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生物基橡胶的产业革新
橡胶材料与我们的生活密切相关,老百姓每天的衣食住行都离不开橡胶材料。但目前传统的天然橡胶和合成橡胶都面临资源不足的难题。于是,各国把目光对准了生物基橡胶的开发。



1.橡胶资源日益缺乏

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橡胶材料按照来源可以分为来自三叶香蕉树胶乳的天然橡胶,以及源自化石基原料的合成橡胶。

自1839年美国人固特异(Good Year)发明硫化橡胶以来,天然橡胶与合成橡胶陆续进入现代社会的方方面面,至今已经为现代文明社会服务了近180年,在今后相当长的时间内,也还将继续服务于现代文明社会。

但是,目前无论是合成橡胶还是天然橡胶,都面临着资源不足的难题。合成橡胶以石油等化石资源为原料,在能源、资源与环境都受到严重挑战的今天,以大量不可再生的能源、资源消耗为代价的现代合成橡胶工业,正面临着严峻的考验。

根据英国BP石油公司的统计数据,目前全球探明的石油储备只够维持42年的消耗、天然气储备只够维持60年的消耗、煤炭储备只够维持130年的消耗,合成橡胶的发展将不可持续。

同时,我国石油资源严重不足,60%依赖进口,超过80%以上的石油被当做能源消耗掉,而贡献到石油化工的石油原料仅为12%。

我国合成橡胶的发展不但受制于油气资源短缺的困境,还会受到化石能源旺盛需求的挤压,未来很有可能面临无米下锅的窘境。

随着全球变暖趋势日益明显,以化石资源为原料的合成橡胶工业也面临着节能减排的压力。欧盟正在着手立法,考虑今后输入欧盟的产品必须加大可再生资源的比例,其中轮胎将是受到重点监控的产品。

美、日等发达国家政府也正在制定标准,规范可再生资源的范围以及检测方法。

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天然橡胶方面,由于受到气候、病虫害以及地缘政治的影响,我国天然橡胶的发展面临严峻的形势。

我国天然橡胶消耗巨大,自产不足,严重依赖进口,2017年消耗天然橡胶548万吨,占到全球总消耗量的42%,其中自产81万吨、进口546万吨。

而三叶橡胶树仅适生于南北纬15度的热带雨林里内,我国适种面积几乎开发殆尽,天然橡胶进一步发展的潜力有限。再加上三叶橡胶树面临南美叶疫病的威胁,使全球天然橡胶种植产业十分脆弱。

此外,天然橡胶的收割无法实现大规模机械化作业,年轻人越来越多地远离种植农场、进入大城市工作,三叶橡胶的种植与收获面临劳工日益短缺的困境。

2.生物基橡胶是新思路

面对这种情况,一些发达国家已行动起来,未雨绸缪,规划生物基橡胶的发展方向,布局生物基橡胶的工业框架。

所谓生物橡基橡胶,指的是利用生物基原材料合成制备的橡胶,以及利用三叶橡胶树之外的其他植物产生的胶乳所生产的橡胶。

在合成橡胶方面,欧美发达国家注重传统橡胶合成单体的生物基化,比如:


  • 美国固特异(Goodyear)公司利用糖源开发生物基异戊二烯,进而合成出生物基异戊橡胶,最终制备出生物基异戊橡胶轮胎

  • 阿朗新科利用甘蔗渣开发出生物基乙烯,与石油基丙烯共聚合,合成生物基三元乙丙橡胶,其中的生物基原料比例可达70%。



2018年世界杯比赛用球就是使用阿郎新科的这种材料制作,实现了生物基橡胶的真正应用。此外,阿朗新科也建设了一套生物基异丁烯中试装置并试产出一批由生物基原料合成的丁基橡胶。

美、日、欧不产天然橡胶,因此对于替代性天然橡胶的开发更为急迫。2007年,美国组成PENRA联盟并实施“卓越计划(2007-2011-2020)”,欧盟于2008年组成EU-pearls联盟实施“珍珠计划(2008-2012)”,随后又组成DRIVE4EU联盟启动第二期“驱动计划(2014-2018)”。

这些计划的目的都是立足本地区开发三叶橡胶以外的可替代胶源,满足本土对于天然橡胶的需求,降低对于东南亚三叶橡胶的依赖。在这些计划中,蒲公英橡胶都是他们的首选目标。

2013年,德国大陆轮胎公司在欧盟“珍珠计划”的基础上,独自投资3500万欧元在位于波罗的海岸的安克拉姆建设了蒲公英橡胶研发中心,目标是利用蒲公英橡胶低玻璃化转变温度以及超柔软特性,开发适合于欧洲冬季气候条件的雪地胎,占据了蒲公英橡胶产业化先机。

日本国土面积狭小,无法独自开发蒲公英橡胶等第二天然胶源。因此,日本普利司通北美研发中心参与到PENRA联盟中,以确保未来天然橡胶的稳定供应。

目前。欧美已经制备出蒲公英橡胶轮胎和自行车胎,正向着商业化的路线稳步前进。

3.我国已经迎头赶上  

面对发达国家在生物基橡胶研发领域的先发优势,我国也不甘落后,积极抢占未来生物基橡胶这一战略材料的制高点,争取形成具有自主知识产权的全产业链商业化开发模式,避免受制于人。

资料显示,北京化工大学先进弹性体材料研究中心于2008年开展相关工作,在国家自然科学基金重点项目、科技部“十三五”重点研发计划、国家自然基金委基础科学中心项目等的资助下,在山东京博中聚新材料有限公司、山东玲珑轮胎股份有限公司、美国固特异轮胎公司等国内外知名企业的大力支持下,历经13年的科学研究,首创一类基于生物基单体衣康酸的大分子链结构:

利用糖、淀粉以及纤维素等生物质原料发酵得到醇、酸等生物基单体,直接转化为生物基橡胶,省去了中间由生物基单体转化为传统单体的步骤,提高了效率,降低了成本。


  • 该官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡胶作为我国原创的合成橡胶品种。

  • 山东京博中聚新材料有限公司建成了世界首条千吨级示范生产线;

  • 山东玲珑轮胎股份有限公司工业化生产线上试制了生物基绿色轮胎,滚动阻力达到了欧盟标签法B级水平。



据估算,生产1吨官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡胶,相比传统石油基合成橡胶,能够减少碳排放1.44吨,可以为我国橡胶行业实施 “碳达峰”“碳中和”战略提供积极支撑。 

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目前,我国已经成功试制出生物基衣糠酸酯橡胶轿车轮胎、生物基共聚酯橡胶制品、杜仲橡胶航空轮胎和蒲公英橡胶概念轮胎等生物基橡胶制品。

可以预见,在不久的将来,应用上述生物基橡胶材料制备产品就会逐步渗入到我们的生产生活中,成为构建未来高度文明社会有机元素。



综合整理自TK生物基材料、中国橡胶杂志


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