2021年10月15日-16日，由中國汽車工業(yè)協(xié)會、重慶兩江新區(qū)管理委員會聯(lián)合主辦的“2021中國汽車供應(yīng)鏈大會”在重慶舉辦，長安汽車、地平線作為官方合作伙伴全力支持本次大會。本屆供應(yīng)鏈大會主題為“補(bǔ)短鑄長、融合創(chuàng)新——構(gòu)建中國汽車供應(yīng)鏈新生態(tài)”，共同探討產(chǎn)業(yè)政策，交流分享技術(shù)，研判產(chǎn)業(yè)趨勢，展示創(chuàng)新成果，旨在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)國內(nèi)國際互動，凝聚產(chǎn)業(yè)鏈條上下齊心，共謀產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展之路。其中，在10月16日上午舉辦的主題論壇“汽車材料新動態(tài)”上，北京化工大學(xué)教授王朝發(fā)表精彩演講。
我是來自北京化工大學(xué)的王朝，感謝中國汽車工業(yè)協(xié)會的邀請。非常榮幸有這樣一個機(jī)會能參加關(guān)于汽車的盛會。我將我們團(tuán)隊(duì)在下一代輪胎做的材料工作給大家做匯報。
首先說說關(guān)于輪胎，汽車保有量接近3億輛，每個汽車至少4個輪子，而且一輛汽車得更換幾次輪胎，所以輪胎使用量很大。我國輪胎產(chǎn)量處于世界第一，產(chǎn)值超5000億元。我們的輪胎企業(yè)實(shí)力跟國外還是有差距的，輪胎工業(yè)也是頻繁受了歐美的限制，像歐盟的標(biāo)簽法，對我們輪胎行業(yè)有很大沖擊。輪胎是汽車與地面接觸的唯一構(gòu)件，是汽車的重要組成。剛開始對輪胎的要求是只要能跑就行，后來逐漸提出要耐磨、耐老化，這樣讓它壽命更長一些，要抗?jié)窕屗踩院靡恍?，包括阻力要低，要省油等。對輪胎的功能性也有一些探索，比如要抗刺扎，保證你的輪胎被扎之后不爆胎，包括非充氣輪胎和自愈合輪胎?，F(xiàn)在還有發(fā)電輪胎。
新一代輪胎對輪胎的性能要求越來越高，包括噪音要小，舒適性要好，氣味要低等等。特別是近幾年，對輪胎的綠色化提出了要求，輪胎也有比較嚴(yán)重的碳排放問題，作為新一代輪胎，必須實(shí)現(xiàn)綠色化。
左上方的圖是輪胎的一個剖面圖，實(shí)際上輪胎是一個比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它由很多層組成，主要組成部分還是橡膠，像胎面、胎側(cè)，這些都是橡膠組成的。橡膠這個材料又是一個復(fù)合材料，里面除了橡膠材料之外，還有很多助劑，所以對橡膠來說有很多技術(shù)難點(diǎn)在里面。
橡膠分為兩種，一種是合成橡膠，一種是天然橡膠。對于合成橡膠來說是通過化學(xué)方法，人工合成的橡膠。這個橡膠種類很多，但是我國幾乎是沒有原創(chuàng)的橡膠品種，且合成橡膠是不可持續(xù)發(fā)展的。英國公司統(tǒng)計(jì)石油、煤這些資源是有使用年限的。另外是碳排放的問題，我們很關(guān)注，我們通過計(jì)算，合成橡膠從煉化開始一直到生命結(jié)束，我們簡單算了算，可能不準(zhǔn)確，一噸合成橡膠排放二氧化碳10.2噸，對于整個合成橡膠消耗會導(dǎo)致每年5000萬噸碳排放。
正因?yàn)檫@樣，所以國外一些大公司對輪胎也有綠色化的規(guī)劃。普利斯通要求2035年要實(shí)現(xiàn)輪胎的全綠色化。
我們可以說是未雨綢繆，團(tuán)隊(duì)這些年針對橡膠的碳排放問題給出了一些應(yīng)對策略。第一個是從原材料控制生物基橡膠和綠色助劑開發(fā)，第二個是對廢橡膠進(jìn)行回收利用，第三個從省油概念出發(fā)，怎樣讓汽車更省油。
首先我們看通過原料控制。天然橡膠是大自然對于我們的饋贈，它是直接從橡膠樹上直接割一道口子嘀嗒流出來的乳液，經(jīng)過加工以后就得到天然橡膠，然后就可以用了。天然橡膠可用于航天、國防，輪胎，醫(yī)用彈性體等領(lǐng)域。
