何晓夏 杨海潮 王童 陈轶嵩 张凌霄 罗耿
（长安大学，汽车学院，西安710021）
主题词：汽车 生物材料 绿色环保 发展趋势
1 引言
轻量化、舒适安全和绿色环保是我国汽车环保材料发展的3大要求，实现这3大要求，可以显着提高汽车的动力性和经济性，减少排污。目前汽车轻量化材料主要有高强钢、铝合金、镁合金、以及碳纤维复合材料。这些材料虽然在强度、硬度、耐用性等方面满足使用要求，但价格普遍比较昂贵，而且在整个生存周期中，对环境造成大量的污染，已经越来越不适合现代汽车绿色可持续发展战略。而高强绿色生物材料不仅满足轻量化目的，还可以满足铝合金和碳纤维等不具备的环保要求，来源广泛，生产和加工过程绿色环保，无异味，挥发性小，实现可持续发展和可再生，同时满足轻量化、舒适安全和绿色环保这3大要求。生物材料在汽车行业的应用潜力巨大，应用前景广阔。本文主要介绍了国内外车用高强绿色生物材料的发展和应用情况，总结未来车用高强绿色生物材料发展趋势。
2 车用生物材料的特点
车用绿色生物材料是指以农作物、树木、其它植物及其残体和内含物等可再生生物质为原料，通过生物、化学、物理等方法获得的新材料。根据生物材料的降解性，生物材料可主要分为3种：
（1）全生物降解高分子材料（如：聚羟基丁酸酯、聚环己内酯）；（2）生物破坏高分子材料（如：添加淀粉的聚苯乙烯、基乙烯）；（3）不可降解的生物无机材料（如：具有生物亲和作用的生物金属材料和生物陶瓷材料）。
对于全生物降解高分子材料和生物破坏高分子材料来说，在整个生命周期中，其首先来源于通过光合作用生长的生物质，再从生物质中提取出高分子原材料合成所需的化学单体，经过微生物或化学合成的方法，聚合成高分子，再经过增塑、着色等一系列加工步骤后，最终制得各类车用产品。生物基材料达到使用寿命后，可以通过燃烧或堆肥等生物降解法，转变为水和二氧化碳等无毒小分子，重新进入自然循环中。
生物基新材料的显着优点主要有：
（1）原料成本低；（2）节约石油资源；（3）性能优异且质量轻、可实现材料轻量化；（4）可回收降解，环保性好。
塑料质轻，可以满足轻量化要求，因此塑料广泛应用在汽车内饰、座椅、脚垫等材料中，虽然传统塑料具有速成型、质量轻、能满足复杂结构设计要求的优点，但其异味重、多数有毒、不易降解，造成“白色污染”，为满足环境法规、实现绿色可持续发展的要求，传统塑料已经不满足汽车使用。而生物基塑料属于生物材料的范畴，可降解、生产加工过程绿色环保，具有优良的环保特性。而且目前生物材料在汽车上的应用形式主要是生物基塑料，故下面主要介绍目前在汽车上应用的6种生物基塑料。
3 生物基材料的发展和应用现状
3.1 改性聚乳酸
聚乳酸（Polylatic Aid，PLA）是由可再生的植物资源所提取的淀粉原料经由糖化得到葡萄糖后，由一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成。其生物可降解性好、抗溶剂性强、机械性能及物理性能优、抗拉强度及延展度佳、可用多种方式进行加工（如：挤压、纺丝、双轴拉伸、注射吹塑）、具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性。PLA薄膜具有良好的透气性、透氧性及透二氧化碳性，同时也具有隔离气味的优势。
纯聚乳酸虽然透明度和光泽度高，但是其硬而脆，加工难度大，无法直接应用在汽车上。因此通常加入一些其他高分子材料制成复合物，改性后对其加以应用。改性后的聚乳酸制品虽然透明度有所下降，但却改进了聚乳酸在耐热性、柔韧性、抗冲性等方面的缺陷，与此同时也提高了其加工难度，但是应用范围得到了拓展。
