械性能，部分原因是纖維素成分沒有完美地與復(fù)合材料中的其他成分結(jié)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(shù)切割和加工大麻纖維，以優(yōu)化其作為增強(qiáng)材料。它最近宣布了與另一家瑞典材料公司合作的項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在利用林業(yè)工業(yè)的木質(zhì)素副產(chǎn)品形成塑料樹脂。此公司說，該合作伙伴已經(jīng)生產(chǎn)出了一種基于大麻的“第三代”生物復(fù)合材料原型，其所有主要成分均來自生物來源。