天然纤维的应用潜力

来自各种可再生资源的纤维的可用性和性能不断提高，帮助许多复合制造商和加工商实现减少碳足迹、可降解性和整体可持续性的目标。这种需求的大部分原因是日益增长的环境问题，以及越来越严格的对塑料基材料使用的监管要求，特别是在消费品领域。

根据国诺瓦研究所（nova Institute）的数据，仅放眼欧洲，整个欧洲大陆去年生产了近 15万吨生物复合颗粒。

据估计，其中一半以上含有软木，近三分之一是木塑复合材料，近 10% 使用亚麻、大麻或洋麻纤维。大约 4% 的化合物含有纤维素纤维（纸浆或纸基），其余来自草甸草、稻草、坚果壳和其他可再生能源的混合来源。它们的应用基于各种原因——不仅仅是为了可持续性——改善机械性能、美观和减轻重量被列为首要目标。

BioComp项目：开发基于木纤维生物复合材料

今年早些时候，挪威的建筑材料公司Alloc和研究机构RISE PFI与该国的两个工业伙伴开始了一个名为“BioComp”的新项目。该项目的核心是一种基于木纤维（地板生产的副产品）和生物塑料的新型注射成型生物复合系统。目前，这一系统正在新的复合生产线上进行实施，最终可能用于商业生产。BioComp项目的其他合作伙伴包括挪威Skog Saugbrugs和Plasto，该项目部分由挪威研究委员会资助。

RISE PFI生物复合材料领域的首席科学家Gary Chinga Carrasco说："生物和循环经济的重点是生物基材料、减少材料消耗、增加产品寿命和回收工业副产品，从而关闭材料利用的循环。这是该项目背后的驱动力之一。”该项目将开发新的生物复合材料产品，并涵盖整个价值链，从生物复合材料生产（Norske Skog Saugbrugs的专长）、注塑（Plasto）和室内建筑材料（Alloc），所有这些都与负责生物复合材料研发的RISE PFI紧密合作。

Dag Molteberg 是 Norske Skog Saugbrugs 的高级开发经理。该公司的主要业务是生产印刷用纸张，但也基于其纤维资源和知识开发新的绿色产品。“在过去十年中，Saugbrugs 开展了多项与生物复合材料相关的研发活动，但我们现在正在建设一个生产生物复合材料颗粒的新工厂，将其提升到工业和商业水平。” 他表示。
这种颗粒的品牌名称是Cebico。由挪威的 Norske Skog Saugbrugs 工厂的示范工厂生产，该工厂还拥有一条用于制备木纤维的生产线以及复合和造粒生产线。启动产能约为 300 吨/年。“纤维来源将是我们生产的TMP（热机械纸浆）云杉纤维。热塑性塑料将是PE和PP，原生的和可回收的。我们还将研究生物基材料。我们寻求使用注塑、挤压、热压和三维打印等转换技术的客户。”Molteberg表示，该公司在建筑材料、消费品和包装等领域看到了巨大的市场机会。

Plasto项目经理Runar Stenerud表示，Plasto公司在该项目中的作用是提供注射成型专业知识。该公司运营着高度自动化的注塑设备，全天候运行，夜间和周末无人生产。他说：“参与BioComp项目对我们进一步加强我们的价值主张很重要。以最具成本效益和可持续的方式解决复杂的问题。”

Alloc 的目标是确保其室内建筑产品满足客户的环境期望。“作为室内建筑材料的生产商，Alloc 对市场负有环保义务。”Alloc 的研发经理 Leif Kåre Hindersland 说，“我们需要尽一切努力寻找更好、能耗更低的生产方式，使用可持续和环保的原材料。我们将这个项目视为通往不断变化的市场的大门，最终用户对循环经济的要求越来越高。全球各国政府的需求也会增加，迫使每个生产商都朝着正确的方向前进。”