3.1.1 应用和发展现状
国外对于聚乳酸在汽车上的应用起步较早，技术相当成熟，改性聚乳酸的应用相对领先。马自达汽车公司与帝人公司和帝人纤维公司合作，开发出世界上第1款由100%聚乳酸制造的生物织物，其可以满足汽车坐垫套所需要的质量和耐用性要求，应用于汽车内饰中[1]。日本三菱尼龙公司生产销售了1种以PLA为芯材，外面包裹PP的复合纤维材料，其中PLA的使用量约40%，用于汽车用脚垫，该产品于2009年开始在丰田汽车第3代新型混合动力车上使用。日本东丽工业公司生产的环保型聚乳酸纤维材料，在2009年已经作为车身和车内地板覆盖物在丰田汽车公司的混合动力轿车HS 250 h上投入使用，这种材料还可以用于车内天花板和车门装饰装潢材料[2]。日本丰田公司的Raum车型采用洋麻纤维/PLA复合材料制作备胎盖板，聚丙烯(PP)/PLA改性材料制作汽车门板、侧饰板等[2]。德国劳士领公司与科比恩公司合作研发出1种PLA与玻璃纤维或木纤维的复合材料，应用于汽车内饰件和功能组件中[3]。美国RTP公司研发出玻璃纤维（Glass Fiber,GF）/PLA复合材料产品，应用于汽车的导流罩、遮阳罩、副保险杠、侧护板等零部件[4]。欧盟ECOplast项目研发出了以PLA和纳米黏土为原料制备的生物基塑料，专门用于汽车零部件生产[5]。
关于PLA在汽车行业的应用国内研究较晚，但是发展和推广迅速。随着国内环保意识的提高，国内车企及研究者开始加大对车用改性PLA的研究开发与应用工作。目前，PLA主要应用于汽车内饰件和零部件中。绿程生物材料技术有限公司推出了高强度高韧性PLA复合材料，并在汽车进气格栅、三角窗框等零部件中得到应用[5]。锦湖日丽公司成功研发了聚碳酸PC/PLA，力学性能好且可降解回收，应用于汽车内饰件[6]。同济大学与上汽集团也合作开发了聚乳酸/天然纤维复合材料，将用作上汽自主品牌汽车的内饰材料。
3.1.2 未来发展方向
改性聚乳酸的发展面临局限，首先国内企业用于生产聚乳酸的原材料——丙交酯主要从国外进口，生产成本较高。如果需要在全生物降解这一前提之下改善PLA性能上的缺陷，比如耐热性能，成本则更高。而且作为生物基可降解塑料，降解速度不可控，使用寿命相对较短。因此，对PLA的改性研究是重中之重，如何研发出使用寿命长、性能满足使用要求的聚乳酸复合物是未来攻克的重点方向。随着塑料改性技术的发展，PLA在汽车领域的应用会更加广泛。
3.2 改性聚丁二酸丁二醇酯
聚丁二酸丁二醇酯（Poly Butylene Succinate,PBS）是1种来源于石油或者生物资源发酵制得的可生物降解的脂肪族聚酯，在堆肥等接触特定微生物等条件下，易被自然界中的多种微生物或动、植物内的酶分解、代谢，最终形成CO2和H2O，避免污染环境，是可以同时实现生物降解和生物来源的100%生物塑料。PBS具有良好的加工性和染色性，可以用注塑、吹塑、吹膜、吸塑、层压、发泡、纺丝等成型方法进行加工。但是其热力学性能较差，一般需要通过共聚、共混、与纳米材料复合等方法改性以提升其综合性能。
3.2.1 应用和发展现状
PBS价格相对较低，是国内外在生物降解塑料研发方面的重点，市场前景良好。目前主要应用于包装领域（包装薄膜、袋、盒、化妆品瓶及药品瓶、电子器件等包装）、一次性器具器械、农用领域以及医用领域等。不过在国内外PBS在汽车上的应用还比较少。佛吉亚和三菱化学合作，采用PBS与天然纤维混合技术，开发出1种聚合物，用以大量生产汽车内饰件，包括车门镶板饰条、结构仪表板和控制台嵌件、导气管、车门镶板嵌件等[7]。