天然橡膠是通過光合作用獲得的，存在一個固態(tài)的過程，每一噸天然橡膠可以固態(tài)1.85噸，整個壽命周期算下來碳排放只有2.7噸，可以說天然橡膠是橡膠行業(yè)里面最具有碳中和潛力的材料。對于我國的天然橡膠有兩大困局，首先是天然橡膠產(chǎn)量很小，只在熱帶環(huán)境生長，我國只有云南、海南可以生產(chǎn)天然橡膠樹。2019年我們消耗了555萬噸，進(jìn)口是520萬噸，所以基本上都是進(jìn)口的。
我們團(tuán)隊(duì)這些年致力于開發(fā)第二代天然橡膠，在我國的新疆和哈薩克斯坦邊界地區(qū)找了一些野生的橡膠草，叫蒲公英橡膠草，這個膠乳跟天然橡膠樹的膠乳是一樣的，所以能不能利用這個去提取天然橡膠，這樣就可以立足于我們本國的國情來發(fā)展，這樣就不會受制于人。
我們北京化工大學(xué)也是牽頭建立了一個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，15年逐漸形成了中美、中哈、中俄大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。
這是蒲公英橡膠草的照片，我們可以看出它的根部掰斷流出膠乳，這個就是天然橡膠。這個橡膠能達(dá)到15公斤每畝的產(chǎn)量，總的來說這個產(chǎn)量還是不大的。好處是什么呢？橡膠草可以生長在一些惡劣的環(huán)境，比如一些低溫地區(qū)。
對于橡膠的提取我們也是開發(fā)了一些環(huán)保的路線，里面沒有產(chǎn)生廢氣，廢渣我們也會回收利用。我們利用我們提取的蒲公英的橡膠制造了幾條輪胎，當(dāng)時在國際橡膠會議上展出，也是獲得了比較高的關(guān)注。
我們團(tuán)隊(duì)實(shí)際上是從兩條路線走，第一條路線是右邊的路線。天然橡膠因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的限制，包括它的產(chǎn)能還沒有那么大，所以我們也準(zhǔn)備從第二條路線走，就是左邊這條。這是我們通過玉米、土豆這些作物發(fā)酵之后，我們得到生物劑的單體，用化學(xué)合成的方式，得到生物劑的橡膠材料，這樣的話結(jié)構(gòu)多樣化，性能也多樣化。
對于國外來說，他們生物基橡膠的發(fā)展是這樣的，他們?nèi)グl(fā)酵得到的是烯烴類的單體，合成得到跟傳統(tǒng)橡膠一樣結(jié)構(gòu)的橡膠，所以市場驗(yàn)證不存在問題，直接可以用。問題在于這種發(fā)酵提純工藝很復(fù)雜，成本很高，就限制了應(yīng)用。
張立群老師在08年馬來西亞國際橡膠會上首次提出了“生物基工程彈性體”的概念。在之后的研究中，設(shè)計(jì)合成了原創(chuàng)的生物基聚酯彈性體和生物基衣康酸酯彈性體。（獲得了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持）
第一個是生物基衣康酸酯橡膠，它產(chǎn)量比較大，基于這個成本就低一些，我也會通過酯化實(shí)現(xiàn)了一些非常多的結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。這是去年的時候我們跟京博集團(tuán)做的千噸級的產(chǎn)業(yè)線。利用這個橡膠，今年5月份被評定為國家領(lǐng)先水平，建議大力的推廣。這個橡膠材料我們進(jìn)行了加工做輪胎，這個加工方法整個成形工藝跟傳統(tǒng)的橡膠工藝是一樣的，我們做的實(shí)驗(yàn)得到了很多輪胎，當(dāng)時是批量化的制備，也通過了輪胎測試。這個輪胎裝車去進(jìn)行了跑車的實(shí)驗(yàn)，我們對它的濕抓，抗?jié)窕?，混凝土都進(jìn)行了測試，得到了雙B級。
我們開發(fā)了一種生物基可降解的聚酯橡膠材料，為什么開發(fā)這個材料？首先輪胎的廢棄量很大，而且跑的過程中有磨屑，每年超過100萬噸，這個量是很大的，只是我們看不見而已，這個磨屑就進(jìn)入了PM2.5，微顆粒進(jìn)入了河水、土壤，有部分進(jìn)入人體類，挺危險的。在海洋里面一微米以下的顆粒，80%來自于輪胎，這個數(shù)據(jù)對我們沖擊很大，所以基于這個考慮，我們要生產(chǎn)可降解的輪胎。
