生物基材料的案例
開啟生物基材料應用新時代，2019國際生物基材料技術與應用論壇精彩內容介紹！
“2019國際生物基材料技術與應用論壇”將在前三屆的基礎上繼續關注“Green Matters”，布局全產業鏈，誠邀國際知名專家外行業領軍企業，重點聚焦生物基產品（化學品、塑料和纖維等）新技術、新工藝、新應用和新趨勢，推動行業健康、快速發展。
創新應用的生物基復合材料
一艘德國制造的船、一座荷蘭的人行天橋和奧地利的木釘似乎沒有什么共同之處，但它們卻有一個重要的共同點：它們都是由生物復合材料制成的。在歐洲木材和天然纖維復合材料會議上，三位創新獎的獲獎者展示了將傳統復合材料的強度、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復合材料
生物基復合材料是相對于化石基復合材料而言，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，或者與其他材料復合，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臺化合物、生物塑料、功能糖產品、木塑復合材料等，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。其制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，生物基復合材料可分為天然高分子生物基復合材料和合成高分子生物基復合材料。
天然高分子生物基復合材料，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制造的復合材料，以及生物基材料與硅酸鹽材料和玻璃纖維等無機物質制造的復合材料，如木塑復合材料和木基陶瓷復合材料等。
合成高分子生物基復合材料，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，并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。
作為生物基復合材料原料的天然纖維，其成分包括各類纖維素、半纖維素、丹寧等天然多糖，表面是親水的，而生物基復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，由于界面相互作用力弱、易產生缺陷，對形成復合材料不利。
展開 西南大學黃進教授和甘霖副教授提出負泊松比結構力學強化輕質化生物基材料的普適性方法：軸向/徑向控比粘彈性壓縮多孔材料負泊松比結構化
隨著社會各界對于傳統石油基材料廢棄物引發的環境問題日益重視及“限塑令”的實施，傳統石油基材料被具有良好的生物相容性、可降解性、可再生性的生物基材料逐步取代是大勢所趨。生物基氣凝膠、泡沫等輕質化材料作為生物基材料典型代表，具有低原料消耗、廢棄物可資源化優勢，在生物傳感、醫療設備、汽車船舶等領域具有廣泛應用前景。然而，輕質化必將導致本身力學性能不足的生物基材料因密度急劇降低而力學性能進一步大幅降低，因此限制了輕質化生物基材料在各領域的實際應用。因此，為滿足實際應用需求，輕質化生物基材料的物理或化學改性增強成為近年來的研究熱點之一。但是，目前的改性手段均采取引入新物質到生物基材料改性的方式，引入的新物質不但增加了生產成本與難度，也大大增加生產制造過程中的不可控因素，不利于規模化生產；同時改性的增強程度有限，難以實現高性能化；更在單方面加強力學性能時不可避免地對生物相容性、可降解性等其他性能產生不可控的負面影響。
基于以上關鍵科學問題，西南大學黃進教授和甘霖副教授團隊提出了針對輕質化生物基材料構建負泊松比超結構實現力學性能大幅提升強化的普適性方法，即在生物基材料基體內部設計并構建三維負泊松比胞元結構陣列，通過自下而上的負泊松比效應賦予輕質化生物基材料超力學性能。該工作首先設計了功能性強、易調控的內凹多面體胞元結構，然后以典型生物質聚酯—聚丁二酸丁二醇酯（PBS）為原料，采取綠色環保的超臨界流體發泡技術成功制得了輕質化PBS多孔材料，最后在略高于軟化溫度的條件下通過軸向與徑向控比壓縮調控其泊松比，制得了負泊松比可調控的力學超材料—負泊松比PBS材料（PBS-NPR）。