3.2.2 未来发展方向
由于改性PBS的降解不可控，阻碍了它进一步的应用，因此目前对其进行的改性研究很多，比如纳米材料改性、阻燃改性等技术的研发将进一步拓展PBS在汽车行业上的应用。总的来说，其应用前景广阔。
3.3 聚羟基烷酸酯
聚羟基烷酸酯（Ployhydroxyalkanoates，PHA）是1种由很多种微生物合成的细胞内聚酯，是1系列聚羟基脂肪酸酯的统称，常用的有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物(PHBV)、聚3-羟基丁酸酯和3-羟基己酸酯共聚(PHBH)等[8]。作为1种天然高分子材料，其具有热可塑性或可热加工性。同时，PHA还具有一些特殊的材料学特征，比如非线性光学活性、压电性、气体阻隔性等，而且其基本性能与聚丙烯相似。但是由于原料限制，PHA价格较高。随着PHA合成及改性方法的不断开发和优化，PHA的售价会逐步降低，对汽车行业有巨大的吸引力。
目前，我国的PHA生产品种最多、产量最大，但是关于PHA在汽车行业的应用报道较少，主要是以纺织品形式使用，如用作汽车脚垫[9]。因为改性聚羟基烷酸酯在生产成本上比较高，且有一些研制上目前无法克服的瓶颈，现在尚处于研究阶段。根据其应用形式，未来将在低挥发性(VOC)、低气味、抗静电、阻燃、表面改性及力学性能提升等方面进行改性，进一步推广PHA在汽车行业的应用。
3.4 生物基尼龙
尼龙（Polyamide,PA）具有良好的力学性能，且耐磨、耐油、耐溶剂，具有良好的加工性能，目前已广泛用于如下行业：汽车工业、机械制造行业、交通运输业、电子电气工业、薄膜及日常用品等。尼龙材料以尼龙66为代表，其在汽车轻量化发展中发挥着十分重要的作用。但是PA66上游原材料己二腈的技术国外供应商垄断，所以我国尼龙66产业规模和产量虽大，却只能被动接受涨价。国内探索用生物基尼龙代替尼龙在汽车上的应用对国内汽车轻量化发展至关重要。生物基尼龙是以生物基材料为原料合成的聚酰胺（PA）材料，不仅具有尼龙的优越力学性能，还可以减少碳足迹，具有更好的环保性。其主要种类有糖基尼龙和植物油基尼龙。
3.4.1 发展和应用现状
生物基尼龙目前主要应用在汽车结构件、发动机周边、内外饰件等领域。
杜邦公司生产了多种生物基尼龙产品（如：PA1010、PA610）[10]。其中PA1010可以替代PA11和PA12用于柴油发电机的燃料管,目前已经在菲亚特系列汽车中得到了应用。罗迪亚公司开发出Technyl EXten系列蓖麻油生物基PA，可用作汽车的进气管、输油管等[10]。帝斯曼开发出由PA46制备的燃料蒸气分离器，表现出非常低的渗透水性，可在175℃的高温下长时间使用，具备优异的机械性能、尺寸稳定性、耐化学性超高的热老化性能，用在法拉利和玛莎拉蒂跑车上[11]。福特开发出1种大豆油基PU泡沫，主要用于汽车坐垫、座椅靠背。日本丰田开发出1种蓖麻油基PU泡沫塑料，主要用于汽车坐垫等内饰件。
我国生物基PA与发达国家相比有较大的差距,但是也有所进展。苏州翰普高分子材料有限公司的生物基PA品 种 主 要 有PA11、PA1010(Hiprolon 200)、PA610、PA1012，但2012年该公司被阿科玛公司收购。因此，开发具有自主知识产权、具有市场竞争力的生物基PA，对我国PA产业发展及战略安全有重要意义[10]。