据Chinga Carrasco介绍，RISE PFI在研究和生产基于几种不同聚合物、定制纤维和纳米纤维的可持续生物复合材料方面有多年的经验。“我们很高兴利用我们在木材纤维加工、生物复合材料和3D打印领域的广泛专业知识和最先进的设备，为挪威生物复合材料产品的工业实现做出贡献。”

Oliplast的新材料：从橄榄核中提取的强化材料

再来看看南欧，西班牙研究组织Aimplas正在研究在塑料中使用橄榄种植残留物。其出发点是，在地中海盆地产生木质纤维素残留物的主要作物——作为复合材料和刨花板的潜在原材料——可以是木本作物，如橄榄、杏仁、柑橘类水果、葡萄藤和谷物，如大米。

在过去60年里，全球橄榄油产量增长了两倍。根据国际橄榄理事会的数据，2019/20生长季，全球橄榄产量为314万吨，其中近40%在西班牙。这是一个产生大量废弃物的行业——修剪橄榄树可以产生大量的生物质，这些生物质由树叶（干重25%）和树枝组成。橄榄本身含有85%的果肉和15%的果核（仅西班牙的橄榄油生产每年就产生约36万吨橄榄核）。所有这些橄榄树种植的木质纤维素残留物——叶子、树枝和橄榄核——都可以回收来获得复合材料。

该公司正在与西班牙橄榄油生产商Olivarera los Pedroches合作进行一个项目，通过回收这些石头来开发新型的生物基、生物可降解和可堆肥化合物。Aiplas说：“这种副产品的一种新的可能性是，将橄榄石作为塑料材料的增强材料，提供类似木材的外观，这可以在包装和家用产品领域提供塑料产品的替代。”一种被命名为Oliplast的新材料，将这种从橄榄核中提取出来的填充/强化材料整合在生物塑料基质中。

橄榄核纤维的制备过程并不简单，需要各种各样的处理。根据获得的颗粒大小，果核在分离成不同的组分之前必须经过若干清洗和研磨步骤。这些不同的颗粒大小产生的化合物具有不同的特性。所有用Oliplast制成的产品都可以作为传统的有机废物处理，在一个特别的循环过程中，它们甚至可以用来生产堆肥，为橄榄林本身施肥。

超越汽车领域以外的应用

APM（Automotive Performance Materials，汽车性能材料）的销量正继续增长。APM是一家大麻填充化合物生产合资企业，由汽车一级公司Faurecia和农业合作社Interval合资成立。该公司表示，公司将提供新开发的NAFILean Stiff，用于新标致308车型（先前车型上使用了其他APM NAFI产品）。NAFILean Stiff是一种聚丙烯化合物，使用20%的生物源（大麻）成分，据说比玻璃纤维增强PP要轻，但具有类似的拉伸模量3.5GPa。这一材料将用于生产每辆车重量超过5kg的注塑结构仪表板零件。

APM也在寻求汽车以外的应用。该公司现在提供60%大麻填充浓缩物的NAFIBoost产品系列，用于与PE或PP混合，以获得根据最终使用要求包含 10% 至 20% 大麻的材料。

该公司表示，这种新策略有望帮助生产含有大麻的复合材料。“APM的目标还包括限制成本的超出，使新领域能够负担得起这项技术。”该合资企业销售和业务开发部的Jean-Marie Bourgeois-Jacquet说。

与此同时，Faurecia表示，其所有业务部门都在进行可持续材料方面的创新。该公司表示，其目标是到2030年将用于室内应用的材料的二氧化碳排放量减少87%。Faurecia室内设计公司在2008年推出了第一款基于NAFILean大麻的产品，公司正在以此为基础开发其他减少二氧化碳排放的内饰产品。

“许多植物适合用作塑料产品中的生物复合材料，例如亚麻和竹子。”Laurence Dufrancatel说，她是Faurecia室内设计公司创新材料经理，也是Faurecia Interiors可持续和智能产品线的成员之一。对于汽车内饰零件，大麻满足原始设备制造商的性能和安全要求。NAFILean系列产品已从一种产品发展到今天的四种，据说下一代产品正在开发中。每一种都通过降低二氧化碳排放量、减轻重量或开辟更多用途的可能性来改善“母产品”。

