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PIN无卤阻燃改性材料在交通行业中的应用-交通领域的创新和未来趋势

发表于 2023-12-07交通运输 2023

欧盟发布的绿色新政制定了欧洲新的发展路线图,其目标是,使欧洲至 2050 年成为第一个实现气候中性的洲。绿色新政将推出一系列广泛而深远的新政策和新条例,并得到新冠疫情后大量经济恢复资金的支持。

多个经济部门将受到此新政的影响,尤其是交通运输行业,但也包括农业和建筑业以及纺织品、化学品和塑料等工业部门。1

实现可持续和智能交通是《绿色新政》路线图的一个关键目标。

如何达到这一目标 2?

  • 增加铁路和内陆水路的运输能力
  • 减少轿车和货车的 CO2 排放量
  • 减少空气污染物的排放量
  • 使用锂离子电池或燃料电池等新能源

为了扩大燃料电池作为动力源的应用,以及为了实现气候中性,2020 年 7 月,欧盟发布了一个专门的绿色氢能路线图 3。

化学品和塑料工业的焦点是控制温室气体排放,减少水资源和能源消耗,最大限度减少原材料的使用。已经建立了一个欧洲关键原材料清单,这将促进这些原材料的循环利用比例。

另外,化学品和塑料工业负责其产品的毒性控制和产品生命周期结束后的处理。

1. 交通行业趋势

1.1. 汽车

欧盟绿色新政将取得的成果之一,在 2013 - 2025 年期间,汽车 CO2 排放量将减少 47%。这意味着欧盟不仅将引入大量的 xEV 汽车(包括电池电动汽车、混合动力电动汽车和插电式混合动力电动汽车。据估计,2030 年,欧盟的 xEV 汽车销售量将占全球此类汽车销量的 40%以上),同时这也意味着必须减轻汽车的重量和采用对环境影响更小的原材料。

这对汽车工业提出了严厉的挑战,就质量和供应能力而言,为后消费时代或后工业时代的塑料原材料寻找可靠来源极为困难。解决这个问题的一种方法是,推动废弃材料的化学再生,然而,这实际上是一个有争议的问题,有的研究对化学再生技术的环境影响生命周期分析提出了质疑。即使仍有许多非政府组织对生物聚合物这一解决方案表示怀疑,认为这些聚合物的潜在来源与食品生产或水资源消耗有冲突,但是,研究者仍在对生物聚合物进行评价。

xEV 汽车的普及也正在对电池、大功率连接系统、充电器、逆变器和电动机等非常关键的部件提出前所未来的技术挑战。

这些挑战导致对部件、电子元器件、电缆和电池用塑料的需求增加,其目的是减轻重量和响应设计灵活性需求。磷氮无机阻燃剂将非常重要,一方面能确保消防安全,另一方面,能满足严苛的新标准测试要求,相对漏电起痕指数和长期热老化测试只是最重要参数中的两个例子。在“电动交通”一章,更深入地解释了这些问题。

1.2. 铁路

提高铁路系统的运输能力和改进铁路系统的管理是欧盟绿色新政的关键行动之一。改进欧盟铁路网络和增加铁路网点必须提高数字化程度。提高列车速度(即运行更多的高速列车),这将鼓励人们乘火车而不是飞机旅行,从而减少 CO2 的排放量。

  • 随着可选择的铁路解决方案增多,更多达到更高阻燃标准的现代列车将投入运行。
  • 从高速列车到未来的超高速列车,研究者一直在寻找更快的解决方案。
  • 各地将淘汰老式柴油列车,代之以液化天然气(LNG)驱动的或电力驱动的更清洁列车。

增加塑料的应用,用塑料替代金属,将减轻重量,提高加速、制动性能,降低能耗。

列车将采用新能源,例如,氢能电池或锂离子电池。某些先驱者已经在研究新能源列车。

  • 阿尔斯通公司制造的 Coradia iLint 是全球第一列依赖氢燃料电池驱动的列车。燃料电池为电动机供电 4。多余的能量被储存在锂离子电池中。据制造商声称,这是全球第一列 100%无排放的列车。
  • 通过与德国交通部协作,庞巴迪公司已经开发了下一代 Talent 列车,即 Talent 3,这是一个由电池驱动的动车组 5。

1.3. 飞机

过去 30 年来,由于实施了严格的消防安全要求,航空工业的火灾威胁一直在减少。但是,在新一代飞机(A350 或 B-787 系列)中,为了减轻重量和节省能耗,使用了大量聚合物复合材料,导致可能的火灾情景不同于从前,增加了新的威胁。

