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橡膠資源日益缺乏 我國開啟生物基橡膠產業化開發工作

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    橡膠材料與我們的生活密切相關,老百姓每天的衣食住行都離不開橡膠材料。但目前傳統的天然橡膠和合成橡膠都面臨資源不足的難題。于是,各國把目光對準了生物基橡膠的開發。

橡膠資源日益缺乏

    橡膠材料按照來源可以分為來自三葉香蕉樹膠乳的天然橡膠,以及源自化石基原料的合成橡膠。自1839年美國人固特異(Good Year)發明硫化橡膠以來,天然橡膠與合成橡膠陸續進入現代社會的方方面面,至今已經為現代文明社會服務了近180年,在今后相當長的時間內,也還將繼續服務于現代文明社會。

    但是,目前無論是合成橡膠還是天然橡膠,都面臨著資源不足的難題。合成橡膠以石油等化石資源為原料,在能源、資源與環境都受到嚴重挑戰的今天,以大量不可再生的能源、資源消耗為代價的現代合成橡膠工業,正面臨著嚴峻的考驗。根據英國BP石油公司的統計數據,目前全球探明的石油儲備只夠維持42年的消耗、天然氣儲備只夠維持60年的消耗、煤炭儲備只夠維持130年的消耗,合成橡膠的發展將不可持續。

    同時,我國石油資源嚴重不足,60%依賴進口,超過80%以上的石油被當做能源消耗掉,而貢獻到石油化工的石油原料僅為12%。我國合成橡膠的發展不但受制于油氣資源短缺的困境,還會受到化石能源旺盛需求的擠壓,未來很有可能面臨無米下鍋的窘境。

    隨著全球變暖趨勢日益明顯,以化石資源為原料的合成橡膠工業也面臨著節能減排的壓力。歐盟正在著手立法,考慮今后輸入歐盟的產品必須加大可再生資源的比例,其中輪胎將是受到重點監控的產品。美、日等發達國家政府也正在制定標準,規范可再生資源的范圍以及檢測方法。

    天然橡膠方面,由于受到氣候、病蟲害以及地緣政治的影響,我國天然橡膠的發展面臨嚴峻的形勢。我國天然橡膠消耗巨大,自產不足,嚴重依賴進口,2017年消耗天然橡膠548萬噸,占到全球總消耗量的42%,其中自產81萬噸、進口546萬噸。而三葉橡膠樹僅適生于南北緯15度的熱帶雨林里內,我國適種面積幾乎開發殆盡,天然橡膠進一步發展的潛力有限。再加上三葉橡膠樹面臨南美葉疫病的威脅,使全球天然橡膠種植產業十分脆弱。此外,天然橡膠的收割無法實現大規模機械化作業,年輕人越來越多地遠離種植農場、進入大城市工作,三葉橡膠的種植與收獲面臨勞工日益短缺的困境。

    生物基橡膠是新思路

    面對這種情況,一些發達國家已行動起來,未雨綢繆,規劃生物基橡膠的發展方向,布局生物基橡膠的工業框架。

    所謂生物橡基橡膠,指的是利用生物基原材料合成制備的橡膠,以及利用三葉橡膠樹之外的其他植物產生的膠乳所生產的橡膠。

    在合成橡膠方面,歐美發達國家注重傳統橡膠合成單體的生物基化,比如美國固特異(Goodyear)公司利用糖源開發生物基異戊二烯,進而合成出生物基異戊橡膠,最終制備出生物基異戊橡膠輪胎;阿朗新科利用甘蔗渣開發出生物基乙烯,與石油基丙烯共聚合,合成生物基三元乙丙橡膠,其中的生物基原料比例可達70%。2018年世界杯比賽用球就是使用阿郎新科的這種材料制作,實現了生物基橡膠的真正應用。此外,阿朗新科也建設了一套生物基異丁烯中試裝置,過

