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可再生材料創新

歐愛設計 顧秋健     譯   《 RENEWABLE RAW MATERIALS —— the trend of innovation in BMW 》

汽車產品中的可再生材料
        天然的纖維材料相對于人工合成纖維表現出很強的替代性:天然的纖維材料有著優異的機械性能,輕質而穩定,同時使用者可以減輕環境污染;所以只要在技術、環保和經濟是可行的,寶馬汽車公司就竭盡全力地使用天然纖維和其它天然制品。
        包括金屬、塑料和玻璃這些汽車制造商最常用的材料,寶馬公司還在其汽車產品中廣泛使用了可再生材料。除天然纖維外,還包括天然皮革、天然橡膠和植物油。如寶馬7系中包含了24公斤的可再生利用材料,其中13公斤以上是天然纖維材料。

(BMW 寶馬7系 )

可持續理念作為導向原則被牢固樹立
        有意識地在汽車產品中使用可再生材料僅僅是做好供需管理和資源保護的方法之一。寶馬研發團隊敏銳地意識到他在資源和環境保護方面的責任。這在寶馬公司管理層通過的決議中被重申:“可持續已成為經濟和社會發展的中心模式,就如同市場效力和政治因素的相互作用。寶馬公司將繼續把可持續發展作為公司發展歷程中的指導性原則!睂Σ牧、過程和產品的綜合思考成為在評估個體方案的基本原則。只有當全部有利的因素和不利的因素被權衡之后才可能提出最優解決方案。采納使用可再生利用材料也正如此。

天然資源中的高級原料
        除了提供食物以外,可再生材料的栽培從很早以前就已經作為農業產業的主要任務之一?稍偕牧媳徽蕉x為:“從農林業產出而不作為食物用途的產品”。從木材、纖維、顏料到柴油、汽油和藥材,許多重要的高級原料都來源于大自然。正是技術的發展,現在這些產品的種類不計其數。油料作物在工業產品中的運用卻是一片空白,遠落后于淀粉類作物。另外農作物可以作為纖維的原料,很多草本植物為臨床藥物的制造提供了大量原料。農作物甚至可以成為礦物材料的替代品。
        除了皮革制品在汽車內飾方面的使用和天然橡膠在輪胎上的使用,天然纖維作為具有吸引力的材料在汽車工業中受到親賴。例如在寶馬7系中亞麻和劍麻在車門內襯材料中使用,棉纖維混合在隔音材料中,木纖維在內飾中使用,它用來包裹汽車座椅的靠背。

在自然進化過程中優化
        植物纖維主要由纖維素組成;如果從莖部提取,主要是內層皮質纖維。這一家族中最重要的包括亞麻、大麻、黃麻和洋麻。相比之下,所謂的硬纖維主要從葉肉、葉柄和植物果實中提取,如劍麻和椰子果實纖維。而木材也是纖維產品的重要原料。
        在汽車工業中這些纖維不是以原始形態使用,而是和其他成分混合以達到合適的材料特性。這些材料就是所謂的復合材料,其中的纖維以高分子矩陣形態存在。
        在復合材料制成的產品中,很多天然纖維有能力與玻璃纖維競爭—它們畢竟已經經過大自然百萬年以上的優化。天然纖維顯示出優異的機械性能,與玻璃纖維相比,它們具有很高的拉伸強度、耐久性和剛度,易加工,質量輕。由于矩陣結構通常由較低拉伸強度的特征組成,所以它們最理想被作為增強性復合材料 ,而且更柔軟。這樣一來,纖維和矩陣特性方面都是極佳的。

可再生更新不一定等同于可回收
        可再生材料經常被引入到關于汽車報廢回收的討論中,因為“可再生”通常被等同于“可降解”。但原則上,可再生材料和汽車回收最大化的努力之間的聯系是表面的。天然纖維的使用不是代表可回收的理念。從技術因素來講,對于汽車產品而言事實上是要防止作物纖維降解(腐蝕)。在任何氣候條件下,在汽車的整個使用壽命期內,完全有必要確保全車所有部件的長期穩定性。這也就是為什么現在纖維要附上特殊的塑料粘合劑。粘合劑包裹著纖維表面隔離潮氣和微生物,防止天然纖維的腐蝕。

