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橡膠技術的未來發展方向
來源:貝智特網絡德標機械
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作者:db168cn
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發布時間: 2014-10-16
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“雖然未來幾年內不太可能出現重大革新性的游戲規則改變者，但燃油效率成為全球恒久話題、標簽法在全球逐漸普及、高附加值技術繼續植入中等價格輪胎，都為創新力打開了新的空間。而其中以納米材料/石墨烯為代表的新型補強技術、智能系統、智能材料、天然材料、生產靈活性技術和大數據，則是最引人關注的未來技術。”27個國家和地區的700多名橡膠界代表9月齊聚北京，在2014年國際橡膠會議（IRC2014）上做出了這一前瞻性的判斷。立式雙滑板液態硅膠機眾多科研工作者在材料的高性能化和材料的可再生方面進行的探索，更是給記者留下了最為深刻的印象。
創新必須順應大勢
在由中國化工學會橡膠專業委員會主辦，北京橡膠工業研究設計院承辦的IRC2014上，固特異橡膠輪胎公司高級主管Surendra K. Chawla表示，輪胎創新的方向一定要緊跟全球大趨勢。從宏觀上看，全球變暖，就要求降低CO2和其他溫室氣體排放；資源保護，就要提升不可再生資源利用效率及二次利用率，發展替代能源；人們更加注重健康，就要減少污染，并讓廢棄材料盡可能得到再利用。從經濟角度看，企業要降低生產成本，提高生產的靈活性，提升產品的附加值，延長輪胎的全周期壽命，降低維護成本。順應上述大趨勢，各國制訂了相應的運輸系統法規，并對整車的CO2排放、可回收率等進行了規定，多國對輪胎產品施行了標簽分類，歐盟還對化學品制訂了REACH法規。由此，新一輪的整車技術革新正在興起，其中包括燃料、引擎和動力系統的革新，傳感器、電子系統、控制系統等信息系統的革命，并引領著材料向著輕量化、高強度、易加工、智能化發展。
Surendra K. Chawla說，對應上述大趨勢，輪胎技術應該從5個方向進行開發，即輕量化、高性能化、智能化、長壽命化、高效化。其中輕量化主要依靠提高單位膠料產出和先進材料的應用來實現；立式雙滑板液態硅膠機高性能化主要表現在降噪、抗震、提高操控性能及產品均一性上；智能化包括智能系統、傳感器、遠程信息系統、監控系統；長壽命化主要通過提高各種路面條件下輪胎的牽引力、耐磨性，增加重復利用性；高效化則需要依靠新生產工藝和新加工工藝。
“而且，現在看起來離普及還比較遙遠的無人駕駛技術怎么應對，也是個應該考慮的問題了。”
高性能化看材料
“減小環境影響的綠色技術是非常熱門的研究領域。”印度橡膠研究院主席、JK集團研發總監R.Mukhopadhyay介紹，根據日本橡膠生產商協會提供的數據，輪胎全生命周期的CO2排放約為296.4kg，其中材料占4.1%，產品生產過程占1.5%，物流占0.2%，使用過程占87%（258kg），終端處理占7.2%。因此從降低輪胎使用過程CO2排放入手最為實際，而材料的高性能化是至關重要的一個環節。
