可降解生物質復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景

1、可降解生物質復合材料的進呈現(xiàn)狀與前景引言用自然植物纖維與來源于石油資源的高分子塑料,制備木塑復合材料興起于20 世紀 80 年月,迄今已有多種產品實現(xiàn)了工業(yè)化生產。據(jù)統(tǒng)計,在北美和歐洲地區(qū),這種復合材料的產量已由1995 年的50 萬t 增加到2022 年的685 萬t,其中2022 至 2022 年的增長率到達了 40%左右1。近年來,隨著人們環(huán)境保護意識的增加,以及對能源危機和資源約束生疏的漸漸加深,用植物纖維材料與來源于植物資源的可生物降解塑料(替代來源于石油資源的不行生物降解塑料),制備環(huán)境友好的生物質復合材料(bio-composites)的爭辯受到極大關注,并漸漸成為復合材料進展的

2、必定趨勢2,被認為是 21 世紀最有進展前景的材料之一。自然纖維/可生物降解塑料制造的生物質復合材料(簡稱可降解生物質復合材料),是用木材、竹材、棉、麻及農業(yè)剩余物等自然植物纖維,與各種來源于植物資源、且可生物降解的生物塑料,如聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己內酰胺(PCL)等,通過共混、擠出、熱壓、注塑等工藝,制備的生物質復合材料,是一種環(huán)境完全友好的生物質復合材料?？山到馍镔|復合材料的進展背景11 世界能源態(tài)勢由于石油是不行再生的資源,隱藏量有限,迫使人們更加關注可再生資源的開發(fā)利用。依據(jù)美國信息能源署的推測,到 2025 年,世界石油資源的貯量(包括未探明貯量)為 2

3、9 468 億桶。按 2022 年世界石油消耗量為 08 億桶/天,2030 年消耗量增加到 118 億桶/天估算,目前探明的石油資源僅可再用 30 多年3。為應對日益靠近的能源危機和資源約束,一些利用可再生資源,如木材或其他植物等,生產型高分子材料,替代以石油資源為來源的傳統(tǒng)高分子材料的技術也應運而生。目前已有從玉米淀粉中制備乳酸, 再合成高分子量聚乳酸等批型的可生物降解塑料,并實現(xiàn)了工業(yè)化生產。12 環(huán)境保護要求隨著科學技術的進步和人類文明的進展,人們在生產和生活中消耗著大量不行分解的高分子材料制品,如包裝袋、餐盒、醫(yī)用及日常生活中的一次性用具等, 并產生著大量的廢棄物。這些廢棄物在自然條

4、件下極難分解,如承受填埋處理,將占用大量土地,對環(huán)境造成了嚴峻負擔與污染。而材料中的一些有毒氣體或有機物釋放物質,還會危害人體安康。環(huán)境污染與環(huán)境負擔的問題正越來越受到世界各國政府和民眾的關注。依據(jù) 2022 年 9 月國家環(huán)?？偩趾蛧医y(tǒng)計局聯(lián)合公布的中國綠色國民經(jīng)濟核算爭辯報告(2022),2022 年全國因環(huán)境污染造成的經(jīng)濟損失為 5 118 億元, 占當年 GDP 的 305%。虛擬治理本錢(指目前排放到環(huán)境中的污染物,依據(jù)現(xiàn)行的治理技術和水平全部治理所需的支出)為 2 874 億元,占當年 GDP 的 108%,而這實際上只是實際資源環(huán)境本錢的一局部。由此可見,削減污染、保護環(huán)境已經(jīng)

5、成為國民經(jīng)濟進展面臨的緊迫任務,開發(fā)有利于保護環(huán)境的材料,也就成為了材料科學領域進展的優(yōu)先選擇。可降解生物質復合材料的進展意義21自然植物纖維的特性自然纖維來源于木材、竹材等植物,只要大量種植,就可以持續(xù)地利用。樹木不僅生長過程對環(huán)境友好,而且其材料加工利用和廢棄后,也不會對環(huán)境造成污染, 是一種環(huán)境完全友好的生物質材料,與塑料、鋼鐵等對環(huán)境造成日益嚴峻負擔的材料相比,木質材料的優(yōu)勢將越來越明顯,應用將再次受到關注。但由于木質材料存在構造變異性大、材料性能不均勻的缺點,使用受到肯定限制。但假設將木質材料經(jīng)過構造設計或與其他材料復合,可改善其性能,擴大應用范圍。22可生物降解塑料的特性可生物降解