輕型工程材料的潛勢
        纖維類復合材料在輕型工程材料中占有很高的比例。很少的限制條件使得纖維和基體 材料混合物的期望特性可以通過產品的不同制造方法實現,這使得纖維復合材料能適用于各種不同類型的部件,F在有可能制造出纖維復合材料部件,它的重量要比等效的注塑零件輕到40%。鑒于資源的匱乏,無論是在生態還是技術方面,使用天然纖維提供了一種獨特極佳的解決方法。

農業與汽車工業的合作
        在汽車產品中使用可再生材料在BMW公司決不是一個最近的想法。公司以研究植物纖維的運用項目在這方面的投資從90年代初就開始了。在當時巴伐利亞農業部和一個亞麻處理專家投入到這一項目,該項目由寶馬公司和一個合作企業還有一個非紡織制品制造商共同實施。這一工程的背景是歐盟關于剩余糧食轉化為其他產品的政策。該地區的人們需要在他們的土地一邊保留一定比例的土地種植作物就可以獲得適當補償作為回報。為了解決栽培問題,就可以被允許用這部分土地種植可再生材料。這些努力促進了可出售的可再生材料的生產。盡管工業原先被迫引入必需的纖維如進口的亞麻,但現在大部分的纖維由國內的農業部門提供。
        BMW公司也是那非盈利組織“C.A.R.M.E.N”的成員之一。這德語首字母的縮寫代表“土生可再生材料營銷和發展中心”。這個組織把促進研發部門使用本地可再生材料作為自身的使命。專家估計其間每年德國汽車工業對天然纖維的需求量將高達45000噸。在2004年,寶馬公司在制造其汽車中消耗了10000噸天然纖維。

從作物到部件
        天然纖維加固部件是如何制造的呢?基本上和制造包含人造纖維的零部件方法一樣。最初供應者供應天然纖維,通常是亞麻,用來制造非紡織制品或者甚至是纖維網格物。為了這樣,成捆的纖維材料被分開,單獨的制成網格物。幾層材料可以根據所需的厚度疊加或切削。
        如果熱塑性纖維還沒被處理或者熔入非紡織制品中,下一步包括將織物浸入含有基體材料或粘合劑的材料中。后者由很多原料組成,從丙烯酸鹽到苯酚,直到聚氨脂,而且將來有可能是生物高聚物。所有這些“甲基塑料”材料有一個共同的特性:通過熱反應或者以兩種反應物形式,它們能夠形成以網狀形式存在的長鏈分子,網狀物與增強纖維結合。引入額外的粘合劑供應商的措施增強了纖維和粘合劑(基體材料)之間的結合力。

成型
        這由熱塑性纖維或者滲入樹脂混合的聚合物被置入成型工具中,材料在中間190℃的高壓下被擠壓制成期望的部件形態。當部件冷卻后,就變硬了。壓模打開后,部件從其中取出,然后就沖孔或其它需要的附件被壓制上去。運用現代產品技術,現在制造這類的基本零件花不了一分鐘。

天然材料的優勢
        為了保持企業的持續發展廣泛途徑,BMW公司一貫采納將生態、經濟和社會統籌考慮的全面的觀點?稍偕牧显谄嚠a品中的使用具有很多的優點:
        技術貢獻:天然增強纖維部件已經在實踐中被證明的技術優勢:材料輕卻具有良好的機械和聲學特性,顯示出突出的阻尼能力,不易破碎,在碰撞中效果佳。另外,對模具的磨損小,以多種形式處理加工。
        經濟貢獻:在系列產品的使用過程中,已經被證實的不可反駁的優勢?稍偕牧蟽r廉物美,尤其是高技術收割和處理方法被采用時。這也增加了農業的收入。
        社會貢獻:最重要的特征就是社會貢獻:可再生材料是對二氧化碳排放和能源消耗有積極影響的可再生資源。在作物生長周期中,它凝聚空氣中分離出的以二氧化碳形式出現的碳。在第一例中,作物對減少溫室效應有益。當汽車在其使用期末報廢時,廢物不超過作物吸收的原始量。這是一個閉環過程。
        當然處理作物和制造部件時需要額外能量?傊,可再生材料的能量和二氧化碳平衡遠遠優于對應的人工纖維,尤其是這些復合材料的減重能力開拓后。一個明顯的益處,從播種到形成天然纖維織物所需的能量總計僅為制造玻璃纖維織物所需能量的五分之一。同時如車門內部的裝飾面板這些部件的重量可以減輕。這樣一來在汽車的生命周期內省油,進一步減少了能量消耗和二氧化碳排放。

