上海交通大学：《材料美学》课程教学资源（作业展示）汽车上的生物基材料——论生物基材料“环保之美”&“性能之美”.pdf_大学文库

18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 2 - 目录摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.0 背景概述------------------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.1 汽车行业-----------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.2 生物基材料--------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.3 历史发展-----------------------------------------------------------------------------------------------------3 1.4 材料之美-----------------------------------------------------------------------------------------------------4 2.0 研究进展------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 2.1 常用的生物基材料----------------------------------------------------------------------------------------5 2.2 汽车部件上的应用----------------------------------------------------------------------------------------5 2.3 汽车企业生物基材料使用举例------------------------------------------------------------------------6 2.4 生物基材料汽车应用一览表--------------------------------------------------------------------------11 3.0 前景展望----------------------------------------------------------------------------------------------------------11 3.1 发展动力及潜力------------------------------------------------------------------------------------------11 3.2 困难与挑战-------------------------------------------------------------------------------------------------12 4.0 总结-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------13 参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------------------------13

18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303王瑛韫摘要本文将综述生物基材料在汽车行业的应用。介绍了对不同生物基材料在不同汽车零部件上的运用，总结了一部分知名汽车制造商几款运用了生物基材料的车型并分别加以分析，从而对目前生物基材料在汽车上的运用进行一个梳理。此外，本文还通过分析生物基材料优势和面临的挑战，对其在汽车行业的应用前景进行了剖析。本文旨在通过介绍生物基材料的性能和在汽车上各种各样的应用，来彰显作为一种天然材料的“环保之美”和“性能之美”。 1.0背景概述 1.1汽车行业汽车行业是一个拥有较长历史发展进程的行业，极大地改变了人们的生活工作方式。而汽车行业的发展也伴随着大量先进技术的出现和发展，包括燃料、机械、电子等。近年来，从全球总体情况来说，尤其是在欧美市场，汽车行业经历了2008-2009年行业的整体衰退，之后又慢慢走上了复苏之路。尽管如此，汽车行业依旧是一个经济支柱行业。以美国为例，其汽车行业2011年总额达到了370亿美金，而其中占到最大一部分的价值则是来自于汽车零部件。这就意味着，即便只是在汽车的某个小零部件上投入开发一种新的科技技术或新的材料运用，比如生物基材料，并加以成功的应用，那么其带来的收益也将是巨大的。 1.2生物基材料生物基材料产品是一种全部或主要由生物材料制成的商业或工业产品（除了食品和饲料）。而所谓的生物经济则是包括生物燃料、生物基材料等。许多工业领域都涉及到了生物经济的运用，比如农业、能源行业、汽车行业、航空航天、T等等。生物基材料是指使用了可再生农业或林业材料的工业产品，包括木材、草、农作物、废材等，用于替代纤维、连接件、加强纤维、塑料及其他传统材料。而在实际运用中，生物基材料往往和传统材料结合在一起使用，比如用废料再利用和传统材料一起制成产品，或者生物基复合材料夹在传统材料中取代传统的玻璃加强纤维来充当加强纤维。 1.3历史发展早在在20世纪30年代，生物基材料酒杯应用在汽车零部件的生产和组件。亨利·福特在油漆，搪瓷，模压塑料部件中开始采用生物基材料。福特还在各种部件中使用了大豆，亚麻，木浆，棉，亚麻，苎麻。而在1941年，福特推出了一款车，其车身面板使用以大豆为基础的塑料。下图显示了福特著名的“大豆车”，其中集成了许多生物基材料。该车的车身集成了秸秆，亚麻，豆粕，而其轮胎则应用了黄花乳胶。在右边的图像显示，福特正在展示其生 -3-