6、塑料,如聚乳酸等,廢棄后可在堆肥條件下自行降解成 H2O 和CO2,是完全無毒的低分子物質,而且降解產物經(jīng)光合作用還可再形成淀粉等物質, 成為聚乳酸合成的起始原料,實現(xiàn)干凈的碳循環(huán),是一種完全具備可持續(xù)進展特性的環(huán)境友好的高分子材料4,被稱為“21 世紀的環(huán)境循環(huán)材料”。但是,聚乳酸等生物塑料與其他高分子材料一樣,耐熱性差,材料彈性模量易隨溫度上升而明顯下降,使用也受到肯定限制。另外,其本錢高,也是目前制約大量應用的另一個緣由。自然纖維材料與可生物降解塑料各具優(yōu)缺點,用其制備生物質復合材料,既可改善其性能,又能降低本錢,正成為復合材料爭辯領域的熱點。23可降解生物質復合材料的特點自然植物纖維原

7、料來源廣泛,而且可以再生,材料本錢低廉,與可生物降解塑料復合,可以降低復合材料的本錢5;可降解生物復合材料使用后不會造成環(huán)境污染,更重要的是來源于可再生的植物資源,可局部替代現(xiàn)有的石油產品6;改善了材料的性能,擴大了材料的應用領域;廢棄后可以自行分解,不污染環(huán)境,有助于保護環(huán)境;相對于使用合成樹脂的生產的木質復合材料而言,該材料屬無甲醛釋放、完全環(huán)保的復合材料,符合木質材料的進展方向。在肯定的溫度、濕度及微生物條件下,可實現(xiàn)生物降解。而在正常使用條件下,這種生物質材料是不會發(fā)生自然降解,具有足夠長的使用周期。24可降解生物質復合材料的應用可降解生物質復合材料的爭辯,是隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護與資

8、源可持續(xù)利用的關注,以及近幾年可生物降解塑料在工業(yè)上的應用后才開頭得到重視的7。日本已將生物降解塑料作為繼金屬材料、無機材料、高分子材料之后的“第四類材料”。近些年來,在汽車工業(yè)中,自然植物纖維增加的復合材料被成功地替代玻璃纖維增加復合材料,用于生產汽車零部件,這種可降解生物質復合材料的應用, 也正引起包括汽車行業(yè)在內的很多相關行業(yè)的極大關注?？山到馍镔|復合材料的進呈現(xiàn)狀可降解生物質復合材料在近 10 年才開頭爭辯。較早開展相關爭辯的是澳大利亞的 Wollerdorfer 和德國的 Bader9,1996 年曾承受亞麻和黃麻分別與PBS(Bionolle(3020)、PHB(Biopol(D

9、300G)、纖維素乙酸酯(Biocell(163)及淀粉塑料共混物等制備生物質復合材料,通過對不同纖維與不同可生物降解塑料的復合, 比較與評價材料的性能,認為多糖類的纖維素乙酸酯塑料與麻纖維復合時,材料的性能相對較好。目前,美國、日本、韓國、德國等開展的相關爭辯,主要集中于根本復合工藝參數(shù)及復合機理10、復合材料生物降解特性11及界面改性12等方面。如日本松井株式會社于 2022 年初開頭用可生物降解聚乳酸與木粉復合,制備生物質復合材料的爭辯與開發(fā),到 2022 年,木粉與聚乳酸塑料的比已經(jīng)到達 7525,且復合材料獲得較好的物理力學性能(見表 1)13。此外,由日本近幾大學和日本大陽株式會社

10、共同開發(fā)的木纖維/聚乳酸生物質復合材料,已將木纖維的用量增加到 85%。在我國,相關的爭辯起步較晚,目前國內只有筆者在國外培訓學習的根底上,從木纖維與可生物降解塑料復合的影響因子角度,進展木纖維與聚乳酸等可生物降解塑料的復合機理、產品特性及其制備等技術關鍵的爭辯14?？山到馍镔|復合材料的進展前景依據(jù)美國能源部“植物及糧食基可再生資源技術路線圖”的規(guī)劃,到 2022 年,根本化學建筑材料中,植物基可再生資源材料利用要到達 10%;2050 年到達 50%8,預示著生物復合材料進展的巨大前景。在我國制定的國家中長期科學和技術進展規(guī)劃綱要(20222022 年)中,已經(jīng)把“開發(fā)具有自主學問產權的生

