橡膠材料與我們的生活密切相關(guān)，老百姓每天的衣食住行都離不開橡膠材料。但目前傳統(tǒng)的天然橡膠和合成橡膠都面臨資源不足的難題。于是，各國把目光對準了生物基橡膠的開發(fā)。



1.橡膠資源日益缺乏



橡膠材料按照來源可以分為來自三葉香蕉樹膠乳的天然橡膠，以及源自化石基原料的合成橡膠。



自1839年美國人固特異（Good Year）發(fā)明硫化橡膠以來，天然橡膠與合成橡膠陸續(xù)進入現(xiàn)代社會的方方面面，至今已經(jīng)為現(xiàn)代文明社會服務(wù)了近180年，在今后相當長的時間內(nèi)，也還將繼續(xù)服務(wù)于現(xiàn)代文明社會。



但是，目前無論是合成橡膠還是天然橡膠，都面臨著資源不足的難題。合成橡膠以石油等化石資源為原料，在能源、資源與環(huán)境都受到嚴重挑戰(zhàn)的今天，以大量不可再生的能源、資源消耗為代價的現(xiàn)代合成橡膠工業(yè)，正面臨著嚴峻的考驗。



根據(jù)英國BP石油公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，目前全球探明的石油儲備只夠維持42年的消耗、天然氣儲備只夠維持60年的消耗、煤炭儲備只夠維持130年的消耗，合成橡膠的發(fā)展將不可持續(xù)。



同時，我國石油資源嚴重不足，60%依賴進口，超過80%以上的石油被當做能源消耗掉，而貢獻到石油化工的石油原料僅為12%。



我國合成橡膠的發(fā)展不但受制于油氣資源短缺的困境，還會受到化石能源旺盛需求的擠壓，未來很有可能面臨無米下鍋的窘境。



隨著全球變暖趨勢日益明顯，以化石資源為原料的合成橡膠工業(yè)也面臨著節(jié)能減排的壓力。歐盟正在著手立法，考慮今后輸入歐盟的產(chǎn)品必須加大可再生資源的比例，其中輪胎將是受到重點監(jiān)控的產(chǎn)品。



美、日等發(fā)達國家政府也正在制定標準，規(guī)范可再生資源的范圍以及檢測方法。



天然橡膠方面，由于受到氣候、病蟲害以及地緣政治的影響，我國天然橡膠的發(fā)展面臨嚴峻的形勢。



我國天然橡膠消耗巨大，自產(chǎn)不足，嚴重依賴進口，2017年消耗天然橡膠548萬噸，占到全球總消耗量的42%，其中自產(chǎn)81萬噸、進口546萬噸。



而三葉橡膠樹僅適生于南北緯15度的熱帶雨林里內(nèi)，我國適種面積幾乎開發(fā)殆盡，天然橡膠進一步發(fā)展的潛力有限。再加上三葉橡膠樹面臨南美葉疫病的威脅，使全球天然橡膠種植產(chǎn)業(yè)十分脆弱。



此外，天然橡膠的收割無法實現(xiàn)大規(guī)模機械化作業(yè)，年輕人越來越多地遠離種植農(nóng)場、進入大城市工作，三葉橡膠的種植與收獲面臨勞工日益短缺的困境。



2.生物基橡膠是新思路



面對這種情況，一些發(fā)達國家已行動起來，未雨綢繆，規(guī)劃生物基橡膠的發(fā)展方向，布局生物基橡膠的工業(yè)框架。



所謂生物橡基橡膠，指的是利用生物基原材料合成制備的橡膠，以及利用三葉橡膠樹之外的其他植物產(chǎn)生的膠乳所生產(chǎn)的橡膠。



在合成橡膠方面，歐美發(fā)達國家注重傳統(tǒng)橡膠合成單體的生物基化，比如美國固特異(Goodyear)公司利用糖源開發(fā)生物基異戊二烯，進而合成出生物基異戊橡膠，最終制備出生物基異戊橡膠輪胎；阿朗新科利用甘蔗渣開發(fā)出生物基乙烯，與石油基丙烯共聚合，合成生物基三元乙丙橡膠，其中的生物基原料比例可達70%。



2018年世界杯比賽用球就是使用阿郎新科的這種材料制作，實現(xiàn)了生物基橡膠的真正應(yīng)用。此外，阿朗新科也建設(shè)了一套生物基異丁烯中試裝置并試產(chǎn)出一批由生物基原料合成的丁基橡膠。



美、日、歐不產(chǎn)天然橡膠，因此對于替代性天然橡膠的開發(fā)更為急迫。2007年，美國組成PENRA聯(lián)盟并實施“卓越計劃（2007-2011-2020）”，歐盟于2008年組成EU-pearls聯(lián)盟實施“珍珠計劃（2008-2012）”，隨后又組成DRIVE4EU聯(lián)盟啟動第二期“驅(qū)動計劃（2014-2018）”。



這些計劃的目的都是立足本地區(qū)開發(fā)三葉橡膠以外的可替代膠源，滿足本土對于天然橡膠的需求，降低對于東南亞三葉橡膠的依賴。在這些計劃中，蒲公英橡膠都是他們的首選目標。



2013年，德國大陸輪胎公司在歐盟“珍珠計劃”的基礎(chǔ)上，獨自投資3500萬歐元在位于波羅的海岸的安克拉姆建設(shè)了蒲公英橡膠研發(fā)中心，目標是利用蒲公英橡膠低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以及超柔軟特性，開發(fā)適合于歐洲冬季氣候條件的雪地胎，占據(jù)了蒲公英橡膠產(chǎn)業(yè)化先機。