原始NAFILean产品平均比传统产品轻25%，减少约28%的二氧化碳排放。NAFILean Stiff和NAFILite在现有产品上进行了深度开发，提供了更多的用途。NAFILean Stiff用于制造更坚固的部件，可以在不同的环境下使用，同时仍然可以节省52%的二氧化碳排放量。NAFILite具有微电池结构，在使用前重量减少29%，二氧化碳排放量减少43%。NAFILean R使用了100%的可回收塑料基体，减少了108%的相关二氧化碳排放。

佛吉亚目前正在为17种车型生产NAFILean产品，这些产品可以在大约1300万辆汽车上找到。下一代NAFILean将是一个高性能版本- NAFILean Perf。

它可以减轻更多的重量，减少更多的二氧化碳排放，数据分别为41%和58%。目前NAFILean的产品是通过注射成型制造的，但Dufrancatel说，Faurecia目前正在开发其NFPP系列，其中包括一系列用于压缩成型技术的内部组件选项。据说，该系列的第一代产品已经开始批量生产。“压缩成型技术提供了利用亚麻和红麻等其他植物开发天然纤维复合材料的机会，并扩大了我们的解决方案的应用。”他说。

匈牙利农业采购公司Inno Comp一直参与由欧盟和匈牙利政府赞助的关于开发一种新的生物复合材料产品系列的研究。“在可降解PLA或不可降解（主要是PP）聚合物的基础上，我们的化合物由源自国内农业的天然材料制成。但它们不打算在那里重复使用，例如杏壳、核桃壳、杏仁壳和大麻纤维的研磨。”销售工程师Balázs Kugler说。

将PLA与大麻纤维混合在一起，可以通过多种方式提高生产材料的质量：除了其自然外观外，其物理性能和可堆肥性也比普通PLA得到了更大的改善。

Inno Comp正与初创终端产品制造商Vilhemp和一家未披露姓名的全球批发公司合作。Vilhemp使用PLA基化合物生产餐具，餐具使用后可进行堆肥。在工业条件下，28天后开始可见分解。

这些材料是在一条基于泰森TSK032HV/46D型双螺杆挤出机的生产线上生产的，该挤出机配备有Econ水下造粒系统。该系统已于去年七月安装及投入服务。这台特制机器的配置方式适合生产高质量的特殊产品，如填充天然填料的生物复合材料和阻燃化合物。

开发使用无卤系统阻燃产品的生物复合材料

在弗劳恩霍夫木材研究所（WKI），由Arne Schirp博士领导的一个团队与多个合作伙伴一起启动了一个名为BioFla的新项目，该项目正在研究如何为电子和物流应用生产生物塑料和生物复合材料。其目的是开发使用无卤系统的阻燃产品，同时提供必要的耐热性和耐冲击性。Schirp说：“目前市场上出售的生物材料并不完全满足这些要求。我们正在开发具有必要性能的材料，这些材料可以通过注射成型和FDM添加剂制造进行加工。诸如电灯开关、插座、运动检测器、电缆管道或电动汽车充电站等产品很快就能用生物材料生产出来。”

作为第一步，弗劳恩霍夫木材研究所（WKI）正在与弗劳恩霍夫应用聚合物研究所（IAP）合作，开发一种基于有机磷酸酯的无卤生物阻燃剂。在第二步，将反应性地结合到聚乳酸（PLA）。反应性阻燃剂的结合和PLA的部分交联是通过电子辐照实现的。

化合物将包含木纤维和抗冲改性剂。Schirp 说，研究表明，可能与预期相反，木纤维对耐热性和阻燃性有积极影响。“热塑性塑料具有相对较高的燃烧热，燃烧时不会炭化。通过添加木材，会引起炭化。用木颗粒代替一定比例的热塑性塑料可以通过降低挥发物的燃烧热来改变燃烧行为。此外，由于木材颗粒的存在，残留物的形成也会增加。”他解释说。在开发自合成阻燃剂的同时，该团队也在使用市售阻燃剂。其他热塑性塑料，包括生物基和非生物基，也正在研究中。