11、物基材料裝備”,作為我國農業(yè)領域里“農林生物質綜合利用”中的優(yōu)先進展課題。而可降解生物質復合材料屬完全生物基的材料,符合國家的環(huán)保政策和國際復合材料進展趨勢。目前雖然可生物降解塑料的生產本錢遠高于一般塑料,還未被大規(guī)模地應用。但其優(yōu)越的性能,呈現(xiàn)了良好的進展前景。主要應用領域有:汽車零部件 目前汽車部件大量承受塑料制品,其中很多汽車的內飾部件, 如德國奧迪、寶馬、奔馳及群眾等國際知名品牌的型轎車中,門護板、座位靠背、儀表板等部件,都承受的是一般塑料或纖維/一般塑料復合材料(如塑料部件、聚丙烯木粉板、木纖維/合成纖維復合材料、麻纖維/塑料復合材料等),每輛轎車自然植物纖維的使用量多達 20 kg

12、15,但是所用塑料都是不行降解的。目前,歐洲汽車制造商已經(jīng)開頭對可降解生物質復合材料用于汽車內飾件進展爭辯,并將該類材料作為早期應用的重要領域之一。建筑及公共設施部件 室內裝飾與裝飾材料也將是可降解生物質復合材料的重要應用領域。由于材料的完全可生物降解特性,還可以用于各種對環(huán)境保護要求較高的場所,如自然風景保護區(qū)短期使用的設施或裝置、護欄等。另外,還可用于替代目前常規(guī)木質材料及塑料材料的應用領域。參考文獻:Morton J, Quarmley J, Rossi LCurrent and emerging appli-cations for natural and woodfiber-plast

13、ic compositesCWisconsin, USA, The Seventh International Conference onWoodfiber-Plastic Composites, 2022:3-6Baillie CEco-composites JComposites Science and Techno-logy, 2022(63):1223-1224Energy Information Administration, U S Department ofEnergyInternational Energy Outlook 2022 R/EB wwwEiadoe gov/oia

14、f/ieo/indexhtml4錢以宏聚乳酸酯及其降解特性J紡織導報,2022(4):38-42Peterson S, Jayaraman K, Bhattacharyya DForming performanceand biodegradability of woodfiber-biopolTMcompositesJCompositesPart A: Applied Science and Manufacturing (incorporating), 2022, 33(8): 1123-1134Lunt JLagre-scale production, propertiesand comme

15、rcial applicationsof polylactic acid polymers JPolymer Degradation and Stability,1997(59):145-152Lee S H, Ohkita T, Kitagawa K, et alMechanical and thermalflow properties of woodfiber-biodegradable polymers compositesJJ Appl Polym Sci, 2022(90):1900-1905Mohanty A K, Mistra M, Drzal L TSustainable bi

16、o-compositesfrom renewable resources: opportunities and challenges in the greenmaterials world JJournal of Polymers and the Environment, 2022, 10(1/2): 19-25Wollerdorfer M, Bader HInfluence of natural fibers on themechanical properties ofbiodegradable polymers J IndustrialCrops and Products, 2022(8)

17、: 105-112Oksman K, Skrifvars M, Selin JNatural fibres as reinforcement inpolylactic acid (PLA) compositesJComposites Science andTechnology, 2022(63):1317-1324Teramoto N, Urata K, Ozawa K, et alBiodegradation of aliphaticpolyester composite reinforced by abaca fiberJPolymerDegradation and Stability,

18、2022(86):401-409Lee S H, Ohkita T, Kitagawa KEco-composite from poly(lacticacid) and bamboo fiber J Holzforschung, 2022,58(5):529-536松井株式會社應用技術開發(fā)木粉-可生物分解樹脂復合木質型材R第 19 次木質人造板及木質復合材料研討會暨木塑復合材料爭辯會第 4 次公開演講會,日本京都大學木質材料爭辯所, 2022:11-17Guo W J, Okamoto T, Takatani M, et alThe evironmentalfriendly wood/polylactic acid compositesCNanjing, The