宫克难：生物质聚丙烯汽车轻量化材料的制备及应用
时间:2015-09-23 21:06:12 来源:中塑在线
2015年9月16日，由中国石油和化学工业联合会、国际化工协会联合会、上海市人民政府共同主办 2015(第六届)中国国际石油化工大会，在上海国际会议中心开幕。
本届大会将以“创新、绿色、未来”为主题，紧密结合同期举办的 2015 第十二届中国国际化工展，以高端论坛和高层对话为核心，配套专业交流、专场活动和专业会展，以及投资考察、贸易洽谈和访问 交流等活动。
来自中国鑫达塑料有限公司董事会秘书兼迪拜公司总经理宫克难博士为大家带来《生物质聚丙烯汽车轻量化材料的制备及应用》的精彩主题演讲。
以下内容根据会议现场速记整理，未经本人审阅，仅供参考。
尊敬的行业领导、专家，各位同仁大家好，首先很高兴也很荣幸有这个机会在如此盛大的行业盛会跟大家一起分享一下中国鑫达在汽车轻量化材料领域里面的一些进展，我叫宫克难是中国鑫达的董事会秘书，也是中国鑫达迪拜公司的总经理。今天讲的节目是生物制聚丙烯汽车轻量化材料的制备及其应用，今天我讲的主要分三部分，第一部分简单介绍鑫达一下中国鑫达是什么样的企业第二点和大家分享一下汽车轻量化的背景和意义，最后改一下我们在生物制聚丙烯轻量化材料里面的进展。
在这个里面可以看到中国鑫达的产品分为11大类、700余种牌号，应用也包含了汽车的内饰件、外饰件和功能件，基本上大部分的材料应用。中国鑫达也是最早提供车用高分子复合材料的企业，目前在美国纽约、迪拜、香港、北京、黑龙江、四川有十余家的运营子公司，中国鑫达在车用复合材料里面全国产销第一。
我们一起来回顾一下中国鑫达走过的30年的发展历程，始建于1985年，在2007年建成了产能12万吨的中国最大的汽车专有材料生产基地，在2009年成功实现了在纳斯达克的主板上市，也是当纳斯达克大中华地区唯一一个从事研发和生产的新材料公司，2011年鑫达的研发中心被评为了国家级企业技术中心，2013年在哈尔滨的第三大生产基地建成投产，当时单体规模也是亚洲最大的。2014年在海外的第一个生产基地迪拜基地也成功的启动运营，同时30万吨的四川基地将在2016年的上半年正式达产，回顾30年的历程我们一共经历了四个时期，从1985年到95年我们叫做研发储备期公司治理与创新，我们通过扩大产能成为东北最大的汽车复合材料生产商，2006年到2015年是规模产业期争当行业的先锋，作为产业的领导者。从2015年到2020年像刚才李会长说的，已经不把整个产能的扩张作为重点了，怎么实现一个我们的产业转型升级使产品更加环保化，是在这5年要重点着想的。
中国鑫达拥有国家级企业技术中心，我们用这个资质下设了院士工作站、博士后工作站和博士后的产业基地，并且通过跟哈尔滨的政府联合建设了新材料的产业协会，通过协会也带动了工程研究技术中心和公共产业开发平台的建设。同时利用优质的开发平台引进院士长江学者这些高端人才，带领鑫达自身由400余人组成的以博士为主、硕士为辅的研发团队不断实现研发成果的产业化，注重自身的自主开发同时也非常注重与国内外高校院所的交流合作，这个里面展示了一些部分交流合作的院校和合作的课题。比如说在跟东北林业大学进行的阻燃材料制备与分子设计重点实验室的事件，进行药物释放载体的研究跟哈尔滨工业大学目前正在进行联合开发3D打印耗材水溶性PV支撑材料的研究，同时跟吉林大学进行特种工程塑料改进和开发，主要是PEK等等。同时跟德国资深的专家协会定期德国资深专家协会会派专家助场，每个季度为研发和生产进行指导，同时跟韩国的卫生科技园在进行复合材料的研究。