“綠色輪胎技術，一方面是使用特殊可再生彈性體、填料和助劑的低滾動阻力輪胎，另一方面是最大限度提升輪胎的安全性、可靠性、耐久性、操控性、舒適性和運行效率。提升這些性能又很大程度上依靠材料的更新換代。具體來說，就是合成膠進行改性、提高可再生性和可回收性，補強材料主要是新一代白炭黑及納米填料，骨架材料將從聚酯、尼龍、鋼簾線，向可回收人造絲、生物基纖維、超高強耐腐蝕鋼簾線發展，填充油會更多采用植物油、生物基加工助劑、低/無多環芳烴油，助劑則要滿足REACH要求。”R.Mukhopadhyay說。
我們的實驗結果顯示，石墨烯/丁吡橡膠具有更好的力學性能和氣密性，石墨烯-白炭黑/丁苯橡膠復合物耐磨性更高，在綠色輪胎應用中前景廣闊。納米碳管/橡膠復合材料用于胎面，可開發高強度、高導熱性、功能性節油輪胎；用于載重胎胎肩膠，可減少動態生熱，提高輪胎的安全性和壽命。
“碳納米管補強確實是一個方向，固特異已經生產了樣胎，不過離商業化還有一定距離。”Surendra K. Chawla接受記者提問時表示，“未來，提升材料的模量和拉伸性能，超高相對分子質量聚乙烯、PBO（聚對苯撐苯并二惡唑）也將成為重要方向。”
德國橡膠研究院也在研究碳補強材料，而且涵蓋了一維、二維、三維材料。“納米碳管補強性能介于炭黑330和炭黑550之間，成本在15歐元左右。這一結果證實碳材料確實值得探索下去。”該研究院的Robert H. Schuster先生表示。
探索生物合成路線
糖和碳水化合物合成生物基異戊二烯、生物基丁二烯；甘蔗制成生物基乙烯，進而合成三元乙丙橡膠；谷物等生物質制備出異丁烯和異戊二烯，進而合成丁基橡膠；酶催化合成生物基化學品……IRC2014上介紹的這些技術，讓記者實實在在感受到糖、淀粉、纖維素、殼聚糖、蛋白質，木質素，成為橡膠工業的可再生原材料來源又進了一步。
單體/聚合物合成進展迅速
據記者了解，在眾多材料中，除了技術已經較為成熟的生物乙醇外，合成橡膠最主要原材料丁二烯的生物技術研究是進展最快的。立式雙滑板液態硅膠機因供應呈短缺加劇之勢，價格忽高忽低，生物基丁二烯研究迅速提速，并在近期取得了多項突破。比如，Cobalt技術公司成功實施了生物正丁醇的試驗，在生物丁醇生產放大成功的基礎上，以丁醇分子為原料生產丁二烯。Cobalt公司首席執行官稱，公司正在開發生產生物丁二烯的整套技術，且可以在全球市場銷售。Cobalt公司還宣布，計劃在亞洲建設第一套生物丁二烯裝置，采用傳統的化學催化技術，用生物丁醇作原料生產生物丁二烯，預計2017年投產。美國Genomatlca公司也正在將生產生物丁二烯項目升級成世界級規模。
異戊二烯的生物路線研究也在有條不紊地展開。固特異與杜邦正在加緊合作開發生物基異戊二烯，并完成了異戊橡膠的中試，希望2015年能實現異戊二烯的商業化生產。普利司通和味之素合作開發出適合異戊二烯生產的菌株。
異丁烯方面，德國弗勞恩霍夫化學生物技術中心眼下正與法國全球生物能源公司合作，在德國洛伊納建設一個可用于工業生產的試驗性裝置，用糖來生產異丁烯。此前，全球生物能源公司的研究人員已在實驗室中實現了糖與異丁烯的轉化。
朗盛的生物基異丁烯已在中試裝置上試產成功，并試產出一批由生物基原料合成的丁基橡膠。立式雙滑板液態硅膠機朗盛預計，生物基丁基橡膠將在2015年達到數萬噸規模。“生物基彈性體是非常有前景的一類生物材料。”美國化學會Sparks-Thomas Award獎獲得者、北京化工大學教授張立群告訴記者，生物基彈性體具有良好的環境穩定性，且與傳統的橡膠加工成型工藝有良好的相容性，可采用傳統的橡膠加工工藝加工成型，例如混合、模壓和硫化等工藝。“從實驗室成果來看，生物基聚酯彈性體和炭黑納米復合材料顯示出了良好的阻隔性能，且在高溫下性能損失甚至比天然膠還要小。而生物基聚酰胺則可以水解成彈性體，在C=C中降解。”
增強材料開辟新路線
