阿克伦——众所周知,美国需要在国内建立天然橡胶的替代来源。卡特里娜·科尼什说这事昨天就该发生。
“如果你没有天然橡胶,你就什么都得不到,”科尼什说,他是俄亥俄州立大学生物应急材料的讲座主席和俄亥俄研究学者,在9月13日至15日在阿克伦举行的国际轮胎展览和会议的第一天。
在她题为“橡胶树和合成橡胶的可持续国内替代品”的演讲中,康沃尔强调了美国拥有一种国内天然橡胶的替代来源是多么重要。
全世界每年在5万多种不同产品中使用约1400万吨天然橡胶。她说,如果没有这种关键材料,美国经济和国防将崩溃。
她说,随着今天全球供应链的中断,中国控制着全球约80%的产量,以及树木疾病的风险,在橡胶树作物可能崩溃之前,在中国建立一个可靠的天然橡胶来源比以往任何时候都更重要。
“美国的反应非常激烈,”她说。
阿克伦——众所周知,美国需要在国内建立天然橡胶的替代来源。卡特里娜·科尼什说这事昨天就该发生。
“如果你没有天然橡胶,你就什么都得不到,”科尼什说,他是俄亥俄州立大学生物应急材料的讲座主席和俄亥俄研究学者,在9月13日至15日在阿克伦举行的国际轮胎展览和会议的第一天。
在她题为“橡胶树和合成橡胶的可持续国内替代品”的演讲中,康沃尔强调了美国拥有一种国内天然橡胶的替代来源是多么重要。
全世界每年在5万多种不同产品中使用约1400万吨天然橡胶。她说,如果没有这种关键材料,美国经济和国防将崩溃。
她说,随着今天全球供应链的中断,中国控制着全球约80%的产量,以及树木疾病的风险,在橡胶树作物可能崩溃之前,在中国建立一个可靠的天然橡胶来源比以往任何时候都更重要。
“美国的反应非常激烈,”她说。
尽管由于COVID-19大流行而出现的供应链问题使美国和橡胶行业在材料供应方面更加积极主动,但人们对天然橡胶的紧迫感有所增强。
她说,依赖橡胶树天然橡胶(HNR)的最大挑战之一是橡胶树是单克隆的,因此缺乏生物和地理多样性。
叶枯萎病影响HNR供应的风险太大了。
2020年,全球10%的HNR产量因叶枯萎病而损失。科尼什说,这种叶病“在不到6个月的时间里蔓延到7个国家的50万公顷。”
她补充说,如果这种情况蔓延到东南亚,全球天然橡胶供应可能会严重减少。
康尼什指出,与依赖HNR相关的另一个挑战是,美国人面临着产生乳胶过敏的风险,超过3000万美国人对目前的天然橡胶产品有危及生命的反应。
她说:“这些人的血液中含有IgE(免疫球蛋白E)抗体,以对抗橡胶乳蛋白或残留物。”
在美国,有两种替代天然NR来源的“主要竞争者”:蒲公英(也被称为TKS蒲公英)和沙漠灌木银胶菊,康沃尔指出,后者在美国西南部正变得“非常重要”。
科尼什说:“这是一种沙漠作物,由于科罗拉多河干涸,水资源分配被削减,就像没有明天一样,这是少数几个还能在西南部种植的作物之一。”
康尼什说,用橡胶树、银胶菊和TKS蒲公英这三种植物作为天然橡胶的来源,可以实现生物和地理多样性。
她说:“我们基本上可以在世界任何地方种植(天然橡胶)。”她补充说,这将修正橡胶树作为单克隆作物缺乏生物和地理多样性的问题。
科尼什说:“(关于)银胶菊,它的农学已经被很好地分类了。”
她说,这种灌木的生产“相对成熟”,适合瞄准高端专业市场,并指出普利司通公司开发的费尔斯通火鹰赛车轮胎是用胶胶衍生的天然橡胶(GNR)制成的。
她说,蒲公英为基础的天然橡胶的生产,目前比银胶菊要落后得多,所以该行业的大多数注意力都集中在开发这种材料的生产和纯化上。然而,她补充说,它的性能最像橡胶树天然橡胶。
目前,固特异公司正与美国国防部合作,将蒲公英衍生的天然橡胶引入美国国内市场。
科尼什说:“你当然可以用这两种替代品中的任何一种制造任何橡胶产品。”
美国不仅要取代天然橡胶的生产方式,还要减少橡胶制品的碳足迹。
