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橡胶前沿技术,瞄向何方

发布时间:2014-10-09 来源:中国橡胶网 作者:孟晶

“虽然未来几年内不太可能出现重大革新性的游戏规则改变者,但燃油效率成为全球恒久话题、标签法在全球逐渐普及、高附加值技术继续植入中等价格轮胎,都为创新力打开了新的空间。而其中以纳米材料/石墨烯为代表的新型补强技术、智能系统、智能材料、天然材料、生产灵活性技术和大数据,则是最引人关注的未来技术。”27个国家和地区的700多名橡胶界代表9月齐聚北京,在2014年国际橡胶会议(IRC2014)上做出了这一前瞻性的判断。众多科研工作者在材料的高性能化和材料的可再生方面进行的探索,更是给记者留下了最为深刻的印象。

 
创新必须顺应大势
 
在由中国化工学会橡胶专业委员会主办,北京橡胶工业研究设计院承办的IRC2014上,固特异橡胶轮胎公司高级主管Surendra K. Chawla表示,轮胎创新的方向一定要紧跟全球大趋势。从宏观上看,全球变暖,就要求降低CO2和其他温室气体排放;资源保护,就要提升不可再生资源利用效率及二次利用率,发展替代能源;人们更加注重健康,就要减少污染,并让废弃材料尽可能得到再利用。从经济角度看,企业要降低生产成本,提高生产的灵活性,提升产品的附加值,延长轮胎的全周期寿命,降低维护成本。顺应上述大趋势,各国制订了相应的运输系统法规,并对整车的CO2排放、可回收率等进行了规定,多国对轮胎产品施行了标签分类,欧盟还对化学品制订了REACH法规。
由此,新一轮的整车技术革新正在兴起,其中包括燃料、引擎和动力系统的革新,传感器、电子系统、控制系统等信息系统的革命,并引领着材料向着轻量化、高强度、易加工、智能化发展。
Surendra K. Chawla说,对应上述大趋势,轮胎技术应该从5个方向进行开发,即轻量化、高性能化、智能化、长寿命化、高效化。其中轻量化主要依靠提高单位胶料产出和先进材料的应用来实现;高性能化主要表现在降噪、抗震、提高操控性能及产品均一性上;智能化包括智能系统、传感器、远程信息系统、监控系统;长寿命化主要通过提高各种路面条件下轮胎的牵引力、耐磨性,增加重复利用性;高效化则需要依靠新生产工艺和新加工工艺。
“而且,现在看起来离普及还比较遥远的无人驾驶技术怎么应对,也是个应该考虑的问题了。”
 