“米糠（稻殼）灰已經成為固特異獲取白炭黑的一種新途徑。全球每年會產出7.38億噸水稻，其中約20%是米糠。而米糠灰里面90%是SiO2。我們從米糠灰提取白炭黑的技術，2015年將商業化。”Surendra K. Chawla說，“大豆是另一種固特異看重的原料。大豆油基增塑劑的效果好于石油基。我們與美國研究所合作開發的大豆油基增塑劑，可提高胎面耐磨性10%，且與白炭黑共混性能好，預計2015年商業化。”
尋找第二橡膠資源
按照國際橡膠研究組織的預計，2015年全球天然膠短缺40萬噸。尋找第二橡膠資源，也是橡膠行業的一直努力的方向。
反式異戊橡膠
“TPI是非常有前景的一項技術，萬噸級裝置也已建成。”Surendra K. Chawla所說的TPI就是合成的反式異戊橡膠。由青島第派新材有限公司建設的全球首套萬噸級TPI工業化生產裝置，已于2013年在青島萊西市投產。該裝置采用青島科技大學自主研發的負載型TiCl4/MgCl2催化異戊二烯本體沉淀聚合法工藝，粉末狀產品的反式-1,4-結構含量≥98%。國內知名輪胎企業應用數據表明，反式異戊膠應用于全鋼子午胎時，輪胎磨耗可提高20%以上，耐疲勞性提高300%；用于半鋼子午胎時，輪胎可節油2.5%，每應用1噸反式異戊膠可節省燃油70噸，減少汽車尾氣二氧化碳排放量200噸。
天然反式異戊橡膠則可以從杜仲中提取。杜仲是中國特有資源，我國已經擁有了杜仲種植、杜仲膠提取及應用的技術，但大規模應用，產膠率還需提高，價格還需親民。除中國外，西班牙南部、中國聯盟也在進行杜仲膠研究，西班牙北部/法國聯盟則在開展TPI研究。
蒲公英橡膠
蒲公英橡膠是最近橡膠行業非常火熱的詞匯。德國大陸公司與弗勞恩霍夫（Fraunhofer）研究所因合作進行蒲公英天然橡膠開發，并用于試制輪胎和其他橡膠配件，成為歐洲2014年綠色科技獎的共同得主；使用了蒲公英橡膠的玲瓏輪胎在IRC2014亮相；日本普利司通公司與美國俄亥俄州立大學合作，用自主開發的提膠技術，成功地從哈薩克斯坦等地原產的蒲公英根部提取出制作輪胎用的天然橡膠，并力爭在近期完成輪胎試生產，在2020年以后將蒲公英橡膠輪胎投入實際使用。不過，蒲公英橡膠更像是一項儲備技術，因為其成本還過于高昂。“一大桶蒲公英才能出一點膠，成本確實還是個大問題。”參與了蒲公英橡膠研究的北京化工大學一研究生對記者說。
編輯：德標機械2014年10月16日9:51:53
創新必須順應大勢
在由中國化工學會橡膠專業委員會主辦，北京橡膠工業研究設計院承辦的IRC2014上，固特異橡膠輪胎公司高級主管Surendra K. Chawla表示，輪胎創新的方向一定要緊跟全球大趨勢。從宏觀上看，全球變暖，就要求降低CO2和其他溫室氣體排放；資源保護，就要提升不可再生資源利用效率及二次利用率，發展替代能源；人們更加注重健康，就要減少污染，并讓廢棄材料盡可能得到再利用。從經濟角度看，企業要降低生產成本，提高生產的靈活性，提升產品的附加值，延長輪胎的全周期壽命，降低維護成本。順應上述大趨勢，各國制訂了相應的運輸系統法規，并對整車的CO2排放、可回收率等進行了規定，多國對輪胎產品施行了標簽分類，歐盟還對化學品制訂了REACH法規。由此，新一輪的整車技術革新正在興起，其中包括燃料、引擎和動力系統的革新，傳感器、電子系統、控制系統等信息系統的革命，并引領著材料向著輕量化、高強度、易加工、智能化發展。
Surendra K. Chawla說，對應上述大趨勢，輪胎技術應該從5個方向進行開發，即輕量化、高性能化、智能化、長壽命化、高效化。其中輕量化主要依靠提高單位膠料產出和先進材料的應用來實現；立式雙滑板液態硅膠機高性能化主要表現在降噪、抗震、提高操控性能及產品均一性上；智能化包括智能系統、傳感器、遠程信息系統、監控系統；長壽命化主要通過提高各種路面條件下輪胎的牽引力、耐磨性，增加重復利用性；高效化則需要依靠新生產工藝和新加工工藝。