我们非常注重自身研发的硬件建设，刚才说的是团队的建设，硬件建设拥有1.44万平方米的研发楼，这个研发楼是只为高分子研发材料的检测组建的，有40个检测实验室300余台套最先进的检测设备，基本上还有高分子领域所有能够的检测指标要求，比如说有宏观的力学、挥发、损耗、燃烧、热力学、建电厂数等等，同时还有3D的打印研究中心、工艺研究中心和配方设计研究中心。鑫达利用优质的工业设计平台，通过三维扫描建模逆向的工程设计为下游客户在新产品设计阶段投入我们自身的不努力，同时还利用整个工业设计中心优质的CAE工程师的团队，不断的优化下游客户的注册工艺同时也实现了自身材料配方的优化，利用我们的3D打印平台、利用自主研发的3D打印耗材，目前主要是FDM，不断的实现为客户新产品的手模制备和样件的设计以及小批量新产品的试生产，当然也通过全自动化优质的生产线来不断实现对下游500多个客户长期质量稳定的供货。经过30年的研发积累，形成了行业非常全面的质量体系认证和产品认证，当然这包括ISO、9001、TS16969以及健康环保安全的14000、18000，欧盟的认证以及获得的俄罗斯联邦质量体系认证和去年刚刚获得的高铁领域的认证，当然还拥有行业最多的323项主机场产品认证，包括奥迪、宝马、一汽等等。
下面跟大家分享一下汽车轻量化的背景和意义，什么是汽车轻量化呢?就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下尽可能的整备质量从而提高汽车的动力性减少燃油的消耗、降低整个的排气污染。据统计汽车的燃料占整个石油消耗的35%，汽车排放的二氧化碳占整个人类制造二氧化碳的20%，所以说想改善人类自然的环境，如何进一步的使汽车更节能环保降低排放是真正非常基础的方法之一。据统计，汽车的重量每降低10%它的燃油效率能够提高6%到8%，汽车的质量每降低一百公斤油耗可降低5到6升，换句话说汽车不断的减重使它的燃油消耗降低最重要的是它排放的温室气体和有毒的气体会大大的下降。我们看一下在过去的20年中，国外的一些在汽车轻量化领域取得的进展，以奥迪车为例，新款的奥迪A4据统计比上一款的奥迪A4车型降低车身的重量120公斤，奥迪TT降低了90公斤，奥迪A6降低了80公斤。从整个质量的趋势来看，在80年代初整个车身的平均重量、车体的平均重量是在1.5吨到2吨，90年代初质量降低到1吨半左右，在90年代末降低到1230公斤，到2世纪末到现在很多的欧美发达国家已经制造出来了百公里能耗在3升左右的汽车，当然这只是研发阶段但是他们制造出来了，这样的话这种车的重量是在750公斤到一吨左右，比现在平均车的质量轻了50%。之所以汽车能轻量化大家知道肯定都是以塑代钢、以塑代木，但是整个预计到2020年发达国家汽车平均用的塑料每台车可能会上升到500公斤左右，中国其实远低于这个水平，一般喊出的口号是2015年达到欧美发达国家2005年单车用量的水平，从侧面上也说明了我们整个的发展空间还很大，其实这不一定是一个坏事。可以看到下表中我以福特LTD试验车轻量化效果为例把整车的整个零部件都用钢材来制造，那整体的质量在900公斤，把所有的零部件用塑料来制造它的车身重量还不到300公斤，所以说塑料以塑代钢是真正的实现了汽车的轻量化，汽车如何进一步轻量化呢?其实一个是在目前还仍然用钢材尽可能用复合材料替代，其二就是在现在传统的高分子复合材料里面继续降低质量。如何实现母线所谓的传统高分子复合材料或者叫改性塑料呢?鑫达目前探索的是用生物质的材料，给原材料树脂基体进行填充。