所有的化合物都通过注塑和 FDM 长丝型增材制造的方式进行加工，以形成用于后续测试的试样。评估材料的 UL94 防火性能等级、耐热性、灼热丝测试、抗电痕性、拉伸强度和弹性模量、抗冲击性、吸水性和溶胀性。
在项目的第一年，开发基于 PLA 的配方，将它们挤出成细丝并进行打印，从而在 1.6 毫米的测试样品厚度下实现 UL94 V-0 分类。Schirp说：“阻燃PLA以及阻燃木纤维增强PLA/PBS混合物成功地经受住了960°C下的辉光丝试验。就耐跟踪性而言，阻燃、木纤维增强PLA/PBS混合物至少达到175V；在一次测试中，还实现了200 V和250 V。”

在该项目的第二年，研究将涉及对 PHB 和 PET 以及新型生物阻燃剂的研究。此外，在与工业项目合作伙伴的合作下，这些配方将进行更大规模的复合并加工用于电气工程和电子 （E&E） 和物流。

纤维素的研究

对天然纤维的兴趣并不仅限于欧洲。在北美，一家名为Performance BioFilaments的加拿大nanofibrated cellulose生产商，最近完成了一项与加拿大汽车和地面运输中心国家研究委员会合作的调查，以确定和评估天然纤维增强热塑性塑料的材料支柱性能增益和可回收性。

Performance BioFilaments的业务发展总监Geoff Fisher说，这项调查涉及到将从木材纤维中提取的纳米纤维（NFC）通过机械提炼成不同的聚合物，包括PP和PLA，并测试这些化合物的强度增加。

然后，这些化合物经过多次再磨/挤压循环，以观察从纤维中获得的收益在回收后是如何持续的。试验表明，NFC纤维素在聚丙烯和聚乳酸中，当负载重量为30 wt%时，拉伸强度提高30%以上，拉伸模量提高75%以上。有趣的是，我们发现回收5次后，这些性能变化不大。

与此同时，美国阿提斯创新公司（Attis Innovations）最近进入了塑料市场，推出了一系列生物基填料、聚合物材料和树脂扩展剂。正在考虑的目标原料包括黑液、木质生物质、农作物秸秆、坚果壳和外壳、草和许多其他可再生能源。三年前，Attis与总部位于美国的Genarex公司建立了战略合作伙伴关系。Genarex公司从玉米乙醇的副产品中提取价值较低的材料，并将其用作塑料中的生物添加剂。

该公司表示，它现在有能力为客户提供“多种多样的材料”，为各种应用带来价值和成本节约。该公司产品开发副总裁Bob Montgomery表示：“Attis Innovations在塑料领域的主要产品是一种独特的、可熔体流动的木质素，这是一种生物添加剂，为普通树脂系统带来了无与伦比的成本节约和性能。

生物基填料

Attis 还通过与 Genarex 的战略合作伙伴关系销售一套名为 Bylox 的生物填料。据说这些填料与现有的生物填料选项有很大不同，因为该材料主要基于蛋白质，这使其具有出色的延展性和粒度。

Bylox LT 在许多薄膜应用中取得了巨大的成功，包括农业地膜以及庭院和宠物垃圾袋。”他说。Bylox HT 是一种更热稳定的产品，能够与更高温度的产品一起加工，而不会产生各向异性收缩问题或机械性能的显着损失。Bylox Clean 是一种出色的产品，具有较低的基色和气味，除了用于薄膜外，还显示出能够替代一些用于生产柔性 PVC 的增塑剂，从而显着降低成本。此外，公司目前还致力于开发一种完全基于生物的100%木质素碳纤维产品。

来源：荣格-《国际复材技术商情》


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