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一种节能减排的新生活模式
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王朝:下一代轮胎用绿色低碳橡胶材料
时间:2021-10-19  来源:盖世汽车  
  2021年10月15日-16日,由中国汽车工业协会、重庆两江新区管理委员会联合主办的“2021中国汽车供应链大会”在重庆举办,长安汽车、地平线作为官方合作伙伴全力支持本次大会。本届供应链大会主题为“补短铸长、融合创新——构建中国汽车供应链新生态”,共同探讨产业政策,交流分享技术,研判产业趋势,展示创新成果,旨在促进产业国内国际互动,凝聚产业链条上下齐心,共谋产业协同发展之路。其中,在10月16日上午举办的主题论坛“汽车材料新动态”上,北京化工大学教授王朝发表精彩演讲。
  
  我是来自北京化工大学的王朝,感谢中国汽车工业协会的邀请。非常荣幸有这样一个机会能参加关于汽车的盛会。我将我们团队在下一代轮胎做的材料工作给大家做汇报。
  
  首先说说关于轮胎,汽车保有量接近3亿辆,每个汽车至少4个轮子,而且一辆汽车得更换几次轮胎,所以轮胎使用量很大。我国轮胎产量处于世界第一,产值超5000亿元。我们的轮胎企业实力跟国外还是有差距的,轮胎工业也是频繁受了欧美的限制,像欧盟的标签法,对我们轮胎行业有很大冲击。轮胎是汽车与地面接触的唯一构件,是汽车的重要组成。刚开始对轮胎的要求是只要能跑就行,后来逐渐提出要耐磨、耐老化,这样让它寿命更长一些,要抗湿滑,让它安全性好一些,包括阻力要低,要省油等。对轮胎的功能性也有一些探索,比如要抗刺扎,保证你的轮胎被扎之后不爆胎,包括非充气轮胎和自愈合轮胎。现在还有发电轮胎。
  
  新一代轮胎对轮胎的性能要求越来越高,包括噪音要小,舒适性要好,气味要低等等。特别是近几年,对轮胎的绿色化提出了要求,轮胎也有比较严重的碳排放问题,作为新一代轮胎,必须实现绿色化。
  
  左上方的图是轮胎的一个剖面图,实际上轮胎是一个比较复杂的结构,它由很多层组成,主要组成部分还是橡胶,像胎面、胎侧,这些都是橡胶组成的。橡胶这个材料又是一个复合材料,里面除了橡胶材料之外,还有很多助剂,所以对橡胶来说有很多技术难点在里面。
  
  橡胶分为两种,一种是合成橡胶,一种是天然橡胶。对于合成橡胶来说是通过化学方法,人工合成的橡胶。这个橡胶种类很多,但是我国几乎是没有原创的橡胶品种,且合成橡胶是不可持续发展的。英国公司统计石油、煤这些资源是有使用年限的。另外是碳排放的问题,我们很关注,我们通过计算,合成橡胶从炼化开始一直到生命结束,我们简单算了算,可能不准确,一吨合成橡胶排放二氧化碳10.2吨,对于整个合成橡胶消耗会导致每年5000万吨碳排放。
  
  正因为这样,所以国外一些大公司对轮胎也有绿色化的规划。普利斯通要求2035年要实现轮胎的全绿色化。
  
  我们可以说是未雨绸缪,团队这些年针对橡胶的碳排放问题给出了一些应对策略。第一个是从原材料控制生物基橡胶和绿色助剂开发,第二个是对废橡胶进行回收利用,第三个从省油概念出发,怎样让汽车更省油。
  
  首先我们看通过原料控制。天然橡胶是大自然对于我们的馈赠,它是直接从橡胶树上直接割一道口子嘀嗒流出来的乳液,经过加工以后就得到天然橡胶,然后就可以用了。天然橡胶可用于航天、国防,轮胎,医用弹性体等领域。
  
  天然橡胶是通过光合作用获得的,存在一个固态的过程,每一吨天然橡胶可以固态1.85吨,整个寿命周期算下来碳排放只有2.7吨,可以说天然橡胶是橡胶行业里面最具有碳中和潜力的材料。对于我国的天然橡胶有两大困局,首先是天然橡胶产量很小,只在热带环境生长,我国只有云南、海南可以生产天然橡胶树。2019年我们消耗了555万吨,进口是520万吨,所以基本上都是进口的。
  
  我们团队这些年致力于开发第二代天然橡胶,在我国的新疆和哈萨克斯坦边界地区找了一些野生的橡胶草,叫蒲公英橡胶草,这个胶乳跟天然橡胶树的胶乳是一样的,所以能不能利用这个去提取天然橡胶,这样就可以立足于我们本国的国情来发展,这样就不会受制于人。
  
  我们北京化工大学也是牵头建立了一个产业联盟,15年逐渐形成了中美、中哈、中俄大的产业联盟。
  
  这是蒲公英橡胶草的照片,我们可以看出它的根部掰断流出胶乳,这个就是天然橡胶。这个橡胶能达到15公斤每亩的产量,总的来说这个产量还是不大的。好处是什么呢?橡胶草可以生长在一些恶劣的环境,比如一些低温地区。
  
  对于橡胶的提取我们也是开发了一些环保的路线,里面没有产生废气,废渣我们也会回收利用。我们利用我们提取的蒲公英的橡胶制造了几条轮胎,当时在国际橡胶会议上展出,也是获得了比较高的关注。
  
  我们团队实际上是从两条路线走,第一条路线是右边的路线。天然橡胶因为结构的限制,包括它的产能还没有那么大,所以我们也准备从第二条路线走,就是左边这条。这是我们通过玉米、土豆这些作物发酵之后,我们得到生物剂的单体,用化学合成的方式,得到生物剂的橡胶材料,这样的话结构多样化,性能也多样化。
  
