造福地球,植物纤维复合材料研究不断超越极限
2021-08-17 08:13 星期二
实习生田珂源

近日,爱尔兰一家名为Exergyn的环保科技公司研发出了一款新型空调。与传统空调相比,Exergyn的空调完全不会产生有害气体,奥秘在于它使用了新的制冷材料——形状记忆合金。形状记忆合金能自动恢复形状,而且在压缩时会释放热量,压力释放后又能吸收热量。

Exergyn的新技术给HVAC(供热、通风与空调)制造业去碳化带来了福音,获得了广泛的关注。许多行业巨头在新型空调上看到了商机,美国供暖制冷制造业巨头开利公司(Carrier Corporation)正与Exergyn合作,准备将新技术推向市场。

image

Exergyn董事总经理Kevin O’Toole
图片来源:Medium

形状记忆合金属于智能材料,即能对外部刺激作出反应的活性材料。北美由于在智能材料工程领域的创新和研发方面具有领先优势,占据了全球最大的形状记忆合金市场份额,而且北美的市场需求还在不断上升。但根据印度市场调研公司Energias Market Research的研究报告,随着经济和工业的起飞,特别是医疗保健行业和电子产业的快速发展,亚太地区各行业对智能材料的需求也迅速增长,在预测区间(2019-2025)内的年复合增长率最高,有望在未来成为全球形状记忆合金市场的主要区域。

image

科学家将形状记忆合金管安装到机翼上
图片来源:NASA

美国市场调研公司Grand View Research的研究报告显示,智能材料的市场规模预计在2025年达到982亿,其中形状记忆合金占比并不大。智能材料涵盖了许多种类,其中就包括部分生物材料。具有商用潜力的生物材料在材料研究领域里一直是热点。据美国市场调研公司Markets and Markets的预测报告,2025年生物材料市场规模将达到475亿。

植物纤维复合材料研究渐入佳境

生物材料包括接触生命系统发生作用的材料,也包括从生物中提取元素制作的材料,大致有50多年的研究历史。世界顶级开放获取专著(Open Access Books)网站IntechOpen指出,近年来基于植物纤维的复合材料在生物材料开发中引人瞩目。

image

天然植物纤维
图片来源:Sciencenet

天然植物纤维是自然界中含量极为丰富的高分子材料,每年生长总量多达千亿吨。植物纤维的有机化学成分组成独特,包括纤维素、木质素等,是一种绿色材料。它价格低、密度小、弹性大,最突出的优点是可降解和可再生,具有广阔的发展前景。植物纤维常常作为增强材料与其它材料复合,此类复合材料在环境保护方面具有重要意义,其研究也有多年历史。

自上世纪60年代开始,麻纤维就进入了科学家的视野。来自德国、英国、意大利和印度的科学家使用黄麻纤维来增强热塑性和热固性塑料,这种复合材料具有成本低、耐腐蚀、绝缘性好等优势。德国研制出的黄麻增强聚丙烯复合材料还应用在了奥迪、福特等轿车的吸噪音板和备用轮罩等部件上。

image

使用植物纤维复合材料的汽车部件
图片来源:Edmunds

美国在70年代取得了木塑复合材料研究的较大进展,尤其是在低劣木材的综合利用研究上。利用聚乙烯、聚丙烯代替树脂胶粘剂,与木质纤维混合产生新的木质材料,经过挤压、注射成型等工艺,形成了木塑复合材料。木塑复合材料发挥了木材的易加工性,具有耐用、耐虫蛀、不吸水的特性,在园林景观、物流包装等行业得到了广泛应用。世界上最大的木地板和栏杆制造商Trex从九十年代开始就生产实体木塑复合材料,并加工成园林风景木材、户外餐桌、工厂地板材料出售。

image

用Trex木塑复合材料搭建的户外庭院
图片来源:New York Sash

1986年,印度科学家D.S.Varma研发出了椰纤维增强复合材料,可应用于建筑、汽车等领域。椰纤维是椰子的副产品,一般是将椰壳在海水中浸蚀或用机械加工处理得到的材料,除小部分用作绳索和燃料外,大部分被遗弃,既浪费资源又污染环境。但是椰纤维在耐湿性、耐热性和隔音性能方面表现优异,开发复合材料很有优势。福特首款全电动汽车Electric的后备箱承重板就采用了椰纤维增强复合材料。