科尼什说,一种材料要成为可持续的替代品,必须达到几个标准,包括生物基础、生物降解、可升级回收或可回收,或在制造过程中节约能源。
除此之外,她说,可持续材料替代品的可能要求还包括达到或超过产品当前的性能,取代有毒版本,用改进的性能抵消潜在的成本增加。
康尼什说,实现这一目标的目标包括替代加工助剂、废物衍生的填料和天然橡胶的化学改性。
Cornish说俄亥俄州立大学发现液体银胶菊天然橡胶(LGNR)——通过热降解银胶菊天然橡胶乳胶(GNRL)制成——是HNR、GNR和SBR的有效生物处理辅助剂。
她说,与环烷油或大豆油不同,LGNR不会影响产品性能。
“当你使用环烷油时,它既是一种稀释剂,也是一种加工辅助剂,”Cornish说,并指出辅助剂减少了HNR、GNR和SBR中的凝胶组分。
但当使用LGNR作为替代辅助剂时,大部分凝胶组分保持不变。
Cornish说,这也反映在橡胶产品的抗拉强度上。
她说:“在这方面,你不会像使用环烷油或大豆油那样降低(性能)。”
对于HNR和GNR的可持续填料的研究,Cornish说大学使用了一个标准配方,填充量为35微克的炭黑,并稳定地取代了炭黑的重量,直到研究人员最终得到了一种35微克的替代的废物来源填料,如蛋壳、番茄皮、碳飞灰或胶球甘蔗渣,在宏观、微观和纳米尺寸上。
“我们发现,如果你根本没有炭黑,你就会得到非常非常糟糕的性能,”康尼什在谈到宏观和微观尺寸时说。“当你试图100%替换(炭黑)时,那是一个错误。”
但她说,部分替代“将让我们在可持续发展的道路上走得更远,而不必尝试和强迫它达到100%。”
当研究用蛋壳部分替代炭黑作为GNR填料时,Cornish说橡胶的硬度、伸长率和强度都增加了。
她说,研究结果与含有HNR的橡胶制品相似,但变化程度不完全相同。
她补充说:“我们还发现,当我们使用这些替代填料时,我们节省了很多电力。”
Cornish表示,随着研究逐渐取代炭黑作为HNR和GNR的填料,复合材料混合所需的功率更小,GNR复合材料所需的功率比HNR低26%。
"对于像轮胎制造厂这样的大型企业来说,这可以转化为(节省的)大量资金," Cornish说。
她说,虽然试图在宏观和微观层面实现100%替代炭黑填料可能是“一个错误”,但在纳米层面可以实现100%替代。
她说,以蛋壳- gnr复合材料为例,随着纳米级炭黑的完全替换,拉伸强度基本保持稳定,延伸率增加。
然而,她补充说,这种方法的挑战是纳米填充物“非常昂贵”。
“我认为微观是前进的方向,”Cornish说,并指出,在考虑到最终产品的成本和性能时,蛋壳在微观层面上部分替代炭黑是最有前途的整体。
她说,目前大约有30家橡胶公司正在测试使用蛋壳替代部分炭黑,因此该行业“有很大的兴趣”。
Cornish说,GNR还可以通过化学修饰来增加耐油性或改变其机械性能。
她说,当该大学对胶胶衍生橡胶进行环氧化处理时,发现它的耐油性、硬度和预期的湿牵引力比滚动阻力更强,使这种天然橡胶成为一些合成橡胶的可持续替代品。
科尼什说:“从长远来看,这种化学改性将允许我们开始侵蚀某些以石油为基础的合成橡胶占主导地位的市场。”
科尼什从约翰·f·肯尼迪的“我们选择月球”演讲中得到启发,他说,美国必须建立国内替代HNR的方案,“不是因为它容易,而是因为它很难。”
“我们必须这么做。这不是一个选择,”她说。
“我们不能总是被动应对,等橡胶树作物崩溃,然后投入数十亿美元,试图在昨天修复它。”
Cornish表示,美国需要增加替代NR的供应,使其至少能满足该国10%的需求。她继续说,在此基础上,美国可以在紧急情况下迅速建立100%的安全保障。
“如果我们能把人送上月球,我们就能在国内种植橡胶,”她说。
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