21世紀以來,隨著汽車工業的快速發展,石油資源缺乏和大氣汙染等環境問題日益突顯,2017年我國汽車銷量接近2 900萬輛,對汽車節能減排的要求日益提高,輕量化材料在汽車中的應用比例提升成為汽車工業的重要發展方向。塑料應用於汽車的許多零部件中,如門板､立柱､保險杠､儀表板以及其他裝飾件等,約占整車質量的10%。據中國汽車工業協會預測,塑料在汽車上的用量及比例還會進一步提高,未來對汽車塑料垃圾的處理必須引起重視^[1]。

　　生物基塑料具有可降解､生產加工過程環保､原材料來源廣泛､氣味小､揮發性有機化合物(VOC)含量低等特性,在汽車行業應用潛力巨大,但由於可降解塑料存在成本高､耐熱性差､降解性不可控等缺陷限製了其在汽車行業的應用,因此必須進行改性。近年來,根據汽車市場的需求,全球大型汽車生產廠以及材料供應商紛紛加大對生物基可降解塑料的研發投入,開發具有可降解特性的汽車零部件^[2]。

　　奔馳､奧迪､豐田､寶馬等汽車生產企業均有采用生物基可降解塑料製備汽車零部件的車型發布。國內可降解塑料在汽車行業的應用較少,鑫達集團采用填充生物基可降解材料､低密度材料和複合材料等手段開展了汽車輕量化及可持續發展先進技術的研究,使汽車輕量化水平得到明顯提升,在汽車報廢後,塑料零部件可完全降解。目前汽車行業應用較多的生物基可降解塑料包括聚乳酸(PLA)､聚羥基脂肪酸類高分子(PHAs)､聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等,這些材料在國內外開發程度較高,有些已達到產業化規模。下麵綜述國內外在生物基可降解塑料方麵取得的研究成果及開發情況。

　　1 PLA在汽車行業的應用

　　由於PLA材料一般呈非晶態,力學性能和耐熱性能較差,使PLA在汽車領域的應用受限^[3],需要經過高分子材料改性才能得以利用,多用於非結構性內外飾零件。日本豐田公司的Raum車型采用洋麻纖維/PLA複合材料製作備胎蓋板,聚丙烯(PP)/PLA改性材料製作汽車門板､側飾板等。日本東麗公司也開發了適用於製造汽車門板､座椅､頂棚等內飾件的PLA纖維^[4]。德國勞士領公司和科比恩公司合作研發了PLA與玻璃纖維或木纖維的複合材料,應用於汽車功能組件和內飾件。美國RTP公司研發出玻璃纖維(GF)/PLA複合材料產品,應用於汽車的導流罩､遮陽罩､副保險杠､側護板等零部件^[5]。歐盟ECOplast項目研發出了以PLA和納米黏土為原料製備的生物基塑料,專門用於汽車零部件的生產。

　　國內關於PLA在汽車行業的應用研究較晚,但是推廣迅速。綠程生物材料技術有限公司推出了高強度高韌性的PLA複合材料,並在汽車進氣格柵､三角窗框等零部件中得到應用。錦湖日麗公司成功研發了聚碳酸酯(PC)/PLA,力學性能好且可降解回收,應用於汽車內飾件^[6]。顏景丹等^[7]對PLA用於製造汽車零部件的可行性進行分析驗證,論證了改性PLA可滿足一般汽車內飾件的使用要求。奇瑞汽車公司唐少俊^[8]采用填充礦粉(滑石粉､碳酸鈣)和加大增韌劑用量的方法對PLA進行改性,改善了耐熱性和抗衝擊性,用於汽車零部件製造。丁偉良^[9]采用PP/PLA共混改性,製備汽車換擋蓋板等內外飾件,具有成型溫度低､強度高､氣味小､尺寸穩定性好等優點。陳學思等^[10]采用生物基大分子增韌改性PLA,通過控製聚L-乳酸的旋光純度,提高製品的結晶度,達到提高耐熱性的效果,再進一步采用無機或天然纖維增強製備PLA複合材料,賦予其更高的耐熱性和力學性能,應用於汽車保險杠､儀表盤板､門板以及高鐵的內飾件等。LEI等^[11]采用有機蒙脫土(OMMT)和亞膦酸鹽鋁(AlPi)共混改性製備阻燃PLA納米複合材料,PLA/AlPi/OMMT體係不僅具有優異的阻燃性能,還具有良好的熱穩定性和力學性能,可應用於對阻燃性能要求較高的汽車飾件中。周英輝等^[12]采用玻璃/陶瓷微珠填充玻璃纖維製備的PLA複合材料,耐熱性及力學性能好,密度低,在汽車輕量化方麵具有廣闊的應用前景。

　　PLA在汽車上的應用,國外起步早,技術相對成熟,改性PLA在汽車領域的應用相對領先,而隨著國內環保意識的提高,開始加大對車用改性PLA的研究開發與應用工作,目前主要應用於汽車裝飾件中,隨著塑料改性技術的發展,PLA在汽車領域的應用會更加廣泛。

　　2 PHAs在汽車行業的應用

　　PHAs不僅具有傳統高分子材料的力學性能,還兼具優異的可降解性和生物相容性,常用的有聚3-羥基丁酸酯(PHB)､聚3-羥基丁酸酯和3-羥基戊酸酯共聚物(PHBV)､聚3-羥基丁酸酯和3-羥基己酸酯共聚物(PHBH)等。隨著PHAs合成及改性方法的不斷開發和優化,PHAs的售價會逐步降低,對汽車行業有巨大的吸引力。據PHAs生產商Kaneka公司和Telles公司預測,未來2年將有30%的PHAs應用於汽車領域。