  对于国外来说,他们生物基橡胶的发展是这样的,他们去发酵得到的是烯烃类的单体,合成得到跟传统橡胶一样结构的橡胶,所以市场验证不存在问题,直接可以用。问题在于这种发酵提纯工艺很复杂,成本很高,就限制了应用。
  
  张立群老师在08年马来西亚国际橡胶会上首次提出了“生物基工程弹性体”的概念。在之后的研究中,设计合成了原创的生物基聚酯弹性体和生物基衣康酸酯弹性体。(获得了国家自然科学基金重点项目的支持)
  
  第一个是生物基衣康酸酯橡胶,它产量比较大,基于这个成本就低一些,我也会通过酯化实现了一些非常多的结构和性能的调控。这是去年的时候我们跟京博集团做的千吨级的产业线。利用这个橡胶,今年5月份被评定为国家领先水平,建议大力的推广。这个橡胶材料我们进行了加工做轮胎,这个加工方法整个成形工艺跟传统的橡胶工艺是一样的,我们做的实验得到了很多轮胎,当时是批量化的制备,也通过了轮胎测试。这个轮胎装车去进行了跑车的实验,我们对它的湿抓,抗湿滑,混凝土都进行了测试,得到了双b级。
  
  我们开发了一种生物基可降解的聚酯橡胶材料,为什么开发这个材料?首先轮胎的废弃量很大,而且跑的过程中有磨屑,每年超过100万吨,这个量是很大的,只是我们看不见而已,这个磨屑就进入了pm2.5,微颗粒进入了河水、土壤,有部分进入人体类,挺危险的。在海洋里面一微米以下的颗粒,80%来自于轮胎,这个数据对我们冲击很大,所以基于这个考虑,我们要生产可降解的轮胎。
  
  利用分子结构的设计,正常来说聚酯材料是结晶的塑料,但通过分子结构的设计,解决了结晶的事,最后得到了橡胶材料。这些年我们也做了大量的工作。
  
  2019年我们在千吨线上做一些连续化的生产,生物基可降解聚酯橡胶今年也是通过鉴定,评定为国际领先水平。
  
  用生物基可降解聚酯橡胶做轮胎,这个是我们全球首批次的可降解轮胎。因为现在所有橡胶材料都是不可降解的,这是目前唯一可降解的橡胶材料,而且是我们独立自主开发的。
  
  这个材料具有可降解的特性,我们发现这个材料在110天内降解率可以达到70%,完全变成水和二氧化碳,只有30%没有降解,我们也在想这30%会不会对水和土壤产生影响?我们也做了测试,发现土壤的重金属,碎片没有超标,种子发芽率还提高了,我估计是我们提供的有机物提供了养料。
  
  我们用一个两毫米的片放在路上,完全没有影响,放了3个月,质量没有变化。但埋在土里3个月,这个质量就下降10%以上,所以这个轮胎做出来是不能长时间在土里待着,正常的沥青路面是没有问题的。我们把截面埋在土里,第一个月降解了,几乎没有变化。第二个月表面开始产生一些霉菌,第三个月比较明显,所以在土里降解是有一个缓慢的过程。
  
  另外我们又开发了另外一个闭环,我们通过化学回收的方法把我们这个轮胎材料用一个醇解的方法回收到原材料,然后再聚合,再重新做成轮胎。
  
  在橡胶里面因为体系比较复杂,除了橡胶原料之外,还有很多助剂,我们团队这些年也开发了很多助剂。这里面一个比较好的工艺是什么呢?是利用二氧化碳法制备纳米二氧化硅。这是我们行业内首条完成碳综合二氧化硅的生产线。
  
  接下来说说从废橡胶回收方面考虑。不管你降不降解,回收都是重要的路线。每年产生的废轮胎达到3.8亿条,我们就需要对这些废轮胎进行综合化的回收利用,这是非常有意义的。包括这些轮胎也是碳基来源,我们相当于回收利用也是实现碳达峰的重要途径。现在来说我们对它回收利用主要是从绿色化、资源化,而且我们要高值化。
  
  回收方法一个是原形利用,比如把它放在船上防止碰撞。要么炼成油和沥青铺路。最后一方面是再生橡胶的利用,重新加工成轮胎。废轮胎的处理实际上也很难,它的碳足迹是负的400多公斤,所以这是我们为什么要做回收利用的原因。基于这个问题我们自己团队开发了一套装置,是利用多阶螺杆,通过动态脱硫技术来实现的。这是整个生产线,这一头废橡胶进去,那一头再生胶出来,中间是密闭的,得到这个就可以制作轮胎。对于这个材料我们就可以实现一个连续化的处理应用。
  
  这是我们成立的自己的学科性公司,绿金人橡塑。我们在中策建了8条生产线,可以实现年处理90万条废轮胎,实现经济利益2.5亿。另外这个工作我们也是助推一带一路,出口到斯洛伐克。
  
  最后一个,除了前面两个考虑,我们还从省油角度去做一个节油的轮胎。这一块儿我们主要是设计了一个超级弹性体材料,这个材料做成轮子之后可以解决轮胎的魔三角问题。既要高耐磨,而且要高抗湿滑。左上角的图是耐磨性,这个可以让我们胎面用料更少,寿命更长,这就是减碳的形式。另外中间的图是滚阻,我们做完轮子之后滚动能量消耗特别小,所以我们汽车跑的过程中很省油。对于电车来说,它的里程会更高,所以我们在开发一些超低滚阻的轮胎,这样使新能源汽车的里程数有一个明显的提升。
  
  以上就是我们在轮胎用低碳橡胶材料方面做的工作。
  
  


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