創新應用的生物基複合材料
前言
一艘德國製造的船、一座荷蘭的人行天橋和奧地利的木釘似乎沒有什麼共同之處，但它們卻有一個重要的共同 點：它們都是由生物複合材料製成的。在歐洲木材和天然纖維複合材料會議上，三位創新獎的獲獎者展示了將 傳統複合材料的強度、耐用性、輕量化與天然可再生資源的環境效益相結合的優勢。
可持續發展的生物基複合材料 生物基複合材料是相對於化石基複合材料而言，是指利用可再生資源（動物、植物和微生物）為原料，通過生物、 化學以及物理等方法，或者與其他材料複合，在宏觀上組成具有新性能的材料。
生物基材料包括生物基平台化合物、生物塑料、功能糖產品、木塑複合材料等，它具有傳統高分子材料不具備 的綠色、環境友好、原料可再生以及可生物降解的特性。其製品既包括日常生活中經常能見到的生活用品，如 包裝材料、一次性日用品等，也包括技術含量高、附加值高的藥物控制釋放材料和骨固定材料及人體組織修復 材料等生物醫用材料等。
按可再生資源的利用方式，生物基複合材料可分為天然高分子生物基複合材料和合成高分子生物基複合材料。 天然高分子生物基複合材料，直接利用可再生資源的高分子材料，即生物基材料與生物基材料、生物基材料與廢舊高分子材料等製造的複合材料，以及生物基材料與硅酸鹽材料和玻璃纖維等無機物質製造的複合材料， 如木塑複合材料和木基陶瓷複合材料等。
合成高分子生物基複合材料，間接利用可再生資源，通過化學、生物化學的方法將可再生資源轉化為低分 子量的化合物單體，並進一步加工成可降解高分子材料、功能高分子材料、生物基膠黏劑等，如蛋白類膠 黏劑、聚乳酸和生物聚乙烯等。
作為生物基複合材料原料的天然纖維，其成分包括各類纖維素、半纖維素、丹寧等天然多醣，表面是親水 的，而生物基複合材料另外一大類原料為有機合成高分子樹脂，是表面疏水的。兩者的表面性能差異巨大， 由於界面相互作用力弱、易產生缺陷，對形成複合材料不利。用這兩類原料生產複合材料，可以通過對纖 維和樹脂進行改性，提高界面之間的相互作用力的方法改善複合材料的性能。但複合材料界面性能有所改 善後，衝擊等性能有所下降，而且並沒有在多種改性處理方法中找到最好的解決辦法。
生物基材料來源於自然界中動、植物以及微生物資源，它們是取之不盡、用之不竭的可再生資源，已成為 最有希望大規模替代石油資源，實現資源可持續性利用的新興材料之一。生物基複合材料用量的增加有助 於降低對石油類不可再生資源持續增長的需求，能夠實現環境和資源的可持續發展。
根據 PRESCIENT STRATEGIC INTELLIGENCE 網最新市場預測，2017 年全球生物複合材料市場價值達 41.672億美元，預計到2023年將達到84.743億美元，預測期內的複合年增長率為12.8%。市場增長受到 諸如汽車行業對綠色複合材料需求增加和天然複合材料對環境影響較小等因素的推動。
綠色航行
GreenBente24號船的特性包括生物複合材料中亞麻纖維的剛度、抗衝擊性和耐磨性等特性，而軟木有助 於提供輕質和防水性能。 Friedrich Johann Deimann 創立了 GreenBoats 公司，並開發了玻璃纖維和苯乙 烯基聚酯樹脂的替代品，這些樹脂通常用於造船。他在亞麻纖維、軟木和生物基（亞麻籽油）環氧樹脂中 發現了環保、可行的替代品。
GreenBente24帆船採用80%可再生材料製成，並採用真空灌注。亞麻纖維提供剛度、減震、抗衝擊和耐 磨性，而輕質軟木則增加了防水性。其結果是這艘船在受損後不會發生斷裂，不會向水中釋放有毒物質， 也不會讓水進入船體的複合夾層核心。 Deimann補充道：“這些產品最後的觸感非常好。”亞麻基複合材 料的強度和剛度略小於玻璃纖維層壓板。但是亞麻纖維的密度只有玻璃纖維的一半，所以綠色船隻的重量 要少100磅。可再生生物材料對環境也更有利，因為它們可以在很少的二氧化碳排放的情況下進行收穫及 加工。
雖然GreenBente24比用環氧樹脂製成的類似高端遊艇價格貴了15%到20%，但客戶需求穩定。 “第一批 客戶已經在德國的海洋和湖泊上愉快地航行了。”Deimann說。其為船隻開發的生物複合材料也被用於在 歐洲生產旅行拖車。
通往未來的人行天橋
這座46英尺長的人行天橋完全由大麻和亞麻等生物複合材料製成，每平方英尺可承載102磅重量。荷蘭埃 因霍溫理工大學擁有世界上第一座完全由生物複合材料建造的人行天橋。這座46英尺長的橋是由一個包括 幾所地區大學和復合材料製造商組成的聯盟NPSP共同建造的。這座橋重約3300磅，每平方英尺可承重 102磅。其生物複合材料包括麻纖維和亞麻纖維。埃因霍溫大學創新結構設計教授Patrick teuffer表示：“我 們的想法是，亞麻纖維能夠滿足此類橋樑的機械要求。”纖維也很容易從項目的工業合作夥伴那裡獲得。
為了製造橋樑，大麻和亞麻纖維被嵌入聚乳酸（PLA）泡沫芯層夾層內，再用真空注射工藝注入生物樹脂。 該橋於2016年10月安裝在溪流上，橋上還包括28個傳感器，可以持續測量其強度、剛度和變形（蠕變行 為）。大學的工作人員也在實驗室裡測試橋樑材料的性能。 “關於這種生物材料長期表現將如何還沒有太 多的經驗。”Teuffel說，“如果你真的打算讓這類項目持續10年、20年甚至60年，就必須確定一個不應 超過的壓力水平，以避免出現蠕變問題。”該團隊已經獲得了建造一個小型生物複合材料館的撥款，並希 望今年在埃因霍溫再建一座橋。 “我相信在未來會有更多的應用。”Teuffel說。
木頭製成的釘子
用於氣動釘槍的LignoLoc木質排釘，由高密度山毛櫸木材壓制，並採用酚醛樹脂壓縮而成。 木釘是世界上最古老的緊固件之一，但奧地利的貝克緊固件集團利用其LignoLoc®整理木釘在產品上進行 了非常現代的創新。無頭釘子由直的、高密度的本土山毛櫸木製成，以酚醛樹脂壓縮，得到的木釘拉伸強 度與鋁釘相似。使用一把特製的釘槍可將釘子釘入木頭。
在北美銷售貝克產品的FASCO美國公司產品銷售經理Chad M. Giese說，木質素釘子的一個優勢是沒有熱 傳遞。 “它們只與它們固定的材料一樣具有導電性。”他說，“金屬釘從建築物內部向外部傳遞冷熱，反 之亦然——這會產生冷凝，從而導致釘子周圍腐爛。”
此外，木質素釘子可以打磨或切割，而不會損壞施工過程中使用的任何鑽頭或鋸子。而且，將釘子釘入木 頭會產生“木質素焊接”，當釘子摩擦產生的熱量融化木質素時，就會形成一種化學鍵。木質素是一種存 在於木材細胞壁中的有機聚合物。 LignoLoc釘子已被用於緊固交叉層壓木材以及生態家具和高端綠色建築 的生產。木托盤製造商是另一個潛在的市場，因為他們可以在使用後粉碎其產品而無需提前去除金屬。 ■