　　目前關於PHAs在汽車行業的應用報道較少,主要是以紡織品形式使用,如用作汽車腳墊。根據其應用形式,未來將在低VOC､低氣味､抗靜電､阻燃､表麵改性及力學性能提升等方麵進行改性,進一步推廣PHAs在汽車行業的應用^[13]。近年來隨著納米技術的不斷發展和應用,利用納米材料特有的表麵效應和量子尺度效應對PHAs改性,提高其物理性能或賦予某些特有性能^[14]。餘厚詠等^[15]采用纖維素納米晶體接枝改性PHBV；DAITX等^[16]采用納米蒙脫土熔融複合改性PHBV；VIDHATE 等^[17]采用添加多壁碳納米管(MWCNT)熔融複合法製備PHBV/MWCNT納米複合物改性PHAs,可明顯改善PHAs的熱性能､物理性能和電性能；另有報道稱納米TiO2能夠使PHAs具有抗菌和抗紫外線功能,納米SiO2能夠提高PHAs的熱性能和力學性能。

　　ANDERSON等^[18]研究了不同表麵改性劑對PHAs力學性能和耐水性的影響,添加質量分數4%聚異氰酸酯(pMDI)後,PHB與木粉複合材料的極限強度和模量得到明顯提升。向纖維增強複合材料中加入表麵改性劑,能夠提高增強纖維的潤滑性進而提升增強效果,pMDI中高活性的異氰酸鹽基團,還能夠與木纖維上的羥基發生反應,使表麵能降低,潤滑性提高,從而提高PHAs的耐水性和力學性能^[19]。

　　這些方麵的改性均有利於推動PHAs在汽車行業的應用。雖然目前PHAs在汽車行業的應用案例很少,但隨著對其開發和改性研究的不斷深入,改性後的PHAs將廣泛應用於汽車行業。

　　3 PBS在汽車行業的應用

　　PBS主要采用丁二酸和丁二醇聚合而成。目前PBS主要應用於包裝材料､農膜產品､紡織品､醫用製品等領域。據統計機構預測,全球約有10%的PBS將應用於汽車行業,是一個值得關注的市場^[20]。

　　PBS具有優異的可降解性､良好的加工性､染色性,但也存在熔體強度低､力學性能和耐熱性能差等問題。通過共聚､共混､與納米材料複合等方法改性,可以大幅提升PBS的綜合性能,拓寬應用領域,甚至可以替代聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯^[21]。

　　目前,可降解塑料的降解性能不可控,在汽車上的使用壽命不長是限製其推廣應用的瓶頸。鄭州大學席克會^[22]采用調整分子端基團的方法對PBS改性,以馬來酸酐(MA)和環氧氯丙烷(ECH)為封端劑,在PBS聚合過程中加入不同比例的封端劑,在擠出機中密煉擠出時與不同的封端劑發生化學反應製備了改性PBS材料,研究了改性前後產物的降解性能､熱降解過程和機理,結果表明,PBS的降解速率受聚合物的相對分子質量､封端基團､加工工藝等因素影響較大。

　　湖南工業大學文濤^[23]製備了PLA/PBS/氧化鋅(ZnO)納米複合材料,采用超臨界CO2發泡法製備了高性能低密度PLA/PBS/ZnO微孔塑料,分析測試了複合材料的力學性能､降解性能和流變性能,該材料在汽車輕量化領域具有廣泛的應用前景。

　　利用天然纖維增強PBS製備複合材料並應用於汽車行業也是一個熱門領域。許小玲等^[24]研究了竹纖維酰基化改性PBS複合材料的多項性能,結果顯示優化比例的共混改性材料,各組分間相容性良好,有利於複合材料結晶,提高複合材料耐熱性能和物理性能。佛吉亞公司和三菱化學公司合作,采用天然纖維/PBS複合技術,推出了一種PBS材料,應用於汽車門飾條､儀表板､導氣管､控製台及車門鑲板嵌件等內飾件中^[25]。目前PBS在汽車上的應用還比較少,但改性研究很多,納米材料改性､阻燃改性等將進一步拓展其在汽車行業的應用。

　　4 結語

　　生物基可降解塑料以其綠色環保､來源豐富的特性,具有非常廣闊的應用前景,但也存在一些不足。一是材料種類單一,產能不足,加工工藝尚不成熟；二是材料成本高,綜合性能較差,難以全麵替代石油基塑料；三是生物基塑料主要應用在包裝材料､餐飲具､農業等較低端領域,汽車電子領域的應用亟待突破；四是國內的環保理念不成熟,國家政策扶持力度小,成本問題讓很多企業無法投入更多的研發,市場占有率低,企業基本處於虧損狀態,且惡性循環；五是生物基塑料的可降解特性導致其熱穩定性較差,高溫條件下力學性能會下降,使用壽命和降解不可控問題是難點。

　　因此,生物基可降解塑料未來在汽車行業的發展方向,一是開發低成本､高性能的生物基材料；二是開發達到汽車行業應用性能要求生物基複合材料,推廣應用並擴大市場規模；三是采用生物基纖維或無機長纖維對生物基可降解塑料進行改性,進一步改善生物基塑料的綜合性能,推動其在汽車領域的應用。
 

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來源：期刊—現代塑料加工應用

周英輝^1,2 陳勝傑¹ 雷亮¹ 李建波² 任傑²

(1.金發科技股份有限公司；

2.同濟大學材料科學與工程學院納米與生物高分子材料研究所)