戢杨杰将蓖麻油基聚氨酯与经过花生壳粉末改性的蓖麻油基聚氨酯应用在汽车防火墙与顶棚的声学包中，以改善车内噪声，且性能与纯石油基聚氨酯相当[12]。此外，凯赛生物和伊品致力于生物基尼龙的改性制造研究，其中凯赛生物用生物法生产的绿色尼龙国际市场占有率高达96%，打破了外企对尼龙生产的垄断，填补了我国在尼龙制造中的空白。
3.4.2 未来发展方向
因为受制于生物质的来源和技术手段，生物基尼龙的生产和发展道路上存在着不小的阻碍。为解决这些问题，需要在如下方向上努力。
拓展生物质来源。目前商业化的生物基尼龙相关产品的原材料是蓖麻油，但蓖麻油年产量有限且生产成本较高，需要找到新的来源广、价格低的生物质原（如：木质素、纤维素）及相关制备方法。
加强尼龙生产技术创新。我国面临着尼龙产量大，但自主生产技术相对匮乏的难题。因此，需要在现有技术的基础上，加强自主创新，打破国外技术垄断，促进我国车用生物基尼龙独立自主的稳步发展。
3.5 生物基聚烯烃
生物基聚烯烃是由生物玉米、秸秆、甘蔗等植物经生物发酵而来，其塑料目前主要有聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）2个品种，单体来源于生物乙醇。聚烯烃塑料密度小，着色性好、物理、化学综合性能良好、加工性能好，可以减轻汽车自重，增加有效载荷。随着生物基聚丙烯的工业化生产，IDTechEx预计，到2023年，生物基聚合物的市场规模将达到270万吨。随着消费者越来越了解使用生物基替代物的好处，生物基聚烯烃将获益于石化当量3～4倍的复合年均增长率。
3.5.1 应用和发展现状
2011年，巴西最大石化公司Braskem开发出1种以由甘蔗发酵得到的生物乙醇为原料制备而成的生物基PE，目前主要应用在汽车零部件、包装材料、容器等领域。佛吉亚生产1种由麻和聚丙烯结合的注塑生物复合材料，并把此技术在北美推广[13]。鑫达集团开发出生物质填充复合材料，采用了10%～50%的秸秆填充聚丙烯，可以有效降低在生产过程中的碳足迹，与传统石油基产品相比，其制成的部件密度更小、冲击强度更高、阻燃性更高、弯曲强度和拉伸强度相当，明显缩短生产周期[14]。
3.5.2 未来发展方向
生物基聚烯烃属于技术含量、应用性能和市场价值都比较高的高端聚烯烃产品，目前其产能主要集中在国外，而我国的聚烯烃产品以中低端通用料为主，生物基聚烯烃产品严重依赖进口，若在汽车上应用还需向高端化和差异化发展。
3.6 天然纤维复合材料
天然纤维主要由纤维素、木质素、半纤维素、果胶和蜡质组成，按照来源作物的部位可以分为叶部纤维、韧皮纤维、果实纤维或种子纤维。叶部纤维有剑麻、香蕉和菠萝等，韧皮纤维有亚麻、黄麻和大麻等，果实纤维或种子有棉花等[15]。天然纤维可以生物降解，且生产时所需能耗相对更小，密度小，弹性模量大，吸声性能好。但是天然纤维吸水性强，界面性能差，往往需要进行物理或化学改性处理，以降低其吸水性，使其具有良好的力学性能。总的来说，天然纤维复合材料可再生、可降解、可回收，使用性能好，作为车用产品被广泛应用。
3.6.1 应用和发展现状
目前，国内外天然纤维复合材料主要应用在车门内饰、座椅靠背和仪表板等部位。
