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可再生材料创新

欧爱设计 顾秋健     译   《 RENEWABLE RAW MATERIALS —— the trend of innovation in BMW 》

汽车产品中的可再生材料
        天然的纤维材料相对于人工合成纤维表现出很强的替代性:天然的纤维材料有着优异的机械性能,轻质而稳定,同时使用者可以减轻环境污染;所以只要在技术、环保和经济是可行的,宝马汽车公司就竭尽全力地使用天然纤维和其它天然制品。
        包括金属、塑料和玻璃这些汽车制造商最常用的材料,宝马公司还在其汽车产品中广泛使用了可再生材料。除天然纤维外,还包括天然皮革、天然橡胶和植物油。如宝马7系中包含了24公斤的可再生利用材料,其中13公斤以上是天然纤维材料。

(BMW 宝马7系 )

可持续理念作为导向原则被牢固树立
        有意识地在汽车产品中使用可再生材料仅仅是做好供需管理和资源保护的方法之一。宝马研发团队敏锐地意识到他在资源和环境保护方面的责任。这在宝马公司管理层通过的决议中被重申:“可持续已成为经济和社会发展的中心模式,就如同市场效力和政治因素的相互作用。宝马公司将继续把可持续发展作为公司发展历程中的指导性原则。”对材料、过程和产品的综合思考成为在评估个体方案的基本原则。只有当全部有利的因素和不利的因素被权衡之后才可能提出最优解决方案。采纳使用可再生利用材料也正如此。

天然资源中的高级原料
        除了提供食物以外,可再生材料的栽培从很早以前就已经作为农业产业的主要任务之一。可再生材料被正式定义为:“从农林业产出而不作为食物用途的产品”。从木材、纤维、颜料到柴油、汽油和药材,许多重要的高级原料都来源于大自然。正是技术的发展,现在这些产品的种类不计其数。油料作物在工业产品中的运用却是一片空白,远落后于淀粉类作物。另外农作物可以作为纤维的原料,很多草本植物为临床药物的制造提供了大量原料。农作物甚至可以成为矿物材料的替代品。
        除了皮革制品在汽车内饰方面的使用和天然橡胶在轮胎上的使用,天然纤维作为具有吸引力的材料在汽车工业中受到亲赖。例如在宝马7系中亚麻和剑麻在车门内衬材料中使用,棉纤维混合在隔音材料中,木纤维在内饰中使用,它用来包裹汽车座椅的靠背。

在自然进化过程中优化
        植物纤维主要由纤维素组成;如果从茎部提取,主要是内层皮质纤维。这一家族中最重要的包括亚麻、大麻、黄麻和洋麻。相比之下,所谓的硬纤维主要从叶肉、叶柄和植物果实中提取,如剑麻和椰子果实纤维。而木材也是纤维产品的重要原料。
        在汽车工业中这些纤维不是以原始形态使用,而是和其他成分混合以达到合适的材料特性。这些材料就是所谓的复合材料,其中的纤维以高分子矩阵形态存在。
        在复合材料制成的产品中,很多天然纤维有能力与玻璃纤维竞争—它们毕竟已经经过大自然百万年以上的优化。天然纤维显示出优异的机械性能,与玻璃纤维相比,它们具有很高的拉伸强度、耐久性和刚度,易加工,质量轻。由于矩阵结构通常由较低拉伸强度的特征组成,所以它们最理想被作为增强性复合材料 ,而且更柔软。这样一来,纤维和矩阵特性方面都是极佳的。

可再生更新不一定等同于可回收
        可再生材料经常被引入到关于汽车报废回收的讨论中,因为“可再生”通常被等同于“可降解”。但原则上,可再生材料和汽车回收最大化的努力之间的联系是表面的。天然纤维的使用不是代表可回收的理念。从技术因素来讲,对于汽车产品而言事实上是要防止作物纤维降解(腐蚀)。在任何气候条件下,在汽车的整个使用寿命期内,完全有必要确保全车所有部件的长期稳定性。这也就是为什么现在纤维要附上特殊的塑料粘合剂。粘合剂包裹着纤维表面隔离潮气和微生物,防止天然纤维的腐蚀。