展開 生物基材料在汽車領域全面崛起！PLA纖維、復合材料、尼龍，橡膠、植物皮革
圍繞咖啡豆銀皮、纖維素等天然植物材料，大眾汽車展開了環保皮革的生產制造。更多了解：大眾汽車一線研發Gottschling 博士專訪，生物基材料如何實現在汽車上的創新應用？
大眾途銳 R 插電式混合動力車的真皮座椅由普利亞皮革制成——它們使用橄欖葉提取物進行可持續鞣制。
5.生物基橡膠
目前無論是合成橡膠還是天然橡膠，都面臨著資源不足的難題。合成橡膠以石油等化石資源為原料，在能源、資源與環境都受到嚴重挑戰的今天，以大量不可再生的能源、資源消耗為代價的現代合成橡膠工業，正面臨著嚴峻的考驗。
在合成橡膠方面，歐美發達國家注重傳統橡膠合成單體的生物基化，比如美國固特異(Goodyear)公司利用糖源開發生物基異戊二烯，進而合成出生物基異戊橡膠，最終制備出生物基異戊橡膠輪胎；阿朗新科利用甘蔗渣開發出生物基乙烯，與石油基丙烯共聚合，合成生物基三元乙丙橡膠，其中的生物基原料比例可達70%。
這不僅僅是關于汽車本身是由什么制成的：它所處的位置也會對可持續性產生影響。因此，人們一直在努力提高輪胎的可持續性。米其林一直在 Moto E 自行車錦標賽中試用一種輪胎，該輪胎由 40% 的再生生物基材料制成。未來，這可能會更進一步。
文章來源：TK生物基材料
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展開 
史上最有可能終結PET的材料——生物基塑料 PEF
PEF，中文名稱2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯，英文名稱Polyethylene2,5-furandicarboxylate，結構如下圖所示：
PEF由FDCA(2，5-呋喃二甲酸)和MEG(乙二醇)合成而來，跟普通的聚合物塑料來自于石油基原料不同的是，合成它的兩種原料FDCA和MEG都可以是來自于生物質原料。我們把這種反應原料來自生物質的材料稱為生物基材料，就是常說的生物基塑料PEF材料。
過去生物基PEF生產需要冗長而能量密集的生產工藝，從而阻礙了批量化生產。ETH蘇黎世研究人員現在開發了一種方法，可能會最終使得PEF市場化得到可能。
塑料引發的污染問題越來越嚴重
ETH蘇黎世大學化學和應用生物科學系的一個博士研究生Jan-Georg Rosenboom說：
“聚合物和塑料是非常有用的材料，有著寬范圍的日常應用，很可能是第一位的應用。假如我們沒有發明聚合物，更輕的汽車、智能手機、現代服裝和許多醫療設備都無從談起。問題是，我們如何能減少塑料對環境的負面影響而保持其對于我們社會的好處。”
生物基塑料或將是解決方案
一個答案可能是生物基聚合物，也就是所謂的生物基塑料。這些生物基塑料有著與傳統塑料類似的性質，但是它們是用植物基原材料而不是原油制造的。一些生物基塑料也是生物降解的，可以更好分解。
Massimo Morbidelli的團隊正在研究這種有希望的生物基塑料：聚呋喃二酸乙二醇酯(PEF)。
PEF在化學上非常類似于PET，但是是由100%可再生的林業和農業廢棄物原材料構成的。
PEF瓶使用較少的材料，比PET更輕更穩定，可以使包裝的飲料壽命更長。
盡管PEF不是生物降解的，但是，它除了可以回收外，還可以以環境友好的方式被焚燒，而且沒有額外的CO2排放。
展開 史上最有可能終結PET的材料——生物基塑料 PEF
PEF，中文名稱2，5-呋喃二甲酸乙二醇酯，英文名稱Polyethylene2,5-furandicarboxylate，結構如下圖所示：
PEF由FDCA(2，5-呋喃二甲酸)和MEG(乙二醇)合成而來，跟普通的聚合物塑料來自于石油基原料不同的是，合成它的兩種原料FDCA和MEG都可以是來自于生物質原料。我們把這種反應原料來自生物質的材料稱為生物基材料，就是常說的生物基塑料PEF材料。
過去生物基PEF生產需要冗長而能量密集的生產工藝，從而阻礙了批量化生產。ETH蘇黎世研究人員現在開發了一種方法，可能會最終使得PEF市場化得到可能。
塑料引發的污染問題越來越嚴重
ETH蘇黎世大學化學和應用生物科學系的一個博士研究生Jan-Georg Rosenboom說：