客舱和货舱内的大部分塑料部件必须具有自熄性(即当火源被移除后停止燃烧)或更好的阻燃性能。使用基于含卤聚合物的材料可以达到这一目的。过去,之所以选择含氟聚合物,不仅因为其优良的阻燃性能,也因为其非常强的耐化学品性质,例如,耐煤油、滑润剂、溶剂(甲基乙基酮)性,同时释放的污染物少,具有良好的润滑性能,其它材料(包括座椅套或地板材料)采用聚氯乙烯(PVC)。这些含氟和含氯聚合物的风险是,在遇火燃烧时,释放腐蚀性气体和有毒气体,在客舱和驾驶舱尤其危险,也会影响电子设备。因此用添加磷氮无机阻燃剂的无卤材料取代这些材料成为必要,研究者正在进行大量研究工作。例如,在飞机地板的生产中,采用硅酮或含大量填料的三元乙丙橡胶取代聚氯乙烯。但是,还有许多其它应用,每一种应用必须满足许多严格的要求,推动了大量创新的磷氮无机阻燃剂解决方案的出现。

1.4. 船舶

如其他难以逃生的交通工具一样,船舶上一旦发生火灾,存在重大灾害的风险。24%的船上事故是由火灾造成的,大部分火灾事故是从工程机房开始的,火灾事故造成的人员死亡比任何其它事故的高 130%。

为了减少火灾风险,几十年前,国际海事组织颁布了多项标准。船舶上的所有材料必须具有自熄性,即使高速小船(例如,高速渡船)也必须采用不可燃材料。

然而,部分死亡事故不仅与火的蔓延相关,也与船舶的设计以及船员的行为相关。现代模型允许在考虑这三个因素的情况下进行模拟,从而设计更安全的船舶。

如同在其它交通模式中一样,在船舶工业也出现了能减少污染的新型动力推进方式。

  • 在小型船只中,出现了混合动力推进方式,因此,也伴随了与锂离子电池或锂-聚合物电池相关的特定风险。
  • 在更大型船舶中,考虑采用燃料电池作为新的动力源,因此,也存在与易燃性气体(氢气)或低闪点温度液体(例如,甲醇)储存相关的风险。

考虑到这些新风险,国际海事组织的某些标准已经被修订。

2. 交通应用的中再生聚合物

如前所述,汽车工业对汽车中再生聚合物的含量制定了宏伟目标,不仅地毯和软垫纤维而且电缆、管道和模注部件材料都将采用再生聚合物。为此,欧盟资助了 Car E 服务项目(www.careserviceproject.eu/)。

这是一个在汽车生命周期结束后再生利用其塑料和金属部件的研究项目。该项目指出,除了机械性能大幅下降,废塑料部件的分选、清洗和二次研磨的成本比石化材料会高达 40%,因此,限制了这一解决方案的应用机会。

3. 生物塑料和天然纤维增强塑料

天然纤维或生物塑料的应用可能会促进更加环境友好的汽车的制造。在汽车生产中,使用了越来越多的可再生原材料,特别是天然纤维增强塑料(FRP)。在现有的汽车车型中,每辆汽车的可再生原材料用量已经达到数十千克(10 - 50 千克)。据德国汽车工业协会称,这些结构部件有多项优势。一般来说,这些材料呈 CO2 中性,并具有优良的材料性能,通常比常规生产的材料更轻,因此,能减轻汽车重量,节省燃料。据福特公司称,生物材料的应用已经减少燃油消耗量 9 吨/年,减少二氧化碳排放量约 15 吨/年。现在,生物材料的研究焦点是含 25 - 60%亚麻、剑麻、洋麻、小麦秸秆纤维及其它材料的天然纤维增强聚丙烯。

另外,市场上已经提供天然纤维增强的工程塑料,例如,含 25% Curauá 纤维(Curauá - Ananas lucidus,一种凤梨科植物)的聚酰胺 6 ,采用注塑技术生产的这种塑料用于制造汽车部件。另一种在汽车设计中已经成熟使用的材料是天然纤维进强型聚氨酯。聚氨酯与天然纤维垫材形成的复合材料以及天然纤维增强的泡沫塑料用于汽车内饰件。由于产能不断提高,在各种技术应用中,聚乳酸(PLA)纤维等生物聚合物的应用增加。虽然生物聚合物目前在汽车应用中仅占很小的比例,但这些聚合物在纤维纸巾工业的应用将逐渐增加。

另外,生物聚合物也可以作为本体聚合物和增强聚合物使用。虽然过去 20 年来已开发了许多含无卤阻燃的热塑性塑料和热固性塑料,但目前这些新开发的天然纤维增强塑料的燃烧特性和阻燃性的信息仍然有限,还需要进行大量的研发工作。现在,已经有了可用于聚乳酸纤维增强材料和未增强材料的无卤阻燃剂解决方案。

参考文献:

  1. https://ec.europa.eu/info/sites/info/files/european-green-deal-communication_en.pdf

  2. https://www.eumonitor.eu/9353000/1/j9vvik7m1c3gyxp/vl4d8dfd2dye

  3. https://cor.europa.eu/en/events/Pages/ENVE-Stakeholders-consultation-Towards-a-Roadmap-for-Clean-Hydrogen-.aspx

  4. www.alstom.com/solutions/rolling-stock/coradia-ilint-worlds-1st-hydrogen-powered-train

  5. www.railway-technology.com/projects/bombardier-talent-3-battery-train/

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