日本汽车零部件制造商开发出1种纤维素纳米纤维，其比重只有钢材的20%，但强度是后者的5倍，在未来数十年时间将会成为钢的良好替代品。佛吉亚开发1种将天然纤维和1种植物基树脂结合在一起的天然复合材料[16]。德国BASF公司开发出1种用亚麻、剑麻和黄麻纤维作为增强材料与聚丙烯等热塑性塑料复合的天然纤维毡增强复合材料[17]。Kafus环境工业公司开发1种洋麻增强材料，冲击强度好，重量轻，可以代替玻璃纤维增强材料用于汽车，比如顶篷、座椅靠板、车门面板等。丰田纺织开发出1种洋麻材料，应用在汽车门板及内饰件中[17]。
国内对天然纤维复合材料的研究起步较晚，但是成果愈发丰硕。安徽铜陵华源汽车内饰材料有限公司生产出1种麻毡板，广泛应用于客车的前顶、后顶，轿车前车门内饰板、后车门内饰板，轿车衣帽架。江苏张家港圣达汽车内饰材料有限公司主要生产天然麻纤维复合板材，用于大客车、重卡、轻卡、面包车等汽车的前顶、后顶、风道、侧板等。吉林长春佳林汽车内饰复合材料公司制备的LoPerFin低压天然纤维复合材料，采用麻纤维为原材料，环保性能优异，加工性好，可以制成各种汽车内饰产品，如：仪表板、车门内板、柱护板、遮阳板、顶棚、帽架、地毯、行李架等。河南某汽车内饰件有限公司生产出汽车专用麻纤维/聚丙烯复合材料，主要产品包括轿车、客车及货车顶盖、门饰板、仪表板等。湖南通达汽车内饰有限责任公司生产以热塑性麻毡为主要原材料的汽车内饰件。
天然纤维复合材料不仅可以应用于汽车内饰件，也可以应用于汽车外部部件和其他配件，如变速箱盖、挡泥板衬、刹车片和扰流板。福特公司的“Focus”牌汽车发动机护罩即采用大麻纤维增强PP材料。
3.6.2 未来发展方向
天然纤维复合材料在汽车应用中体现出诸多优势，但是也有一些不足之处。其抗拉强度较低、分解温度低、稳定性差[5,17]，而且与合成纤维和碳纤维相比，天然纤维复合材料在汽车上的研究和应用还处于起步阶段，一些技术含量高的材料比如纤维素纳米纤维材料尚处于研究阶段。因此如何选择1种适合天然纤维成型工艺、研究新的改性技术、开发综合性能优异的天然纤维复合材料是一个重要发展方向，也是为实现汽车轻量化、环保化必须攻克的难点。
4 具有发展潜力的生物材料和应用方向
目前车用生物材料主要是生物基塑料，其中包括改性聚乳酸、生物基尼龙、天然纤维复合材料等，虽然它们作为新型材料，来源丰富，绿色环保，可减少温室气体的碳足迹，且密度轻，在汽车上广泛应用可以实现轻量化发展。但目前其应用大部分局限于汽车内饰、座椅等部分，原因主要有2点：（1）综合性能较差，难以满足力学性能要求，（2）热稳定性较差，高温条件下力学性能下降，降解不可控，使用寿命短。因此，开发新的生物材料、开拓其在车上新的应用领域十分重要。具有发展潜力的生物材料有生物基颗粒，帝斯曼目前研制出生物基颗粒，利用3D打印技术生产汽车轻型零部件。奥卢大学制备出基于口夫喃二甲酸透明生物基共聚塑料，性能优异，此外基于四环十二碳烯的高端光学材料的应用前景也不容小觑。
5 结语
分析近年研究结果，可以发现，生物基材料在汽车上的应用越来越广泛，而随着改性技术的应用和新的复合材料的研制，其综合性能正在逐渐赶上传统石油塑料，对于可持续绿色发展具有重大的意义。
目前研究重点和热点主要有：
（1）开发低成本、高性能的生物基材料；（2）开发达到汽车行业应用性能要求生物基复合材料，推广应用并扩大市场规模；（3）采用生物基纤维或无机长纤维对生物基可降解塑料进行改性，进一步改善生物基塑料的综合性能，推动其在汽车领域的应用。
虽然我国关于车用绿色生物材料的研究已经有些进展和成果，但是由于我国起步晚，距国际先进水平还有一定差距，因此我国在车用绿色生物材料的开发和应用，还有很长一段路要走。随着越来越多的学者投身于车用生物材料领域，我国绿色生物材料必将蓬勃发展。