“聚合物和塑料是非常有用的材料，有著寬范圍的日常應用，很可能是第一位的應用。假如我們沒有發明聚合物，更輕的汽車、智能手機、現代服裝和許多醫療設備都無從談起。問題是，我們如何能減少塑料對環境的負面影響而保持其對于我們社會的好處。”
生物基塑料或將是解決方案
一個答案可能是生物基聚合物，也就是所謂的生物基塑料。這些生物基塑料有著與傳統塑料類似的性質，但是它們是用植物基原材料而不是原油制造的。一些生物基塑料也是生物降解的，可以更好分解。
Massimo Morbidelli的團隊正在研究這種有希望的生物基塑料：聚呋喃二酸乙二醇酯(PEF)。
PEF在化學上非常類似于PET，但是是由100%可再生的林業和農業廢棄物原材料構成的。
PEF瓶使用較少的材料，比PET更輕更穩定，可以使包裝的飲料壽命更長。
盡管PEF不是生物降解的，但是，它除了可以回收外，還可以以環境友好的方式被焚燒，而且沒有額外的CO2排放。
展開 中科院寧波材料所劉小青課題組JPS綜述：生物基熱固性樹脂研究進展
近日，劉小青團隊在Journal of Polymer Science上發表綜述“Recent development on bio-based thermosetting resins”，系統地總結了近幾年來兩種代表性的生物基熱固性樹脂（環氧樹脂和苯并噁嗪樹脂）從性能化到功能化的研究進展。
這篇綜述首先介紹了環氧樹脂的常用合成方法，環氧固化劑的特征以及可能的生物基前驅體，并以此通過生物基原材料設計環氧樹脂體系。隨后，對高性能的生物基環氧樹脂的合成策略進行總結，重點列舉了將生物基原料進行偶聯、縮合、及官能團轉化以達到超越石油基對應物性能的成功實例。隨著近幾年生物基環氧樹脂的發展，借助生物基化合物的本征性質，一些樹脂還被應用于防腐、抗菌等領域，并簡單概括了其設計思路與實際應用的聯系。
圖1：部分生物基環氧樹脂的合成策略
苯并噁嗪樹脂是一種由Mannich縮合反應得到的新型酚醛樹脂。由于該反應需要酚類、胺類和醛類來引發，因此，自然界中含有這些基團的化學品都是潛在的原料。為了得到高性能的生物基苯并噁嗪樹脂，修飾單體結構及改善聚合物內在的氫鍵體系至關重要。目前，部分研究已經很好地解決苯并噁嗪樹脂脆性、高固化溫度和低加工性的缺點。引入含氫鍵供受體的結構或填料也成功地用于調整聚合物的氫鍵作用。此外，功能化的苯并噁嗪材料也成功地應用于油水分離及儲能器件。
圖2：部分生物基苯并噁嗪樹脂的合成及單體結構
最后，作者討論了下一代生物基熱固性樹脂的要求。由于現有的一些生物基材料的合成和使用仍然存在著諸多缺點，比如石化品使用、耐久性低、毒性和不可回收性等。
展開 Sci.》綜述：生物基聚酯的綜述與展望
另外，在該綜述中，引入了生物基聚酯彈性體的介紹，包括了生物基熱塑性聚酯彈性體和生物基熱固性聚酯彈性體。總的來說，該綜述以生物基聚酯的分子結構設計理念、結構和性能關系、潛在應用前景展開討論，旨在對聚酯領域的老師和學生科研有幫助，對聚酯行業的工程技術人員有幫助，對生物基材料領域科研人員有幫助，最終對生物基聚酯行業的發展做出一定的貢獻。
圖1. 生物基聚酯：塑料與彈性體
北京化工大學先進彈性體材料研究中心（CAEM）從2003年開始致力于聚酯彈性體材料的研究，先后圍繞生物醫用聚酯彈性體材料、生物基聚酯工程彈性體材料、可降解聚酯材料開展了大量的原創性工作。當前，已申請專利29項，授權10項，同時在Progress in Polymer Science, Macromolecules, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Biomacromolecules等高水平期刊上發表SCI論文41篇。
通過分子結構創新，該研究團隊已陸續開發了面向耐油橡膠制品、可降解輪胎、可降解鞋子、可降解口香糖、可降解骨蠟、聚乳酸增韌劑、PVC增塑劑、全生物基可降解TPV等多個應用領域的生物基聚酯彈性體品種，并完成了生物基聚酯彈性體產品BEPE的中試生產試驗，為推動我國生物基聚酯行業、生物基橡膠行業的可持續發展做出了重要的貢獻。該原創的生物基聚酯彈性體材料于2021年3月通過了中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定，被評定為國際領先水平。
圖2.