轻型工程材料的潜势
        纤维类复合材料在轻型工程材料中占有很高的比例。很少的限制条件使得纤维和基体 材料混合物的期望特性可以通过产品的不同制造方法实现,这使得纤维复合材料能适用于各种不同类型的部件。现在有可能制造出纤维复合材料部件,它的重量要比等效的注塑零件轻到40%。鉴于资源的匮乏,无论是在生态还是技术方面,使用天然纤维提供了一种独特极佳的解决方法。

农业与汽车工业的合作
        在汽车产品中使用可再生材料在BMW公司决不是一个最近的想法。公司以研究植物纤维的运用项目在这方面的投资从90年代初就开始了。在当时巴伐利亚农业部和一个亚麻处理专家投入到这一项目,该项目由宝马公司和一个合作企业还有一个非纺织制品制造商共同实施。这一工程的背景是欧盟关于剩余粮食转化为其他产品的政策。该地区的人们需要在他们的土地一边保留一定比例的土地种植作物就可以获得适当补偿作为回报。为了解决栽培问题,就可以被允许用这部分土地种植可再生材料。这些努力促进了可出售的可再生材料的生产。尽管工业原先被迫引入必需的纤维如进口的亚麻,但现在大部分的纤维由国内的农业部门提供。
        BMW公司也是那非盈利组织“C.A.R.M.E.N”的成员之一。这德语首字母的缩写代表“土生可再生材料营销和发展中心”。这个组织把促进研发部门使用本地可再生材料作为自身的使命。专家估计其间每年德国汽车工业对天然纤维的需求量将高达45000吨。在2004年,宝马公司在制造其汽车中消耗了10000吨天然纤维。

从作物到部件
        天然纤维加固部件是如何制造的呢?基本上和制造包含人造纤维的零部件方法一样。最初供应者供应天然纤维,通常是亚麻,用来制造非纺织制品或者甚至是纤维网格物。为了这样,成捆的纤维材料被分开,单独的制成网格物。几层材料可以根据所需的厚度叠加或切削。
        如果热塑性纤维还没被处理或者熔入非纺织制品中,下一步包括将织物浸入含有基体材料或粘合剂的材料中。后者由很多原料组成,从丙烯酸盐到苯酚,直到聚氨脂,而且将来有可能是生物高聚物。所有这些“甲基塑料”材料有一个共同的特性:通过热反应或者以两种反应物形式,它们能够形成以网状形式存在的长链分子,网状物与增强纤维结合。引入额外的粘合剂供应商的措施增强了纤维和粘合剂(基体材料)之间的结合力。

成型
        这由热塑性纤维或者渗入树脂混合的聚合物被置入成型工具中,材料在中间190℃的高压下被挤压制成期望的部件形态。当部件冷却后,就变硬了。压模打开后,部件从其中取出,然后就冲孔或其它需要的附件被压制上去。运用现代产品技术,现在制造这类的基本零件花不了一分钟。

天然材料的优势
        为了保持企业的持续发展广泛途径,BMW公司一贯采纳将生态、经济和社会统筹考虑的全面的观点。可再生材料在汽车产品中的使用具有很多的优点:
        技术贡献:天然增强纤维部件已经在实践中被证明的技术优势:材料轻却具有良好的机械和声学特性,显示出突出的阻尼能力,不易破碎,在碰撞中效果佳。另外,对模具的磨损小,以多种形式处理加工。
        经济贡献:在系列产品的使用过程中,已经被证实的不可反驳的优势。可再生材料价廉物美,尤其是高技术收割和处理方法被采用时。这也增加了农业的收入。
        社会贡献:最重要的特征就是社会贡献:可再生材料是对二氧化碳排放和能源消耗有积极影响的可再生资源。在作物生长周期中,它凝聚空气中分离出的以二氧化碳形式出现的碳。在第一例中,作物对减少温室效应有益。当汽车在其使用期末报废时,废物不超过作物吸收的原始量。这是一个闭环过程。
        当然处理作物和制造部件时需要额外能量。总之,可再生材料的能量和二氧化碳平衡远远优于对应的人工纤维,尤其是这些复合材料的减重能力开拓后。一个明显的益处,从播种到形成天然纤维织物所需的能量总计仅为制造玻璃纤维织物所需能量的五分之一。同时如车门内部的装饰面板这些部件的重量可以减轻。这样一来在汽车的生命周期内省油,进一步减少了能量消耗和二氧化碳排放。