18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 3 - 摘要本文将综述生物基材料在汽车行业的应用。介绍了对不同生物基材料在不同汽车零部件上的运用，总结了一部分知名汽车制造商几款运用了生物基材料的车型并分别加以分析，从而对目前生物基材料在汽车上的运用进行一个梳理。此外，本文还通过分析生物基材料优势和面临的挑战，对其在汽车行业的应用前景进行了剖析。本文旨在通过介绍生物基材料的性能和在汽车上各种各样的应用，来彰显作为一种天然材料的“环保之美”和“性能之美”。 1.0 背景概述 1.1 汽车行业汽车行业是一个拥有较长历史发展进程的行业，极大地改变了人们的生活工作方式。而汽车行业的发展也伴随着大量先进技术的出现和发展，包括燃料、机械、电子等。近年来，从全球总体情况来说，尤其是在欧美市场，汽车行业经历了 2008-2009 年行业的整体衰退，之后又慢慢走上了复苏之路。尽管如此，汽车行业依旧是一个经济支柱行业。以美国为例，其汽车行业 2011 年总额达到了 370 亿美金，而其中占到最大一部分的价值则是来自于汽车零部件。这就意味着，即便只是在汽车的某个小零部件上投入开发一种新的科技技术或新的材料运用，比如生物基材料，并加以成功的应用，那么其带来的收益也将是巨大的。 1.2 生物基材料生物基材料产品是一种全部或主要由生物材料制成的商业或工业产品（除了食品和饲料）。而所谓的生物经济则是包括生物燃料、生物基材料等。许多工业领域都涉及到了生物经济的运用，比如农业、能源行业、汽车行业、航空航天、IT 等等。生物基材料是指使用了可再生农业或林业材料的工业产品，包括木材、草、农作物、废材等，用于替代纤维、连接件、加强纤维、塑料及其他传统材料。而在实际运用中，生物基材料往往和传统材料结合在一起使用，比如用废料再利用和传统材料一起制成产品，或者生物基复合材料夹在传统材料中取代传统的玻璃加强纤维来充当加强纤维。 1.3 历史发展早在在 20 世纪 30 年代，生物基材料酒杯应用在汽车零部件的生产和组件。亨利·福特在油漆，搪瓷，模压塑料部件中开始采用生物基材料。福特还在各种部件中使用了大豆，亚麻，木浆，棉，亚麻，苎麻。而在 1941 年，福特推出了一款车，其车身面板使用以大豆为基础的塑料。下图显示了福特著名的“大豆车”，其中集成了许多生物基材料。该车的车身集成了秸秆，亚麻，豆粕，而其轮胎则应用了黄花乳胶。在右边的图像显示，福特正在展示其生

18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303王瑛韫 2.0研究进展 2.1常用的生物基材料生物基材料应用于汽车零部件有几种方法。除了传统用途，比如木饰，棉纺织品，皮革座椅，还有两个使用生物基材料的主要方法：其一是作为增强填料，其二是制成聚合物。生物基材料可以用来加强或填充结构，包括植物纤维（如麻，洋麻，亚麻，从干、黄麻），以及以各种木材作为来源或作物残余物的纤维或叶纤维，如剑麻，蕉麻，香蕉纤维。生物基聚合物来源包括各种大豆、蓖麻子、玉米和甘蔗。这些原料通常是发酵并通过一系列转换来变成可以用在塑料复合材料的聚合物。就像他们所取代的传统材料，这些生物基聚合物可以经历挤出、吹塑、模压、注塑、成型、发泡、热成型等加工工艺。天然纤维填料与增强物是被应用增长最快的聚合物添加剂。在过去的15年中，天然纤维复合材料已在欧洲汽车业被应用：而在最近几年，这些材料已经获得也在美国得到发展，像蓖麻和大豆基多元醇在室内泡沫中的使用也己经变得更加普遍。生物基材料已在一些汽车零部件种得到测试和采用。比如：亚麻、剑麻、大麻用于车门内饰、座椅靠背的衬里、包货架和地板面板。椰子纤维和生物基泡沫材料已被用于使座椅底部、回靠垫、头枕。棉等其他天然纤维已被证明可以提供优越的隔音性能并被应用于内饰件。天然乳胶通过使表面更柔软来提高内饰部件的安全性。蕉麻纤维则被用来制作地板下的车身面板 2.2汽车部件上的应用采用生物基材料零部件己被用于世界各地的很多汽车制造商，包括奥迪、宝马、克莱斯勒、菲亚特、福特、通用、本田、马自达奔、驰、欧宝、标致、雷诺、丰田、大众、沃尔沃。最常见的已采用生物基材料的部件包括门板、座椅靠背、包盘、仪表板、顶棚、后备箱内衬及其他内饰零件。另外还有一些外部使用生物基的应用。比如丰田已经使用天然纤维在其外部轮胎罩和发动机罩下散热器末端水箱。另一生物基材料的外部应用的例子是在汽车的磁盘刹车上使用亚麻纤维代替石棉纤维。此外，Rieder汽车在为奔驰车制造底板中，采用蕉麻纤维以取代玻璃纤维起到增强作用。近年来，汽车厂商也开始尝试将天然纤维复合材料应用在汽车结构部件中，而此前一直是使用合成玻璃纤维，如储备芳纶来作为结构材料的。一些研究者感兴趣的天然纤维与纳米材料相结合的开发有可能被用在汽车的结构部件。尽管在外观、下罩和结构的应用相对有限且仍在不断研发中，但是他们作为一种优质技术和高附加值生物基材料的应用方向将会成为重要的市场。 -5-