步入21世纪,人们的环保意识日益增强,植物纤维复合材料可回收、可降解的特性得到人们的重视。植物纤维复合材料被进一步开发,用来替代建筑材料、包装材料和汽车内饰材料。汽车内饰行业还把植物纤维复合材料视为行业发展的必然方向。福特汽车蒙迪欧(Mondeo)和奔驰A级E级轿车的门板都使用了植物纤维复合材料,其商业价值进一步凸显。

image

使用植物纤维的奔驰A级轿车
图片来源:Research Gate

然而,植物纤维在复合过程中存在的润湿性、相容性、纤维降解等问题影响了复合材料性能的提高。现在大多数采用的解决方法是通过化学、物理、生物手段将植物纤维“改性”。比如通过碱处理、电晕处理、酶处理等方式改善植物纤维的特性,提高植物纤维与其它材料复合时的粘合性,“改性”的处理方法一直以来也是研究的重点。

植物纤维复合材料前景广阔

近几年来,科学家们已经不满足于改性的处理方式,比如利用3D打印技术增强木质纤维密度得到的材料,可以减少木材的砍伐,还能取代污染较大的石油基材料。瑞典科学家Paul Gatenholm表示,“这是一个巨大的突破,它让我们超越自然的极限,创造新的可持续绿色产品。”

此外,还有改变植物纤维结构、添加纳米纤维等处理方法,以此得到新的植物纤维材料,再加以聚合进行商用。这些新的技术还处于探索阶段,但已经出现了许多令人振奋的成果。

藻类活体光合材料

今年5月,来自美国罗切斯特大学(Rochester University)和荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的研究人员使用3D打印和生物打印技术,将藻类植物沉积到细菌纤维素上,打印成了一种活体光合材料。

image

用藻类活体材料制造的织物概念图
图片来源:Rochester University

这种活体光合材料功能强大,不仅坚韧、可降解,而且可以像藻类一样进行光合作用,并存活数周。罗切斯特大学的生物学副教授Anne Meyer表示,该材料应用广泛,可用于皮肤移植,其产生的氧气将有助于受损皮肤的愈合,还能用作服装材料,解决纺织业的环境污染问题。

纯素蜘蛛丝

剑桥大学的研究人员今年6月在《自然-通讯》(Nature Communications)科学期刊上发表了“纯素蜘蛛丝”(Vegan Spider Silk)的研究成果。研究人员使用大豆蛋白分离物成功地复制了在蜘蛛丝上发现的结构,使植物蛋白质能够像蜘蛛丝一样自我组装,有望取代一次性塑料制品。

image

纯素蜘蛛丝样品
图片来源:Xampla

纯素蜘蛛丝能在自然环境中安全降解,而且可以添加到聚合物当中,制成复合材料用作防水涂料,应用前景广阔。研究人员与从剑桥大学企业机构(Cambridge Enterprise)拆分出来的衍生公司(Cambridge Spin-off Company)Xampla正进行商业合作,开发用该材料制作的塑料替代品。Xampla计划在今年下半年向市场推出使用纯素蜘蛛丝的一次性包装袋和胶囊,用来取代日常用品中的塑料。

生物活性食品包装材料

由来自西班牙的加的斯大学(Univerisity of Cadiz)和来自葡萄牙的阿威罗大学(University of Aveiro)组成的研究团队今年7月研发了一种具有生物活性的包装材料。研究人员用纳米纤维和芒果提取物制成了这一复合材料,可以用于长时间保存食品。

image

使用芒果提取物的生物活性材料
图片来源:Phys

这种生物活性包装材料具有抗菌和抗氧化特性,用这种材料包装的食品可以在不添加防腐剂的情况下保存很久,有助于易腐烂食品的保存。

美国市场调研公司Grand View Research的报告显示, 全球植物纤维复合材料的市场规模在2024年将达到108.9亿美元。印度两位学者R.Vijayana和A.Krishnamoorthy在国际科学期刊《今日材料》(Materials Today)上撰文指出,当下,人们对轻便耐用、性能优越的材料需求不断增加,如果这样的材料还是环境友好型材料,更容易受到市场的欢迎。植物纤维复合材料很好地满足了这些要求,未来将不断开拓各领域新市场。

责编 | 许若瑜

题图来源:Iray
图片来源于网络,版权归原作者所有。

收藏
欢迎您发表有价值的评论,发布广告和不和谐的评论都将会被删除,您的账号将禁止评论。
发表评论
要闻
股市
关联话题
6886 人关注
1.11W 人关注
暂停