【K 2025预览】高科技橡胶服务于能源转型

气候变化给我们社会带来了全新的挑战。橡胶这种发明至今已超过180年的材料，在这里是否仍然扮演着重要角色？

地热能

当然！在这里脱颖而出的往往正是那些由特别先进的合成橡胶制成的材料。此类橡胶的一个应用实例是从地球深层回收热能。毕竟，地热钻探可以达到1000米甚至3000米的深度。在此过程中会使用所谓的“封隔器”(packers)——这是一种大约1米长的井下装置，用于密封井筒套管和钻管之间的空间；它们（除其他部件外）由耐热橡胶组成。在这些封隔器隔离的空间内，可以进行温度或压力测量等操作。

顺便提一下，在如此深的钻探中——无论是地热项目还是原油领域——都会使用在定子外壳内装有螺旋转子的发动机，其内部衬有橡胶。这里使用的橡胶部件堪称先进橡胶应用技术的“名人录”：丁腈橡胶（NBR）、高抗性丁腈橡胶（NBR-HR）、氢化丁腈橡胶（HNBR），甚至是具有极强耐化学性的氟橡胶——具体取决于温度分布和冲洗液的腐蚀性。

谈到深钻：天然气目前仍被认为是一种过渡性燃料，用于相对低碳的能源生产。目前，德国从美国进口大量天然气，其中约88%是通过水力压裂法（fracking）获得的。

此应用所需的部件还包括能够承受与腐蚀性液体接触的极高性能软管，这些液体被注入岩石中以释放其中蕴藏的天然气。对此类应用，多层产品更受青睐，因为其内层由耐酸合成橡胶制成；外层则使用具有优异耐磨和耐老化性能的橡胶等级。

天然气开采中一个令人担忧的风险是储层中不受控制的剧烈气体释放，即所谓的“井喷”(blowouts)。这可以通过所谓的“防喷器”(BOPs)来防止，即极其耐磨的橡胶密封件——它们也能承受硫化氢以及腐蚀性和磨蚀性介质的侵蚀。这些密封件非常昂贵，因此期望其使用寿命与之相配。这就是为什么HNBR是优选解决方案。

沼气和氢气

2021年，德国约9%的农业用地用于生产沼气所需的可再生原料。

然而，沼气不仅含有作为燃料的甲烷，还含有硫化氢和氨等腐蚀性成分。这就是为什么在沼气生产厂中，除了像聚氯乙烯（OVC）涂层聚酯织物制成的双层膜等竞争对手外，还会使用诸如EPDM膜（三元乙丙橡胶）这样的材料。这两种材料在此应用中各有优缺点；但EPDM橡胶更具柔韧性，且易于回收利用。

虽然迄今为止针对高度先进橡胶材料所描述的任务或许可以用较为“传统”的方法解决，但涉及氢气时就变得非常棘手。氢气在常压下仅在极低温度下才会液化。因此，为未来的氢经济设计的密封材料需要能够覆盖较宽的温度范围（-40至80°C以上）。此外，还需要承受高压。

这里的问题在于，非极性的H₂分子能够渗透，从而损害传统的密封材料。如果氢气逐渐沉积在密封材料中，就可能发生爆炸性减压，破坏密封垫片。而这些密封垫片在氢经济中至关重要：用于电解槽、阀门或膜组件、储罐和管道运输，当然还有燃料电池。

事实上，真正有效的氢气密封橡胶仍是当前研究的课题；或许可以通过巧妙结合气密性好的橡胶等级和能阻碍氢膨胀和渗透的填料来取得一些进展。符合要求的基础弹性体包括丁基橡胶（其本身定义上就具有相对较好的气密性）或氟橡胶；片状添加剂，如层状硅酸盐或石墨，有助于进一步减少气体渗透。

为了简化氢气运输，最近也讨论了替代载体介质，例如NH₃（室温下为气态氨），它更易于液化和储存。此应用同样需要耐低温、特别是耐碱的高性能橡胶。

毋庸置疑，氢气在燃料电池中已经非常可靠地发挥着作用。但燃料电池并不存在“万能”的密封材料。因为也不存在“万能”的燃料电池：例如，有碱性、磷酸、聚合物电解质和高温燃料电池等不同类型。在这里，同样使用含有高比例特殊填料的弹性体粘合密封材料来完成密封任务。

风能

风力涡轮机的高度在不断增长。如今，其额定功率可超过10兆瓦（MW），转子直径达到150至220米。

在此应用中，海上环境、紫外线辐射、臭氧（在电气设备周围并不少见）、盐水和剧烈波动的温度都对部署在此的弹性材料提出了很高的要求。除此之外，还需要具备终极阻燃性，因为一旦机舱（nacelle）起火实际上无法扑灭。

这些机舱内包含用于发电机隔振和弹性支撑的部件：在转子叶片和轮毂的连接处可以找到橡胶缓冲器，它们吸收作用力、帮助减少振动并抑制噪音。

在风力涡轮机内置的数以百公斤计的弹性体材料中，你几乎找不到天然橡胶，这尤其因为它对风化和臭氧的耐受性存在问题。相反，NBR是全橡胶旋转轴的首选。在径向轴密封件中，你也常会发现耐臭氧的HNBR，它还能在短时间内承受高达170°C的温度。通过相应的增强，HNBR也可用于大直径轴承，并且由于其耐油性，甚至可用于油脂润滑的主轴承。

从海上风电场传输电力的电缆可能会变得非常热。因此需要具有更高耐温性的橡胶材料，除了HNBR外，还有EPDM。

我们不要忘记：橡胶不仅在运行这些系统时被需要——在制造由玻璃纤维增强元件（包含硅胶、丁基橡胶或EPDM橡胶部分）制成的转子时就已经需要它了。

太阳能系统

光伏（PV）系统当然也需要密封垫片，以保持组件的对齐并防止进水。例如，用于保持多个光伏组件之间偏移量的垂直密封垫片，由硅橡胶或耐候EPDM制成。

然而，关键的密封任务大多由另一种材料执行。太阳能电池板通常封装在乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）薄膜中。在此过程中，太阳能电池板被封装在此材料的两层之间；当薄膜熔化时，它能完美地包裹电池。EVA具有极高的透光性和耐候性，加工窗口宽；它并非经典弹性体，但——根据其EVA含量——完全可以被视为一种“类弹性体”材料。目前也有尝试用含有一定比例生物基“甘蔗乙烯”的替代品来取代源自化石原料的EVA薄膜。

为了确保太阳能电池板在当今时尚的平屋顶上固定到位，安装人员喜欢使用EPDM垫。它们在光滑地面上提供额外的支撑，防止组件随时间推移而移位。

说到建筑：毫无疑问，热泵也几乎离不开橡胶。不过，此应用需要（耐候的）密封垫片和软管，它们在较低温度下也要保持足够的柔韧性；同时也需要减振橡胶垫来减少泵的不必要振动。

因此，橡胶绝非“过时”的材料。没有性能极其卓越的橡胶等级，能源转型和应对气候变化的斗争将无法实现。

在K 2025上，“橡胶街”（Rubberstreet）将再次作为弹性体行业创新实力和卓越运营的展示窗口。自1983年以来，它一直是K展上所有寻求弹性体（橡胶和热塑性弹性体TPE）信息人士的首选联络点和导向标。“橡胶街”由德国橡胶工业协会（wdk, Wirtschaftsverband der deutschen Kautschukindustrie）赞助。

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关于作者：
Stefan Albus博士是化学博士，自由商业记者。他的重点主题包括高分子化学以及塑料和橡胶应用技术。