展開 中科院開發出新的生物基環氧樹脂
本報訊 近日，中科院寧波材料研究所生物基高分子材料研究團隊以衣康酸起始原料，合成了一種生物基環氧樹脂。該樹脂室溫黏度低、環氧值高于0.62，合成過程簡單，經固化后各項性能指標達到或優于現有結構相似的石油基環氧樹脂，且價格低廉，具有很好的應用前景。
據了解，衣康酸又名亞甲基丁二酸，是一種重要的生物基原料，可由生物發酵技術制備得到。由于具有廣闊的應用前景，且價格較低，該樹脂已被美國能源部評選為最具市場潛力的12種生物基平臺化合物之一。
生物基高分子材料以是當前高分子材料的一個重要發展方向，具有重要的實際價值和廣闊的發展空間。目前，有關生物基塑料的研究主要局限于淀粉塑料、纖維素基材料、聚乳酸（PLA）、聚3-羥基丁酸酯/3-羥基戊酸酯共聚物（PHBV）等天然高分子或熱塑性材料，熱固性生物基樹脂的研究相對較少。（仲科）樹脂價格表 https://www.hongyantu.com/index.php?r=landing/index&id=szjgb
展開 生物基材料或是突破口
PA11是一種100%的生物基聚合物，完全符合綠色戰略，有助于實現企業社會責任目標"。
關于尼龍的全球使用，FICEP S3公司的Nuno Neves的觀點更加犀利：“解決方案不是停止制造和使用石油基塑料，而是以更明智的方式使用它們，正確地回收它們，并停止認為那些所謂的附上“生物”標簽的就是好的代名詞，事實上它遠不止表面上那么簡單。”
對比這兩種觀點，很明顯，在使用尼龍方面，增材制造行業走在了正確的道路上。然而，正如Neves所說，要使 "生物環保"成為積極因素，實現對環境影響更小的可持續制造，還有很長的路要走。
文章來源：南極熊3D打印
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PA11是一種100%的生物基聚合物，完全符合綠色戰略，有助于實現企業社會責任目標"。
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對比這兩種觀點，很明顯，在使用尼龍方面，增材制造行業走在了正確的道路上。然而，正如Neves所說，要使 "生物環保"成為積極因素，實現對環境影響更小的可持續制造，還有很長的路要走。
展開 
中科院寧波材料所劉小青團隊《ACS Nano》：在樹脂基碳材料制備上取得新進展
生物基高分子材料具有節約石化資源和保護環境的雙重功效，是當前學術界和產業界同時追逐的熱點之一。但是目前的研究和開發工作主要集中于熱塑性材料，對于生物基熱固性樹脂的研究則相對較少。和石油基熱固性樹脂一樣，生物基熱固性樹脂在固化交聯之后，同樣面臨著難降解、難回收的問題，如何實現其全壽命周期綠色化以及可持續發展具有重要的意義。
中科院寧波材料所劉小青研究員基于自己多年的生物基熱固性樹脂研究經驗（Progress in Polymer Science, 2021,113,101353），提出開發生物基材料的本質是為了實現對生物碳的高效利用。為了實現生物基熱固性樹脂在使用之后的再次高附加值利用，他們嘗試著利用激光燒蝕的方法，將高性能生物基熱固性樹脂轉化為功能性碳材料（Carbon, 2020, 163, 85-94；Carbon, 2021, 183, 600-611），擬完成從“生物碳”到“生物基樹脂”再到“功能化碳”的閉環轉化。
近日，受自然界中具有極高太陽光利用效率的針葉森林結構啟發，該團隊通過碳材料多級結構調控，構建了一種由多孔石墨烯“樹”密排列成的三維石墨烯薄膜（Forest-like LIG）。這種獨特的多級結構使得入射光在“樹”之間以及“樹枝”之間進行多次反射，顯著減小了石墨烯的光反射。結合石墨烯本身的光熱特性，Forest-like LIG在太陽光全波長范圍內表現出優異的吸光率（平均吸光度達到99%）和光熱轉換性能（在一個太陽光強度的氙燈照射下平衡溫度達到90.7 ± 0.4 °C）。
圖1.