高性能化看材料
 
“减小环境影响的绿色技术是非常热门的研究领域。”印度橡胶研究院主席、JK集团研发总监R.Mukhopadhyay介绍,根据日本橡胶生产商协会提供的数据,轮胎全生命周期的CO2排放约为296.4kg,其中材料占4.1%,产品生产过程占1.5%,物流占0.2%,使用过程占87%258kg),终端处理占7.2%。因此从降低轮胎使用过程CO2排放入手最为实际,而材料的高性能化是至关重要的一个环节。
“绿色轮胎技术,一方面是使用特殊可再生弹性体、填料和助剂的低滚动阻力轮胎,另一方面是最大限度提升轮胎的安全性、可靠性、耐久性、操控性、舒适性和运行效率。提升这些性能又很大程度上依靠材料的更新换代。具体来说,就是合成胶进行改性、提高可再生性和可回收性,补强材料主要是新一代白炭黑及纳米填料,骨架材料将从聚酯、尼龙、钢帘线,向可回收人造丝、生物基纤维、超高强耐腐蚀钢帘线发展,填充油会更多采用植物油、生物基加工助剂、低/无多环芳烃油,助剂则要满足REACH要求。”R.Mukhopadhyay说。
全球对轮色轮胎材料探索其实早在上世纪80年代就已经开始,业界尝试用溶聚丁苯替代乳聚丁苯,90年代初开始并用溶聚丁苯与钕系顺丁,90年代末初步使用低芳烃含量的环保油替代传统芳烃油,2000年之后开始对溶聚丁苯进行链段改性,使其功能化,今后还将探索生物材料的应用。补强材料方面,则主要是上世纪90年代出现的以米其林绿色轮胎为代表的白炭黑硅补强材料,近来碳材料成为研究热点。此外,高岭土可提高轮胎的可操控性,降低油耗;核壳结构的材料也有潜力。R.Mukhopadhyay这样介绍道。
“玲珑特别关注石墨烯、纳米碳管作为补强材料的应用。我们的实验结果显示,石墨烯/丁吡橡胶具有更好的力学性能和气密性,石墨烯-白炭黑/丁苯橡胶复合物耐磨性更高,在绿色轮胎应用中前景广阔。纳米碳管/橡胶复合材料用于胎面,可开发高强度、高导热性、功能性节油轮胎;用于载重胎胎肩胶,可减少动态生热,提高轮胎的安全性和寿命。”山东玲珑轮胎股份有限公司研发中心主任聂秋海告诉记者,橡胶交联体系是玲珑关注的另一热点技术,官能化溶聚丁苯、超高顺式丁二烯橡胶并用,获得轮胎所需黏弹性,则是他们最近的主要进展。
“碳纳米管补强确实是一个方向,固特异已经生产了样胎,不过离商业化还有一定距离。”Surendra K. Chawla接受记者提问时表示,“未来,提升材料的模量和拉伸性能,超高相对分子质量聚乙烯、PBO(聚对苯撑苯并二恶唑)也将成为重要方向。”
德国橡胶研究院也在研究碳补强材料,而且涵盖了一维、二维、三维材料。“纳米碳管补强性能介于炭黑330和炭黑550之间,成本在15欧元左右。这一结果证实碳材料确实值得探索下去。”该研究院的Robert H. Schuster先生表示。
 
探索生物合成路线
 
糖和碳水化合物合成生物基异戊二烯、生物基丁二烯;甘蔗制成生物基乙烯,进而合成三元乙丙橡胶;谷物等生物质制备出异丁烯和异戊二烯,进而合成丁基橡胶;酶催化合成生物基化学品……IRC2014上介绍的这些技术,让记者实实在在感受到糖、淀粉、纤维素、壳聚糖、蛋白质,木质素,成为橡胶工业的可再生原材料来源又进了一步。
单体/聚合物合成进展迅速
据记者了解,在众多材料中,除了技术已经较为成熟的生物乙醇外,合成橡胶最主要原材料丁二烯的生物技术研究是进展最快的。因供应呈短缺加剧之势,价格忽高忽低,生物基丁二烯研究迅速提速,并在近期取得了多项突破。比如,Cobalt技术公司成功实施了生物正丁醇的试验,在生物丁醇生产放大成功的基础上,以丁醇分子为原料生产丁二烯。Cobalt公司首席执行官称,公司正在开发生产生物丁二烯的整套技术,且可以在全球市场销售。Cobalt公司还宣布,计划在亚洲建设第一套生物丁二烯装置,采用传统的化学催化技术,用生物丁醇作原料生产生物丁二烯,预计2017年投产。美国Genomatlca公司也正在将生产生物丁二烯项目升级成世界级规模。
异戊二烯的生物路线研究也在有条不紊地展开。固特异与杜邦正在加紧合作开发生物基异戊二烯,并完成了异戊橡胶的中试,希望2015年能实现异戊二烯的商业化生产。普利司通和味之素合作开发出适合异戊二烯生产的菌株。
异丁烯方面,德国弗劳恩霍夫化学生物技术中心眼下正与法国全球生物能源公司合作,在德国洛伊纳建设一个可用于工业生产的试验性装置,用糖来生产异丁烯。此前,全球生物能源公司的研究人员已在实验室中实现了糖与异丁烯的转化。
朗盛的生物基异丁烯已在中试装置上试产成功,并试产出一批由生物基原料合成的丁基橡胶。朗盛预计,生物基丁基橡胶将在2015年达到数万吨规模。
“生物基弹性体是非常有前景的一类生物材料。”美国化学会Sparks-Thomas Award奖获得者、北京化工大学教授张立群告诉记者,生物基弹性体具有良好的环境稳定性,且与传统的橡胶加工成型工艺有良好的相容性,可采用传统的橡胶加工工艺加工成型,例如混合、模压和硫化等工艺。“从实验室成果来看,生物基聚酯弹性体和炭黑纳米复合材料显示出了良好的阻隔性能,且在高温下性能损失甚至比天然胶还要小。而生物基聚酰胺则可以水解成弹性体,在C=C中降解。”
增强材料开辟新路线
 “米糠(稻壳)灰已经成为固特异获取白炭黑的一种新途径。全球每年会产出7.38亿吨水稻,其中约20%是米糠。而米糠灰里面90%SiO2。我们从米糠灰提取白炭黑的技术,2015年将商业化。”Surendra K. Chawla说,“大豆是另一种固特异看重的原料。大豆油基增塑剂的效果好于石油基。我们与美国研究所合作开发的大豆油基增塑剂,可提高胎面耐磨性10%,且与白炭黑共混性能好,预计2015年商业化。”
“玲珑也开发出了植物油增塑剂,不仅可以降低橡胶体系黏度,还能减少加工能耗。我们还用菜子油替代芳烃油EDTA,使轮胎湿地性能提高了11.7%,干地性能提高了8.5%。”聂秋海说。
 