18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 5 - 2.0 研究进展 2.1 常用的生物基材料生物基材料应用于汽车零部件有几种方法。除了传统用途，比如木饰，棉纺织品，皮革座椅，还有两个使用生物基材料的主要方法：其一是作为增强填料，其二是制成聚合物。生物基材料可以用来加强或填充结构，包括植物纤维（如麻，洋麻，亚麻，从干、黄麻），以及以各种木材作为来源或作物残余物的纤维或叶纤维，如剑麻，蕉麻，香蕉纤维。生物基聚合物来源包括各种大豆、蓖麻子、玉米和甘蔗。这些原料通常是发酵并通过一系列转换来变成可以用在塑料复合材料的聚合物。就像他们所取代的传统材料，这些生物基聚合物可以经历挤出、吹塑、模压、注塑、成型、发泡、热成型等加工工艺。天然纤维填料与增强物是被应用增长最快的聚合物添加剂。在过去的 15 年中，天然纤维复合材料已在欧洲汽车业被应用；而在最近几年，这些材料已经获得也在美国得到发展，像蓖麻和大豆基多元醇在室内泡沫中的使用也已经变得更加普遍。生物基材料已在一些汽车零部件种得到测试和采用。比如：亚麻、剑麻、大麻用于车门内饰、座椅靠背的衬里、包货架和地板面板。椰子纤维和生物基泡沫材料已被用于使座椅底部、回靠垫、头枕。棉等其他天然纤维已被证明可以提供优越的隔音性能并被应用于内饰件。天然乳胶通过使表面更柔软来提高内饰部件的安全性。蕉麻纤维则被用来制作地板下的车身面板 2.2 汽车部件上的应用采用生物基材料零部件已被用于世界各地的很多汽车制造商，包括奥迪、宝马、克莱斯勒、菲亚特、福特、通用、本田、马自达奔、驰、欧宝、标致、雷诺、丰田、大众、沃尔沃。最常见的已采用生物基材料的部件包括门板、座椅靠背、包盘、仪表板、顶棚、后备箱内衬及其他内饰零件。另外还有一些外部使用生物基的应用。比如丰田已经使用天然纤维在其外部轮胎罩和发动机罩下散热器末端水箱。另一生物基材料的外部应用的例子是在汽车的磁盘刹车上使用亚麻纤维代替石棉纤维。此外，Rieder 汽车在为奔驰车制造底板中，采用蕉麻纤维以取代玻璃纤维起到增强作用。近年来，汽车厂商也开始尝试将天然纤维复合材料应用在汽车结构部件中，而此前一直是使用合成玻璃纤维，如储备芳纶来作为结构材料的。一些研究者感兴趣的天然纤维与纳米材料相结合的开发有可能被用在汽车的结构部件。尽管在外观、下罩和结构的应用相对有限且仍在不断研发中，但是他们作为一种优质技术和高附加值生物基材料的应用方向将会成为重要的市场

