绿色复合材料从绿色环保和可持续发展的要求出发,以可再生生物质资源为原材料,符合“碳中和”的发展目标。
“十四五”时期,我国复合材料朝着关键技术自主研发以及提升资源利用可持续,低碳环保的绿色复合材料产业方向发展,国家层面也开始发布细化政策从竹、秸秆、绿色树脂等可再生原料布局关键复合技术攻关,不断优化绿色复合材料产业链结构。
当前,绿色复合材料在全球范围内的研究、开发和应用已逐渐成为材料科学和材料技术发展的一种趋势,在材料设计、原材料提取、制造加工、产品使用、回收再生以及产业化等方面取得重要进展,且广泛应用于多个行业,包括建筑、汽车、电子、包装、航空航天等。
根据相关数据显示,2022年全球绿色复合材料市场销售额达到了106.5亿美元,预计到2029年将达到190亿美元,年复合增长率为9.3%。
2024年,复合材料呈现出十大创新趋势,如高性能树脂和粘合剂、碳纤维、轻量化、先进聚合物复合材料、生物材料、纳米复合材料、智能金属复合材料、增材制造、智能设计与制造、循环材料经济等,这些趋势揭示了绿色复合材料在未来复合材料发展中的重要地位。
高性能树脂和粘合剂
生物基树脂在绿色复合材料中的应用主要体现在其环境友好性和可持续性上,通过使用生物基原料,如木质素、植物油等来制备环氧树脂。
在实际应用中,生物基环氧树脂已经被应用于多个领域,原料可以是秸秆等农业废弃物,通过炼制出木质素制备出生物树脂,加工成碳纤维复合材料,适用于氢能汽车的储氢瓶等,为绿色化学和环保技术的发展提供了新的路径。
轻量化
常用的植物纤维主要有麻纤维、竹纤维、纤维素纤维等。植物纤维比重轻,可制成轻质结构材料。玻璃纤维的密度为2.6g/cm3,而木纤维及植物纤维的密度为1.5~1.6g/cm3,使用植物纤维复合材料对实现车辆轻量化有实际意义。
生物材料
生物复合材料主要用于修复及替换人体组织、器官或增进其功能,还被用于工业包装、绿色涂料、粘合剂、吸附剂和絮凝剂等实际工程应用中。当前,PLA复合材料被广泛应用于药物传输、组织工程以及生物植入物等方面;PHA复合材料可用于生产医用植入材料、支架材料、手术缝线以及可控药物缓释载体等。
纳米复合材料
生物基纳米复合材料是一类由生物基聚合物和纳米级材料组成的复合材料,具有多种优异的性能和广泛的应用前景。这些材料在生物医学、食品包装、储能设备等领域中表现出色。多糖基纳米复合材料由多糖和多功能无机纳米颗粒组成,具有良好的生物相容性和抗菌活性,是新一代生物质基纳米复合材料的代表。
MXene是一种二维纳米材料,与生物质材料如细菌纳米纤维素(BC)结合后,可以用于储能器件的优化改性。MXene复合生物质基纳米材料在储能领域中的应用逐渐成为研究热点,其优异的电化学性能使其在超级电容器等高价值应用中具有巨大潜力。
增材制造
使用传统方法制造复杂的复合结构非常困难且耗时。3D打印通过精确的逐层沉积复合材料克服了这一问题,从而可以创建复杂的定制结构。
光华伟业推出了熔融挤出类聚乳酸系列材料和聚乳酸基光固化系列树脂材料,这些材料在全球范围内享有盛誉,此外还研发了多种改性PLA材料,如增韧PLA材料、难燃PLA材料以及含有碳纳米管的PLA复合材料。公司目前在3D打印聚乳酸复合材料领域通过持续的技术创新和市场拓展,已经形成了较为完整的产业链和产品体系,成为该领域的领军企业之一。
循环材料经济
可拆卸结构的可回收复合材料可以在产品生命周期结束时有效分离和回收组成材料。此外,化学回收或热解可将复合材料分解成其组成成分,以便进一步重复使用或重新利用。循环复合材料解决了报废材料废弃物的挑战,向更可持续的经济转型。
技术创新是推动绿色复合材料产业发展的重要因素之一,当前绿色复合材料在核心技术层面还是普遍存在原料来源不确定性大、复合工艺不成熟、界面相容性差、产品成本高、结构设计与回收难度大等一系列技术难题。
从上游原料到下游产品生命终端的全产业链行业伙伴应该联合起来突破技术与高端应用的卡脖子问题,重点拓展原材料供应链,开发新型高效低成本的复合工艺、成型制造以及复合材料改性技术,同时扩大绿色复合材料的应用范围,提高绿色复合材料的性能和质量,降低成本,实现产品的多规格化和多功能化,推动绿色复合材料产业快速转型升级。
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