用秸秆做的轮胎能跑多远?

我国是农业大国,每年的秸秆产量超过9亿吨。秸秆废弃物不仅占用耕地,而且粗放的处理方法经常引起严重的环境问题。但近年来人们逐渐摈弃了传统的焚烧处理模式,转向了更加科学合理的秸秆综合利用。例如,秸秆制沼气,秸秆青储饲料,秸秆粉碎制有机肥,秸秆制粒燃烧发电等,这些五花八门的低价值利用方法初步实现了秸秆的变废为“用”。

然而科学家们还想更上一层楼,提高秸秆的利用价值,使其变废为“宝”。中科院科学家开发出利用低值秸秆生产高品质轮胎用天然橡胶改性材料技术,实现了“轮胎秸杆造”!

秸秆与轮胎看似风马牛不相及,实质上却有着微妙的联系。

轮胎推动着人类从马车时代迈入了汽车工业时代。

作为汽车上唯一与地面接触的零件,轮胎的性能直接影响着驾驶的安全性和舒适性。轮胎常在复杂和苛刻的条件下使用,它在行驶时承受着各种变形、负荷、力、以及高低温等作用。

什么样的材料才能具有良好的承载性能、牵引性能、缓冲性能的同时,还具备高耐磨性、抗湿滑性和耐屈挠性,以及低的滚动阻力与生热性?

橡胶。

橡胶是轮胎工业生产中最主要的原材料,全球每年生产的橡胶中有约60%用于轮胎制造。

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橡胶的主要应用(李滨 提供)

我国经过几十年的天然橡胶品种培育,目前天然橡胶总种植面积超过1700万亩,产量达80万吨以上,跻身世界第四大产胶国。然而,目前国产多数天然橡胶品质相对较低、胶林品种差异大、生产质量不稳定。长期以来,高端制品用胶几乎完全依赖于进口,这其中就包括市场需求量巨大的轮胎制造。

所以,提升国产天然橡胶的品质,并实现其功能性加工,是行业发展的首要任务。

一般来说,在橡胶中添加补强剂后,它的强度、硬度和耐磨性能会有较大幅度地提升。

什么样的材料才能充当补强剂?

如果一种材料在橡胶基体中的分散性越好、粒径越小、与橡胶分子界面相容性越好,那么它与橡胶大分子的相互作用力就越强,限制橡胶大分子运动的能力就越高。

传统的橡胶补强剂一直以炭黑为主,但这种来源于化石能源的材料具有高能耗、高污染的缺点。

在橡胶改性这件事儿上,来源广泛且价格低廉的秸秆类木质纤维原料派上了用场。木质素具有较大的比表面积和特殊的高分子结构,能够在特定条件下分散成类似炭黑的纳米粒子,具有取而代之的“资格”。

国内外的研究主要是将工业木质素以填料的形式加入到橡胶材料中,但工业木质素(碱木质素、磺化木质素)分子已经完全碎片化,分子量分散性大,分子极性高,与橡胶基体相容性差且不易分散,很难得到质量稳定的橡胶,限制了木质素在橡胶中的工业化应用。

因此,亟待解决的瓶颈问题是:如何实现木质素在橡胶体系中的良好分散和界面结合? 

要解决这一难题就要从木质素的天然性质着手。

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木质素结构(李滨 提供)

木质素作为植物细胞壁的主要组成成分之一,是由苯丙烷结构单元通过醚键、碳碳键等链接方式组成,含有大量活性基团。活性基团的存在使得木质素分子间的相互作用大,极易成团,是导致木质素与橡胶基体相容性差且分散性差的罪魁祸首。

但这些活性基团使木质素分子易于衍生化,为木质素的改性留了“后门”。

科学家通过“相容性改性”的手段,可以调节木质素大分子的极性,增加木质素分子的缩合比例,使改性木质素与天然橡胶实现良好的界面结合和乳聚共混,随着改性木质素用量(5-20%)的增加,天然橡胶的分子量分布相对逐渐变窄,即可提升橡胶制品的综合性能。

从秸秆到轮胎需要几步?

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木质素改性天然橡胶步骤(李滨 提供)

科学家首先利用秸秆(包括玉米秸秆、玉米芯、麦秆等)为原料,采用清洁的分离方法分离出木质素。

然后用绿色的加工方法对木质素进行提纯和相容性改性,稳定木质素的质量,同时增加木质素与天然橡胶的界面相容性。

最后,将改性后的木质素与天然橡胶进行绿色化学湿法混炼乳聚复合,就制造出了功能性的橡胶产品。

科研的步伐从未停止,科学家永攀新的高峰

这项技术的推广不仅可以缓解我国天然橡胶原料短缺,而且实现了低价值秸秆的高值利用,可谓一举两得。另外还有着减少环境污染,增加就业,通过技术创新引领乡村可持续发展的良好社会效益和实际应用前景。

目前,该项目的系列延伸研究和工程应用技术完善正在进行中,还可用于合成橡胶、生物质塑料等领域。未来,科学家在秸秆新材料的研发上将走得更高更远。

参考文献:

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5. Thakur V K, Thakur M K, Raghavan P, et al. Progress in green polymer composites from lignin for multifunctional applications: a review [J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2014, 2(5):1072-1092.

来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所

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