展開 幾種改性生物基塑料在汽車上的應用
一是材料種類單一,產能不足,加工工藝尚不成熟；二是材料成本高,綜合性能較差,難以全面替代石油基塑料；三是生物基塑料主要應用在包裝材料?餐飲具?農業等較低端領域,汽車電子領域的應用亟待突破；四是國內的環保理念不成熟,國家政策扶持力度小,成本問題讓很多企業無法投入更多的研發,市場占有率低,企業基本處于虧損狀態,且惡性循環；五是生物基塑料的可降解特性導致其熱穩定性較差,高溫條件下力學性能會下降,使用壽命和降解不可控問題是難點。
因此,生物基可降解塑料未來在汽車行業的發展方向,一是開發低成本?高性能的生物基材料；二是開發達到汽車行業應用性能要求生物基復合材料,推廣應用并擴大市場規模；三是采用生物基纖維或無機長纖維對生物基可降解塑料進行改性,進一步改善生物基塑料的綜合性能,推動其在汽車領域的應用。
來源：期刊—現代塑料加工應用
周英輝1,2 陳勝杰1 雷亮1 李建波2 任杰2
(1.金發科技股份有限公司；
2.同濟大學材料科學與工程學院納米與生物高分子材料研究所)
展開 長春工業大學高光輝：生物基水凝膠傳感器，用于測量具有穩定附著力和超高韌性的人體運動
（a，b）與具有不同初始成分的水凝膠有關的流變應變掃描和頻率掃描；（c）紅外掃描光譜法涉及兩種不同的生物基材料，即SC和CC以及它們的混合物；（d–f）PAAM-SC水凝膠，PAAM-CC水凝膠和PAAM-SC-CC水凝膠的SEM圖像。
圖
6.
（a）不同水凝膠伸長率的LED亮度變化和恢復；（b）不同水凝膠組分的各種離子電導率；（c）電阻率隨拉伸應變的變化而變化；（d，e）PAAM-SC-CC水凝膠在不同應變（1和10、20、30、40、50和100、200、300、400和500％）拉伸循環條件下的電性能;（f）在應變變化下水凝膠樣品的電阻響應時間和恢復時間；（g）在50％應變下將PAAM-SC-CC水凝膠連續拉伸500個循環時觀察到的電阻變化率，以及（h）從500到800 s的詳細圖表；（i）比較本作品與當代作品之間的反應時間
。
圖
7.
（a）E.C.G. 在PAAM-SC-CC水凝膠作為導電通道的情況下進行信號測試；可以跟蹤和改變水凝膠的阻力變化，以響應人體相應的動作：（b）說“ A”和“謝謝”，（c）手指彎曲不同的角度，（d）咳嗽，（e ）微笑和大笑；（f）手腕彎曲；（g）手腕擺動速度不同；（h）志愿者在地面上漫步。
參考文獻
：
doi.org/10.1021/acsami.1c05098
版權聲明
：「
高分子材料科學
」公眾號旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
展開 保時捷通過創新規模化生產生物基復合材料
在賽車上使用天然纖維代替碳纖維作為增強材料，揭示了應用和材料選擇之間的關系。車門作為車身部件，以及尾翼作為動態加載部件，顯示了不同載荷的案例。這些部件達到的標準，幾乎與同等重量的碳纖維增強塑料部件所達到的標準相同。https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48028.html
為實現上述標準，對模具的幾何形狀進行了調整，并使用了具備特殊性能的可再生原材料。 Balsa木被成功地用作車門的夾心芯材。這與碳纖維增強塑料制成的同類部件相比，纖維含量減少了25％，并且還可獲得相同的彎曲強度。對于尾翼，利用了晶格結構（PowerRips?），因此節省了層，并且在使用中仍然可以承受300kg的高負荷。車門用樹脂傳遞模塑工藝制成，而尾翼則采用熱壓罐工藝制造。
主要優點：https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48022.html
1. 使賽車零部件具備可持續性
2. 可使用傳統的RTM系統在汽車工業中大規模生產天然纖維增強塑料部件
3. 與碳纖維增強塑料相比，易于回收利用
通過調整工藝和修改模具，可以通過一系列兼容工藝來加工天然纖維，盡管它們性質具備天然的差異。例如，已成功解決了在RTM工藝下，無縫輕木芯作為芯材的問題。這些部件已通過傳統的系列化生產工藝進行小規模生產，并且已經應用于700輛車上，并展示了天然纖維增強塑料材料的應用潛力。https://www.hongyantu.com/goodlist/sz/48017.html
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