寻找第二橡胶资源
 
按照国际橡胶研究组织的预计,2015年全球天然胶短缺40万吨。寻找第二橡胶资源,也是橡胶行业的一直努力的方向。
反式异戊橡胶
 TPI是非常有前景的一项技术,万吨级装置也已建成。”Surendra K. Chawla所说的TPI就是合成的反式异戊橡胶。由青岛第派新材有限公司建设的全球首套万吨级TPI工业化生产装置,已于2013年在青岛莱西市投产。该装置采用青岛科技大学自主研发的负载型TiCl4/MgCl2催化异戊二烯本体沉淀聚合法工艺,粉末状产品的反式-1,4-结构含量≥98%。国内知名轮胎企业应用数据表明,反式异戊胶应用于全钢子午胎时,轮胎磨耗可提高20%以上,耐疲劳性提高300%;用于半钢子午胎时,轮胎可节油2.5%,每应用1吨反式异戊胶可节省燃油70吨,减少汽车尾气二氧化碳排放量200吨。
天然反式异戊橡胶则可以从杜仲中提取。杜仲是中国特有资源,我国已经拥有了杜仲种植、杜仲胶提取及应用的技术,但大规模应用,产胶率还需提高,价格还需亲民。除中国外,西班牙南部、中国联盟也在进行杜仲胶研究,西班牙北部/法国联盟则在开展TPI研究。
蒲公英橡胶
蒲公英橡胶是最近橡胶行业非常火热的词汇。德国大陆公司与弗劳恩霍夫(Fraunhofer)研究所因合作进行蒲公英天然橡胶开发,并用于试制轮胎和其他橡胶配件,成为欧洲2014年绿色科技奖的共同得主;使用了蒲公英橡胶的玲珑轮胎在IRC2014亮相;日本普利司通公司与美国俄亥俄州立大学合作,用自主开发的提胶技术,成功地从哈萨克斯坦等地原产的蒲公英根部提取出制作轮胎用的天然橡胶,并力争在近期完成轮胎试生产,在2020年以后将蒲公英橡胶轮胎投入实际使用。
不过,蒲公英橡胶更像是一项储备技术,因为其成本还过于高昂。“一大桶蒲公英才能出一点胶,成本确实还是个大问题。”参与了蒲公英橡胶研究的北京化工大学一研究生对记者说。
 
(来源:中国化工报)
 

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