日本國土面積狹小，無法獨自開發(fā)蒲公英橡膠等第二天然膠源。因此，日本普利司通北美研發(fā)中心參與到PENRA聯(lián)盟中，以確保未來天然橡膠的穩(wěn)定供應(yīng)。



目前。歐美已經(jīng)制備出蒲公英橡膠輪胎和自行車胎，正向著商業(yè)化的路線穩(wěn)步前進。



我國在生物基橡膠材料研發(fā)的進展



我國在生物基橡膠材料研發(fā)的進展。主要包括原創(chuàng)型生物基可降解聚酯橡膠材料、原創(chuàng)型不降解的生物基衣康酸酯橡膠材料、液相法超聚態(tài)天然橡膠材料及環(huán)氧化天然橡膠以及蒲公英橡膠的最新進展。



北京化工大學(xué)研制成功了世界第一批丁烯二醇基生物基聚酯橡膠可降解輪胎，能夠提高輪胎的抗?jié)窕⒌蜐L阻性能。現(xiàn)在已經(jīng)取得了彈性體制備及方法、彈性體胎面膠、復(fù)合輪胎及制備方法等3項專利。CNAS等出具的降解性能評價顯示，生物基聚酯橡膠符合“全生命周期”特征。



張立群通報了生物基可降解聚酯橡膠戰(zhàn)略規(guī)劃，除已經(jīng)研制成功的可降解輪胎外，北化還在與多方合作，共同研發(fā)可降解鞋、高低溫耐油密封圈、TPV制品等工業(yè)產(chǎn)品外，還有可降解口香糖等日用品。



就在一個月前的5月25日，由北京化工大學(xué)先進彈性體材料研究中心為主完成的“官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡膠”通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。



官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡膠作為我國原創(chuàng)的合成橡膠品種，北化歷經(jīng)13年的科學(xué)研究。



在山東京博中聚新材料有限公司建成了世界首條千噸級示范生產(chǎn)線；在山東玲瓏輪胎股份有限公司工業(yè)化生產(chǎn)線上試制了生物基綠色輪胎，滾動阻力達到了歐盟標簽法B級水平。



據(jù)估算，生產(chǎn)1噸官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡膠，相比傳統(tǒng)石油基合成橡膠，能夠減少碳排放1.44噸，可以為我國橡膠行業(yè)實施 “碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略提供積極支撐。



世界首批官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡膠膠乳及生膠



世界首批官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡膠輪胎



張立群說，天然橡膠是全球最大的可直接未加工改型使用的生物基高分子材料，1噸天然橡膠從植物合成到輪胎生命終止總計排放二氧化碳2.7噸，僅是合成橡膠全生命周期二氧化碳10.2噸的約1／4。每1噸天然橡膠進行環(huán)氧化改型產(chǎn)生7.7噸二氧化碳，按前述橡膠樹每生產(chǎn)1噸天然橡膠能吸收17.5噸的二氧化碳計算，每生產(chǎn)1噸環(huán)氧化天然橡膠能消耗9.8噸二氧化碳。



環(huán)氧化天然橡膠不僅符合綠色輪胎制造的理念，而且硫化膠用作胎面膠的綜合動態(tài)性能非常好。將其與天然橡膠按一定比例配合生產(chǎn)的載重子午胎，改善了撕裂強度，并進一步提高了載重胎的綜合性能。其還能完全代替SSBR用于綠色轎車輪胎的生產(chǎn)，材料的力學(xué)性能、抗?jié)窕阅堋⒛湍バ阅苓M一步增強，符合新時代節(jié)能減排的要求。北化已經(jīng)與海膠集團、海南大學(xué)合作，建設(shè)了中試實驗平臺。



北化與西雙版納圣潤橡膠合作開發(fā)出了“高頻微剪切液相工藝制備超聚態(tài)高性能橡膠材料新技術(shù)”。一套裝置已經(jīng)開發(fā)出3種新材料：超聚態(tài)天然橡膠、超聚態(tài)天然橡膠納米復(fù)合材料、超聚態(tài)與硫化膠基制品。檢測數(shù)據(jù)顯示，超聚態(tài)天然橡膠基本與進口1號煙片膠技術(shù)指標持平。已經(jīng)在兩家企業(yè)生產(chǎn)出了半鋼胎的試驗胎。


我國蒲公英橡膠研究始于2012年，2014年9月，在山東玲瓏生產(chǎn)的3條蒲公英橡膠輪胎樣胎在當年召開的國際橡膠會議上展出，引起業(yè)界高度關(guān)注。2015年，中國蒲公英橡膠產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟建立，項目利用“十三五”國家重點研發(fā)計劃的資助，開發(fā)出“綠色高效蒲公英橡膠制備關(guān)鍵技術(shù)”，還在哈爾濱建設(shè)了100噸級綠色水基工藝路線自動化提膠裝置，今天試車。“如果不是參加今天的論壇，作為研發(fā)計劃的主要人員，我按說應(yīng)該過去參加儀式。”張立群說，該全新裝置的試車，將會為下游產(chǎn)業(yè)廣泛的產(chǎn)品驗證提供充足的蒲公英橡膠原料。


蒲公英橡膠的開發(fā)必須遵循綜合開發(fā)的技術(shù)路線，形成天然橡膠+菊糖（乙醇）+蒲公英茶+飼料+有機肥的全產(chǎn)業(yè)鏈條。

每一項技術(shù)成果的成功，飽含科研技術(shù)人員多年的辛苦付出。希望業(yè)界支持生物基橡膠的研究發(fā)展，高度重視生物質(zhì)資源的高附加值利用，為促進橡膠產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標，作出應(yīng)有的貢獻。


文章來源： TK生物基材料，中國橡膠雜志