什么是生物复合材料?

生物复合材料是天然强化纤维——如六氟化铀、叶片、黄麻、黄麻、丝绸或竹子——与聚合物基质结合形成的先进复合材料,基质可以是生物降解树脂(如聚乳酸),也可以是用天然纤维加固以降低总石油含量的矿物燃料塑料,与传统的碳纤维或玻璃纤维复合材料不同,生物复合物每年依赖可再生原料,在生产过程中往往具有较低的能量强度,这些纤维通常被处理以改善与基质的粘合,所产生的材料可以使用注射模具、压缩模具和外观等常规制造方法处理,这种与现有工业设备的兼容性使生物复合物成为许多内部部分的有吸引力的倒置替代物。

环境惠益

碳足迹减少

与传统塑料和复合材料相比,生物聚合物的碳足迹要低得多。 天然纤维在植物生长过程中吸收大气二氧化碳,在车辆部分有效固碳,直到整个使用寿命。 生命周期评估表明,与聚丙烯或ABS相比,母体纤维复合物可以将摇篮到门温室气体排放减少40%。 此外,生产天然纤维强化剂所需的能量大约是玻璃纤维所需的能量的20-30%。 随着汽车制造商在全球面临二氧化碳监管的紧缩,碳含量的微小减少甚至有助于整体机队合规。

生物降解性和生命终结管理

当生物聚合物使用完全可生物降解基质如PLA或多羟基烷基酸盐制造时,整个成分可以在生命周期末的工业条件下进行堆肥,这避免了在填埋场和海洋中微塑料的积累,即使该基质无法生物降解,自然纤维强化也会加速复合物在填埋场环境中的降解,与纯聚合物相比持久性降低. 欧洲几个OEM公司正在探索封闭式循环系统,将生物聚合物制成的内板粉碎并重新加工成新的部件,进一步降低废物.

可再生能源

生物聚合物的原料来自每年可收获的植物,使其真正具有可再生性。 比如,Hemp在90-120天后就达到了成熟,需要最低限度的杀虫剂或除草剂。 叶片和黄麻同样快速生长。 这与来自有限的石油储备的化石燃料聚合物形成鲜明对比。 通过转向生物原料,汽车工业减少了对波动的石油市场的依赖,并支持农村农业经济。

业绩优势

轻重量和燃料效率

生物聚合物在某些室内应用中通常比等效的玻璃纤维复合材料轻15-30%,比钢轻50%。 降低车辆重量直接提高燃料经济性,扩大电动车辆的范围。 比如,用六氟化合金替代传统的塑料门三联装板可以节省每辆车1.2-2.0千克。 跨越数百万辆汽车的多重性能,累积节省的燃料相当大。 轻重量还有助于降低轮胎磨损和刹车距离,提高车辆的整体动力。

机械力量和可弃性

天然纤维具有良好的抗拉强度和坚韧性,特别是在复合结构中适当对齐时。 软纤维和六棱纤维的硬度值接近电子玻璃,而轻得多。在汽车内部,生物复合物表现出极强的抗冲击力和能吸收能力,这对于适航性至关重要。 由烯烃-聚丙烯复合物制成的面板已被证明在头部撞击试验中能与常规底物相匹配。 此外,天然纤维的粘性能提供了更好的振动坝、降低噪音和改善车载舒适度。

热和声隔热

与固体塑料相比,天然植物纤维的空心细胞结构提供了更好的绝热性能。 这种特性有助于保持舱温,降低HVAC的能量消耗,这对EV电池效率来说是一个显著的好处。 生物聚合物在声音吸收方面也非常出色:多孔纤维网络消散了声能,减少了道路、风和电动火车噪音。 几个豪华品牌都采用了软纤维复合材料,专门用于室内修剪,以提高舱静度,而不会增加质量。

设计和美学效益

生物复合材料可以被模制成复杂、三维的形状,其精度很高,使设计者能够创造独特的内部表面。自然纤维可以被染色或用清晰的外衣完成,以揭示其有机质,提供独特的视觉美学,吸引生态意识的消费者。一些制造商将可见的纤维留给强调可持续性,而另一些制造商则应用油漆或胶片来匹配品牌特有的色调板。 将软触摸表面、谷物图案和标志等特征直接融入模具的能力减少了二次加工。 此外,生物复合物可以与其他材料相结合,如木材、金属或循环聚合物,以实现在拥挤的市场上站立的混合设计。

汽车内部的应用

汽车制造商已经在使用生物聚合物,在广泛的内部组件中:

  • 门面板和窗框[ – Flax和hemp复合材料被宝马和梅赛德斯-奔驰用于室内门框修饰.
  • 装有装有金属板和仪器面板 – Kenaf-reinforced 聚丙烯在丰田生产车辆中用于仪表板底物.
  • 座位背部和侧面插入[ – 天然纤维复合材料降低重量,提高座位结构的舒适度.
  • 头条和包架 – 声学和热学特性使生物聚合物对俯仰组件来说是理想的.
  • 堆放的本盖和杯具 - 小部件从材料的可模化性和表面完成性中获益。
  • 地毯背面和地板垫 – 回收的棉花和黄麻纤维通常用于非织造的结构.

这些应用表明,生物聚合物能够满足维稳、紫外抗和雾化限制的严格的OEM要求,同时提供可持续性优势。

挑战和解决办法

较高的生产成本

生物复合原料目前每公斤比常规聚丙烯或ABS要高20-60 % 。 但是,如果轻量级能节省较小的制动系统、底盘负荷的减少或电池范围更大的次要费用,那么总的部分成本可能更低。 规模经济和改良的农业加工正在稳步缩小成本差距。 赠款方案和碳信用也有助于抵消初始投资。

湿度敏感度

自然纤维从环境环境中吸收水分,这会导致机械特性的膨胀、维变和退化。 为了解决这个问题,制造商采用了疏水涂层,用硅烷耦合剂处理纤维,或使用减少水吸收的混合树脂系统。 适当的储存和处理协议在模具制作前也至关重要。 纳米纤维涂层的进展有望在不久的将来产生更好的水分抗药性。

粘合和兼容性

天然纤维的极性会导致聚丙烯等非极性聚合物基质的粘合不良. 改良的雄性-无水合物配合剂和纤维表面处理方法已基本解决了这个问题,实现了与玻璃复合材料相类似的界面强度,内嵌涂料和超重叠也正在完善,以确保坚固的层结合.

汽车工业生物复合物的未来

市场研究表明,全球汽车生物组合市场到2030年将超过50亿美元,其复合年增长率将超过12%。 主要的驱动力包括更严格的排放条例、消费者对生态友好型车辆的不断增长的需求以及纤维处理和自动化方面的技术突破。 SAE International正在制定生物材料性能的新标准,这将加快采用。电动SUV和自动穿梭机等轻量级车辆将特别受益于重量和隔热优势。此外, 最近的学术研究证明,增加少量纳米纤维可以大大改善生物组合车的机械特性和湿度,为诸如凸起梁和护堤等外部应用打开大门。 Grand View研究 内饰和门板将保持主要应用,随后,机体盾和轮式衬车下快速增长。 内饰素的特性将至少从20-前的半径向20个半径向半径向外移到所有生物前的装置。

简言之,生物复合材料为减少汽车内部环境足迹而无需牺牲性能、安全或设计自由提供了令人信服的解决方案。 其轻量级能提高燃料效率和EV范围,而自然美学则吸引了越来越多的具有可持续性意识的消费者。 纤维处理、基质化学和再循环技术的持续创新将克服当前的种种限制。 随着监管的强大尾风和行业承诺,生物复合物正走上成为未来车辆主流选择的轨道。