并試產出一批由生物基原料合成的丁基橡膠。

    美、日、歐不產天然橡膠,因此對于替代性天然橡膠的開發更為急迫。2007年,美國組成PENRA聯盟并實施“卓越計劃(2007-2011-2020)”,歐盟于2008年組成EU-pearls聯盟實施“珍珠計劃(2008-2012)”,隨后又組成DRIVE4EU聯盟啟動第二期“驅動計劃(2014-2018)”。這些計劃的目的都是立足本地區開發三葉橡膠以外的可替代膠源,滿足本土對于天然橡膠的需求,降低對于東南亞三葉橡膠的依賴。在這些計劃中,蒲公英橡膠都是他們的首選目標。

    2013年,德國大陸輪胎公司在歐盟“珍珠計劃”的基礎上,獨自投資3500萬歐元在位于波羅的海岸的安克拉姆建設了蒲公英橡膠研發中心,目標是利用蒲公英橡膠低玻璃化轉變溫度以及超柔軟特性,開發適合于歐洲冬季氣候條件的雪地胎,占據了蒲公英橡膠產業化先機。

    日本國土面積狹小,無法獨自開發蒲公英橡膠等第二天然膠源。因此,日本普利司通北美研發中心參與到PENRA聯盟中,以確保未來天然橡膠的穩定供應。目前。歐美已經制備出蒲公英橡膠輪胎和自行車胎,正向著商業化的路線穩步前進。

    我國已經迎頭趕上

    面對發達國家在生物基橡膠研發領域的先發優勢,我國也不甘落后,積極搶占未來生物基橡膠這一戰略材料的制高點,爭取形成具有自主知識產權的全產業鏈商業化開發模式,避免受制于人。

    在合成橡膠方面,不同于國外大公司專注于傳統單體的生物基轉化,我國走了一條不同的道路:利用糖、淀粉以及纖維素等生物質原料發酵得到醇、酸等生物基單體,直接轉化為生物基橡膠,省去了中間由生物基單體轉化為傳統單體的步驟,提高了效率,降低了成本。目前,北京化工大學張立群團隊已經開發出兩款具有競爭力的生物基橡膠,分別是面向橡膠制品制造的生物基共聚酯橡膠,以及面向輪胎制品的生物基衣康酸酯橡膠。

    在天然橡膠方面,我國以中國橡膠工業協會、中國石油和化學聯合會為依托,分別成立了中國杜仲產業技術創新戰略聯盟和中國蒲公英橡膠產業技術創新戰略聯盟,指導并推動原產于我國中西部的杜仲橡膠和原產于我國新疆的蒲公英橡膠的產業化開發。

    2017年8月,中國科技部正式批復新型生物基橡膠材料制備技術及應用示范國家重點研發計劃立項。項目研發經費3200萬元,其中國撥經費1200萬元、配套經費2000萬元。研究內容涵蓋千噸級生物基共聚酯橡膠、生物基衣康酸酯橡膠、杜仲橡膠以及百噸級蒲公英橡膠中試裝置的研發與建設,以及輪胎、輸送帶、密封件等下游應用產品的試制。

    生物基橡膠項目的成功立項,標志著我國正式開啟了生物基橡膠的產業化開發工作。我國的生物基橡膠開發也由之前的獨立單位、獨立個人、獨立研發或者小范圍合作研發階段正式進入到多家單位優勢互補、相互合作,大規模兵團協作攻堅克難階段。2018年10月15日,項目通過了專家組的年度考核,為項目今后的成功落地奠定了扎實基礎。

    目前,我國已經成功試制出生物基衣糠酸酯橡膠轎車輪胎、生物基共聚酯橡膠制品、杜仲橡膠航空輪胎和蒲公英橡膠概念輪胎等生物基橡膠制品。可以預見,在不久的將來,應用上述生物基橡膠材料制備產品就會逐步滲入到我們的生產生活中,成為構建未來高度文明社會有機元素。




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