“而且，現在看起來離普及還比較遙遠的無人駕駛技術怎么應對，也是個應該考慮的問題了。”
高性能化看材料
“減小環境影響的綠色技術是非常熱門的研究領域。”印度橡膠研究院主席、JK集團研發總監R.Mukhopadhyay介紹，根據日本橡膠生產商協會提供的數據，輪胎全生命周期的CO2排放約為296.4kg，其中材料占4.1%，產品生產過程占1.5%，物流占0.2%，使用過程占87%（258kg），終端處理占7.2%。因此從降低輪胎使用過程CO2排放入手最為實際，而材料的高性能化是至關重要的一個環節。
“綠色輪胎技術，一方面是使用特殊可再生彈性體、填料和助劑的低滾動阻力輪胎，另一方面是最大限度提升輪胎的安全性、可靠性、耐久性、操控性、舒適性和運行效率。提升這些性能又很大程度上依靠材料的更新換代。具體來說，就是合成膠進行改性、提高可再生性和可回收性，補強材料主要是新一代白炭黑及納米填料，骨架材料將從聚酯、尼龍、鋼簾線，向可回收人造絲、生物基纖維、超高強耐腐蝕鋼簾線發展，填充油會更多采用植物油、生物基加工助劑、低/無多環芳烴油，助劑則要滿足REACH要求。”R.Mukhopadhyay說。
我們的實驗結果顯示，石墨烯/丁吡橡膠具有更好的力學性能和氣密性，石墨烯-白炭黑/丁苯橡膠復合物耐磨性更高，在綠色輪胎應用中前景廣闊。納米碳管/橡膠復合材料用于胎面，可開發高強度、高導熱性、功能性節油輪胎；用于載重胎胎肩膠，可減少動態生熱，提高輪胎的安全性和壽命。
“碳納米管補強確實是一個方向，固特異已經生產了樣胎，不過離商業化還有一定距離。”Surendra K. Chawla接受記者提問時表示，“未來，提升材料的模量和拉伸性能，超高相對分子質量聚乙烯、PBO（聚對苯撐苯并二惡唑）也將成為重要方向。”
德國橡膠研究院也在研究碳補強材料，而且涵蓋了一維、二維、三維材料。“納米碳管補強性能介于炭黑330和炭黑550之間，成本在15歐元左右。這一結果證實碳材料確實值得探索下去。”該研究院的Robert H. Schuster先生表示。
探索生物合成路線
糖和碳水化合物合成生物基異戊二烯、生物基丁二烯；甘蔗制成生物基乙烯，進而合成三元乙丙橡膠；谷物等生物質制備出異丁烯和異戊二烯，進而合成丁基橡膠；酶催化合成生物基化學品……IRC2014上介紹的這些技術，讓記者實實在在感受到糖、淀粉、纖維素、殼聚糖、蛋白質，木質素，成為橡膠工業的可再生原材料來源又進了一步。
單體/聚合物合成進展迅速
據記者了解，在眾多材料中，除了技術已經較為成熟的生物乙醇外，合成橡膠最主要原材料丁二烯的生物技術研究是進展最快的。立式雙滑板液態硅膠機因供應呈短缺加劇之勢，價格忽高忽低，生物基丁二烯研究迅速提速，并在近期取得了多項突破。比如，Cobalt技術公司成功實施了生物正丁醇的試驗，在生物丁醇生產放大成功的基礎上，以丁醇分子為原料生產丁二烯。Cobalt公司首席執行官稱，公司正在開發生產生物丁二烯的整套技術，且可以在全球市場銷售。Cobalt公司還宣布，計劃在亞洲建設第一套生物丁二烯裝置，采用傳統的化學催化技術，用生物丁醇作原料生產生物丁二烯，預計2017年投產。美國Genomatlca公司也正在將生產生物丁二烯項目升級成世界級規模。
異戊二烯的生物路線研究也在有條不紊地展開。固特異與杜邦正在加緊合作開發生物基異戊二烯，并完成了異戊橡膠的中試，希望2015年能實現異戊二烯的商業化生產。普利司通和味之素合作開發出適合異戊二烯生產的菌株。