再循環
        天然纖維增強復合材料制成的部件在汽車報廢之后仍然可以被使用:例如作為發電廠或其它工業植物的能量來源。以上的程序與玻璃纖維類復合材料的燃燒相比,很大程度上二氧化碳含量平衡的,并且產生極少的廢渣。
        盡管有這些有利條件,但仍存在與歐盟關于汽車報廢回收標準(2000/53/EC)的目標沖突。這個標準使很少一部分材料能作為能量源使用。到目前為止,報廢件必須回收,也就是說廢料必須被再利用。但是再利用廢料制成新產品需要大量的能量,承擔相當大的成本,所以在經濟和生態方面可行性都不好。備選方案就是回收廢料制成新材料:例如通過處理,有可能從中萃取甲醇。在這樣的情況下,這些回收要求可能迫使汽車設計者轉向其它材料,具有更輕的工程材料特性,能量轉化方面更具平衡性。
        經濟貢獻:在系列產品的使用過程中,已經被證實的不可反駁的優勢?稍偕牧蟽r廉物美,尤其是高技術收割和處理方法被采用時。這也增加了農業的收入。

未來的前景
        和任何有機的產品一樣,天然纖維根據其栽培地域、氣候條件和季節變化而顯示出十分多樣的特性。所以要確保成分的質量仍需要一貫高度精湛的加工技術,以之來保證把誤差降到最低程度。寶馬公司一直致力于開發可行的發展潛能。
        為了促進回收過程,在制造部件過程的任何時候盡可能地使用一種材料是很有用的。這就避免了分解過程中昂貴的分離程序。在天然纖維增強不見上,還有相當多的改進工作要做。
        天然纖維更恰當的剪裁以適應它的使用,處理就更方便一點,它們的優點就會更大程度地體現出來。天然纖維制成的原料仍由紡織工業制造;只有很少一部分使用在汽車產品上。如果那些汽車工業需要的纖維可以被更精心地培育,更好地生長,特殊要求的處理,這些可再生材料的特性差異可以被進一步優化。尤其會使作為增強材料的天然纖維的潛能優勢被充分的開發:更薄的壁,更輕的部件,強度上無懈可擊。
        到現在,天然纖維通常和塑料基體材料一起被使用。隨著發展,基體材料可能由天然基礎材料制成。迄今為止,這僅在實驗室程度上實現,所以系列產品的成本還太高。為了減少成本,寶馬公司正致力于優化最初的研發結果。
        盡管壓制技術是現在可再生原材料最普遍使用的技術,備選方案的使用,如注射成型,在將來也可行。另外,結合不同的纖維將有利于達到復合材料的更佳的綜合性能。
        汽車制造商,零件供應商和科研機構正緊密配合,更好地利用可再生材料的潛能,擴大它的潛在運用領域。典型公司之一是“天然纖維增強高分子材料”工作團隊,他們的目標是擴大,加速這類高分子材料的應用。
        一個完整無損的環境對于下一代的經濟和社會繁榮是個前提條件。所以可持續也成為寶馬公司信守的一個指導性原則?稍偕牧嫌欣诒Wo和保持自然資源:它們的二氧化碳平衡是徹底的,處理這些材料的費用與對應的人工纖維相比更低。所以汽車產品中可再生原料的使用必須盡可能的擴大到 持續發展經濟所需求的最大程度。

 

 
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