再循环
        天然纤维增强复合材料制成的部件在汽车报废之后仍然可以被使用:例如作为发电厂或其它工业植物的能量来源。以上的程序与玻璃纤维类复合材料的燃烧相比,很大程度上二氧化碳含量平衡的,并且产生极少的废渣。
        尽管有这些有利条件,但仍存在与欧盟关于汽车报废回收标准(2000/53/EC)的目标冲突。这个标准使很少一部分材料能作为能量源使用。到目前为止,报废件必须回收,也就是说废料必须被再利用。但是再利用废料制成新产品需要大量的能量,承担相当大的成本,所以在经济和生态方面可行性都不好。备选方案就是回收废料制成新材料:例如通过处理,有可能从中萃取甲醇。在这样的情况下,这些回收要求可能迫使汽车设计者转向其它材料,具有更轻的工程材料特性,能量转化方面更具平衡性。
        经济贡献:在系列产品的使用过程中,已经被证实的不可反驳的优势。可再生材料价廉物美,尤其是高技术收割和处理方法被采用时。这也增加了农业的收入。

未来的前景
        和任何有机的产品一样,天然纤维根据其栽培地域、气候条件和季节变化而显示出十分多样的特性。所以要确保成分的质量仍需要一贯高度精湛的加工技术,以之来保证把误差降到最低程度。宝马公司一直致力于开发可行的发展潜能。
        为了促进回收过程,在制造部件过程的任何时候尽可能地使用一种材料是很有用的。这就避免了分解过程中昂贵的分离程序。在天然纤维增强不见上,还有相当多的改进工作要做。
        天然纤维更恰当的剪裁以适应它的使用,处理就更方便一点,它们的优点就会更大程度地体现出来。天然纤维制成的原料仍由纺织工业制造;只有很少一部分使用在汽车产品上。如果那些汽车工业需要的纤维可以被更精心地培育,更好地生长,特殊要求的处理,这些可再生材料的特性差异可以被进一步优化。尤其会使作为增强材料的天然纤维的潜能优势被充分的开发:更薄的壁,更轻的部件,强度上无懈可击。
        到现在,天然纤维通常和塑料基体材料一起被使用。随着发展,基体材料可能由天然基础材料制成。迄今为止,这仅在实验室程度上实现,所以系列产品的成本还太高。为了减少成本,宝马公司正致力于优化最初的研发结果。
        尽管压制技术是现在可再生原材料最普遍使用的技术,备选方案的使用,如注射成型,在将来也可行。另外,结合不同的纤维将有利于达到复合材料的更佳的综合性能。
        汽车制造商,零件供应商和科研机构正紧密配合,更好地利用可再生材料的潜能,扩大它的潜在运用领域。典型公司之一是“天然纤维增强高分子材料”工作团队,他们的目标是扩大,加速这类高分子材料的应用。
        一个完整无损的环境对于下一代的经济和社会繁荣是个前提条件。所以可持续也成为宝马公司信守的一个指导性原则。可再生材料有利于保护和保持自然资源:它们的二氧化碳平衡是彻底的,处理这些材料的费用与对应的人工纤维相比更低。所以汽车产品中可再生原料的使用必须尽可能的扩大到 持续发展经济所需求的最大程度。

 

 
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