異丁烯方面，德國弗勞恩霍夫化學生物技術中心眼下正與法國全球生物能源公司合作，在德國洛伊納建設一個可用于工業生產的試驗性裝置，用糖來生產異丁烯。此前，全球生物能源公司的研究人員已在實驗室中實現了糖與異丁烯的轉化。
朗盛的生物基異丁烯已在中試裝置上試產成功，并試產出一批由生物基原料合成的丁基橡膠。立式雙滑板液態硅膠機朗盛預計，生物基丁基橡膠將在2015年達到數萬噸規模。“生物基彈性體是非常有前景的一類生物材料。”美國化學會Sparks-Thomas Award獎獲得者、北京化工大學教授張立群告訴記者，生物基彈性體具有良好的環境穩定性，且與傳統的橡膠加工成型工藝有良好的相容性，可采用傳統的橡膠加工工藝加工成型，例如混合、模壓和硫化等工藝。“從實驗室成果來看，生物基聚酯彈性體和炭黑納米復合材料顯示出了良好的阻隔性能，且在高溫下性能損失甚至比天然膠還要小。而生物基聚酰胺則可以水解成彈性體，在C=C中降解。”
增強材料開辟新路線
“米糠（稻殼）灰已經成為固特異獲取白炭黑的一種新途徑。全球每年會產出7.38億噸水稻，其中約20%是米糠。而米糠灰里面90%是SiO2。我們從米糠灰提取白炭黑的技術，2015年將商業化。”Surendra K. Chawla說，“大豆是另一種固特異看重的原料。大豆油基增塑劑的效果好于石油基。我們與美國研究所合作開發的大豆油基增塑劑，可提高胎面耐磨性10%，且與白炭黑共混性能好，預計2015年商業化。”
尋找第二橡膠資源
按照國際橡膠研究組織的預計，2015年全球天然膠短缺40萬噸。尋找第二橡膠資源，也是橡膠行業的一直努力的方向。
反式異戊橡膠
“TPI是非常有前景的一項技術，萬噸級裝置也已建成。”Surendra K. Chawla所說的TPI就是合成的反式異戊橡膠。由青島第派新材有限公司建設的全球首套萬噸級TPI工業化生產裝置，已于2013年在青島萊西市投產。該裝置采用青島科技大學自主研發的負載型TiCl4/MgCl2催化異戊二烯本體沉淀聚合法工藝，粉末狀產品的反式-1,4-結構含量≥98%。國內知名輪胎企業應用數據表明，反式異戊膠應用于全鋼子午胎時，輪胎磨耗可提高20%以上，耐疲勞性提高300%；用于半鋼子午胎時，輪胎可節油2.5%，每應用1噸反式異戊膠可節省燃油70噸，減少汽車尾氣二氧化碳排放量200噸。
天然反式異戊橡膠則可以從杜仲中提取。杜仲是中國特有資源，我國已經擁有了杜仲種植、杜仲膠提取及應用的技術，但大規模應用，產膠率還需提高，價格還需親民。除中國外，西班牙南部、中國聯盟也在進行杜仲膠研究，西班牙北部/法國聯盟則在開展TPI研究。
蒲公英橡膠
蒲公英橡膠是最近橡膠行業非常火熱的詞匯。德國大陸公司與弗勞恩霍夫（Fraunhofer）研究所因合作進行蒲公英天然橡膠開發，并用于試制輪胎和其他橡膠配件，成為歐洲2014年綠色科技獎的共同得主；使用了蒲公英橡膠的玲瓏輪胎在IRC2014亮相；日本普利司通公司與美國俄亥俄州立大學合作，用自主開發的提膠技術，成功地從哈薩克斯坦等地原產的蒲公英根部提取出制作輪胎用的天然橡膠，并力爭在近期完成輪胎試生產，在2020年以后將蒲公英橡膠輪胎投入實際使用。不過，蒲公英橡膠更像是一項儲備技術，因為其成本還過于高昂。“一大桶蒲公英才能出一點膠，成本確實還是個大問題。”參與了蒲公英橡膠研究的北京化工大學一研究生對記者說。
編輯：德標機械2014年10月16日9:51:53
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