我今天主要讲一下秸秆填充的聚丙烯复合材料，秸秆据统计每收获半吨的玉米或者一吨的稻谷就会产生一吨的秸秆，秸秆就是这些粮食作物收获以后就下来没有用的根茎叶，2011年中国的秸秆总量在每年7亿吨，农业部最新统计2015年秸秆总量将达到年9亿吨，所以说秸秆是一个很大的资源，但是如何利用这个资源，其实公司总部在黑龙江，黑龙江是一个粮食大省，每年会产生大量的秸秆这个秸秆如何处置，其实我们现在的方法还是非常单一，主要是通过燃烧。燃烧我们都知道会影响大气的质量使PM2.5增加，同时空气的能见度低潜在的导致了车祸、人身的威胁等等，但是秸秆同时又是一种生物质的材料，可100%的生物降解并质量要比目前的传统的车用高分子复合材料的填充物比如说滑石粉、碳酸钙等等要轻质的多，所以说如何更好的利用它又是我们现在下一步要具体讨论的，所以说没有真正的垃圾，只有放错了的资源。针对秸秆怎么利用好，在过去10年中中国出台了很多的优惠政策、鼓励的政策，所以说结合这么多鼓励的政策以及以后汽车轻量化的大趋势，和我们黑龙江这么大的秸秆资源如何利用好，这三重驱动力的驱使下我们引进了一个课题是如何将秸秆填充到聚丙烯复合材料里面，通过这个图可以看到其实秸秆粉的表面是非常输送的，说明它的表面积非常大，它的表面积非常大同时是一个非常容易吸水的材料，本身聚丙烯是一个厌水的材料，所以如何使两项很好的结合在一起，通过我们自主研发表面处理的技术使秸秆粉最终很好的分散在了聚丙烯里，并且结合的也非常好。我们通过DSC以及分析最后我们其实分析出来了整个如果要用秸秆粉填充聚丙烯复合材料，那它的整个加工温度、压强、转速到底是最佳的工艺参数组合是多少，它跟传统的滑石粉填充聚丙烯材料有些工艺的参数上是不一样的。
最终根据优化的工艺制备出来的秸秆粉填充的聚丙烯材料可以看到图中秸秆粉是非常均匀的分散在了这里，同样把20%秸秆粉填充的PPE和20%滑石粉填充的PPE进行了对比试验，要达到的性能指标就是大众VW44045的标准，看到在同样实现并达到了VW44045里面的拉、压、弯看到秸秆填充的材料密度远低于滑石粉填充的PP6。同时对秸秆填充的复合材料进行了高低温的失音，在规定的时间内表面没有任何的降解和损耗的现象。不但是试样的样条和制品我们都进行了试验，同时我们也对整个材料的电性能和气味、VOC、冷凝指数都进行了系统化的试验，最后这一系列的系统测试表明秸秆完全可以作为填充材料，可在保证塑料性能得到保证的同时降低石油基消耗率，减少对整个环境的污染。
公司通过跟美国、以色列这些大学公司的合作研究，现在目前已经开发出了30余种生物基轻量化的高分子复合材料，这里主要举了8种，这里面除了秸秆以外或者其他自然纤维填充的或者是整个原材料树脂基体就是100%可生物降解的。我们生产出来轻量化的生物质复合材料通过我们3D打印和工艺设计的平台为下游客户进行整个制作工艺的优化和建议，如何更好的使用生产出来的生物质材料替代他们现在用的传统的比如说滑石粉填充的复合材料，这样就为下一步、为我们生物质轻量化的材料推广打下基础。这里面可以看到，秸秆填充的聚丙烯复合材料远远轻于普通的滑石粉填充材料，换句话说也就是同样一吨的产品传统的滑石粉填充在客户可以打一千个件，在我们这可以打一千二百个，客户端就是整个产品的价值提高。同样秸秆填充PPE复合材料测了整个足迹的测试，发现随着秸秆填充量的增加，整个二氧化碳的排放在降低。公司目前正积极努力着进行中国环保产品认证、欧洲绿叶认证等国内外最具有行业权威性的环保认证，保证产品满足最严格意义上的环保要求，同样利用优质的研发平台、检测平台不断实现生物质轻量化的材料，在客户下游的推广和应用，最终真正实现中国鑫达整个长期的愿景，就是持续创新与材料科学共同进步，成为改善人类自然生活的一个引领者，谢谢大家。