利用分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，正常來說聚酯材料是結(jié)晶的塑料，但通過分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，解決了結(jié)晶的事，最后得到了橡膠材料。這些年我們也做了大量的工作。
2019年我們在千噸線上做一些連續(xù)化的生產(chǎn)，生物基可降解聚酯橡膠今年也是通過鑒定，評定為國際領(lǐng)先水平。
用生物基可降解聚酯橡膠做輪胎，這個是我們?nèi)蚴着蔚目山到廨喬?。因?yàn)楝F(xiàn)在所有橡膠材料都是不可降解的，這是目前唯一可降解的橡膠材料，而且是我們獨(dú)立自主開發(fā)的。
這個材料具有可降解的特性，我們發(fā)現(xiàn)這個材料在110天內(nèi)降解率可以達(dá)到70%，完全變成水和二氧化碳，只有30%沒有降解，我們也在想這30%會不會對水和土壤產(chǎn)生影響？我們也做了測試，發(fā)現(xiàn)土壤的重金屬，碎片沒有超標(biāo)，種子發(fā)芽率還提高了，我估計(jì)是我們提供的有機(jī)物提供了養(yǎng)料。
我們用一個兩毫米的片放在路上，完全沒有影響，放了3個月，質(zhì)量沒有變化。但埋在土里3個月，這個質(zhì)量就下降10%以上，所以這個輪胎做出來是不能長時間在土里待著，正常的瀝青路面是沒有問題的。我們把截面埋在土里，第一個月降解了，幾乎沒有變化。第二個月表面開始產(chǎn)生一些霉菌，第三個月比較明顯，所以在土里降解是有一個緩慢的過程。
另外我們又開發(fā)了另外一個閉環(huán)，我們通過化學(xué)回收的方法把我們這個輪胎材料用一個醇解的方法回收到原材料，然后再聚合，再重新做成輪胎。
在橡膠里面因?yàn)轶w系比較復(fù)雜，除了橡膠原料之外，還有很多助劑，我們團(tuán)隊(duì)這些年也開發(fā)了很多助劑。這里面一個比較好的工藝是什么呢？是利用二氧化碳法制備納米二氧化硅。這是我們行業(yè)內(nèi)首條完成碳綜合二氧化硅的生產(chǎn)線。
接下來說說從廢橡膠回收方面考慮。不管你降不降解，回收都是重要的路線。每年產(chǎn)生的廢輪胎達(dá)到3.8億條，我們就需要對這些廢輪胎進(jìn)行綜合化的回收利用，這是非常有意義的。包括這些輪胎也是碳基來源，我們相當(dāng)于回收利用也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰的重要途徑?，F(xiàn)在來說我們對它回收利用主要是從綠色化、資源化，而且我們要高值化。
回收方法一個是原形利用，比如把它放在船上防止碰撞。要么煉成油和瀝青鋪路。最后一方面是再生橡膠的利用，重新加工成輪胎。廢輪胎的處理實(shí)際上也很難，它的碳足跡是負(fù)的400多公斤，所以這是我們?yōu)槭裁匆龌厥绽玫脑?。基于這個問題我們自己團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套裝置，是利用多階螺桿，通過動態(tài)脫硫技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。這是整個生產(chǎn)線，這一頭廢橡膠進(jìn)去，那一頭再生膠出來，中間是密閉的，得到這個就可以制作輪胎。對于這個材料我們就可以實(shí)現(xiàn)一個連續(xù)化的處理應(yīng)用。
這是我們成立的自己的學(xué)科性公司，綠金人橡塑。我們在中策建了8條生產(chǎn)線，可以實(shí)現(xiàn)年處理90萬條廢輪胎，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益2.5億。另外這個工作我們也是助推一帶一路，出口到斯洛伐克。
最后一個，除了前面兩個考慮，我們還從省油角度去做一個節(jié)油的輪胎。這一塊兒我們主要是設(shè)計(jì)了一個超級彈性體材料，這個材料做成輪子之后可以解決輪胎的魔三角問題。既要高耐磨，而且要高抗?jié)窕Ｗ笊辖堑膱D是耐磨性，這個可以讓我們胎面用料更少，壽命更長，這就是減碳的形式。另外中間的圖是滾阻，我們做完輪子之后滾動能量消耗特別小，所以我們汽車跑的過程中很省油。對于電車來說，它的里程會更高，所以我們在開發(fā)一些超低滾阻的輪胎，這樣使新能源汽車的里程數(shù)有一個明顯的提升。
以上就是我們在輪胎用低碳橡膠材料方面做的工作。