18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303王瑛韫同时，福特将使用后的树脂材料回收，用来制造车底系统，如气动整流罩、防溅保护板、散热器空气导流罩等。回收的尼龙地毯则制成尼龙树脂，这可以加工成福特3.0升Duratec发动机的气缸盖罩。福特与俄亥俄州立大学联手研究开发蒲公英用于车辆橡胶新材源，开发天然纤维成分以取代传统的玻璃纤维，还有纯粹使用可持续原材料（如玉米、甜菜、红薯等）制造塑料的方法，以及因发现巧克力中的微米级别小气泡而发明的冲入气泡的塑料。比如福特2010Flex,展示了天然材料的魅力。A.SchulmanInc..公司采用聚丙烯和20%麦秆混合制成的AgriPlas树脂现被用在Flex的第三排储物箱中，麦秆的自然斑纹在黑色表面上“若隐若现”，颇具天然质感。AgriPlas制成的储物箱比全PP材质储物箱轻10%，据福特估计，在储物箱中用麦秆代替树脂将每年减少2万磅的油耗，每年还可减少3万磅的二氧化碳排放。福特的研究团队正在设法扩大可再生材料与天然材料的应用范围。在福特的早期开发参与下，有助于确保树脂成品更易满足福特对麦杆在湿度和气味控制上的要求，还可方便地用于现有生产中。 2.3.2丰田汽车巨头丰田汽车集团也通过使用生物塑料把零部件生产的二氧化碳排放量减少了20%。生物塑料零部件从原材料到最终用途的一整个周期中都实现了碳中和。通过活的植物来消除大气中的二氧化碳，而到期报废的零部件通过会重新释放出二氧化碳的热工艺进行再生。丰田自称是第一家在车辆内衬和其他内饰表面中使用甘蔗基PT的汽车制造商。在北美，丰田独创地将甘薯、玉米和糖用甜菜中提炼出的PA和其他聚合物结合在一起。生物塑料的加工方法取决于所用的汽车零部件。对于车门装饰和行李箱区域饰件，主要将 PLA和PET混合。对于注塑零部件，如防擦板和内饰，则在聚丙烯中混入细磨PLA。许多丰田车型都使用了大豆基座椅垫，包括Prius、Corolla、Matrix、RAV4和Lexus RX350。 Lexus HS250使用了大量生物基零部件，包括行李箱装饰、前围侧饰板、座椅垫、车门防擦板和工具箱区域。丰田力争到2015年将其车型中的生物塑料基塑料零部件的比例提升至 20%。 -7

18.05.2013 汽车上的生物基材料 5090209303 王瑛韫 - 7 - 同时，福特将使用后的树脂材料回收，用来制造车底系统，如气动整流罩、防溅保护板、散热器空气导流罩等。回收的尼龙地毯则制成尼龙树脂，这可以加工成福特 3.0 升 Duratec 发动机的气缸盖罩。福特与俄亥俄州立大学联手研究开发蒲公英用于车辆橡胶新材源，开发天然纤维成分以取代传统的玻璃纤维，还有纯粹使用可持续原材料（如玉米、甜菜、红薯等）制造塑料的方法，以及因发现巧克力中的微米级别小气泡而发明的冲入气泡的塑料。比如福特 2010Flex，展示了天然材料的魅力。A.SchulmanInc.公司采用聚丙烯和 20%麦秆混合制成的 AgriPlas 树脂现被用在 Flex 的第三排储物箱中，麦秆的自然斑纹在黑色表面上“若隐若现”，颇具天然质感。AgriPlas 制成的储物箱比全 PP 材质储物箱轻 10%，据福特估计，在储物箱中用麦秆代替树脂将每年减少2万磅的油耗，每年还可减少3万磅的二氧化碳排放。福特的研究团队正在设法扩大可再生材料与天然材料的应用范围。在福特的早期开发参与下，有助于确保树脂成品更易满足福特对麦杆在湿度和气味控制上的要求，还可方便地用于现有生产中。 2.3.2 丰田汽车巨头丰田汽车集团也通过使用生物塑料把零部件生产的二氧化碳排放量减少了 20％。生物塑料零部件从原材料到最终用途的一整个周期中都实现了碳中和。通过活的植物来消除大气中的二氧化碳，而到期报废的零部件通过会重新释放出二氧化碳的热工艺进行再生。丰田自称是第一家在车辆内衬和其他内饰表面中使用甘蔗基 PET 的汽车制造商。在北美，丰田独创地将甘薯、玉米和糖用甜菜中提炼出的 PLA 和其他聚合物结合在一起。生物塑料的加工方法取决于所用的汽车零部件。对于车门装饰和行李箱区域饰件，主要将 PLA 和 PET 混合。对于注塑零部件，如防擦板和内饰，则在聚丙烯中混入细磨 PLA。许多丰田车型都使用了大豆基座椅垫，包括 Prius、Corolla、Matrix、RAV4 和 Lexus RX 350。 Lexus HS 250 使用了大量生物基零部件，包括行李箱装饰、前围侧饰板、座椅垫、车门防擦板和工具箱区域。丰田力争到 2015 年将其车型中的生物塑料基塑料零部件的比例提升至 20％