生物基合成弹性体是基于生物质原料合成的弹性体材料，生物基合成弹性体同天然橡胶的不同之处在于前者需要通过人为的聚合反应才能获得，是间接利用了生物质资源。开发基于生物基化学品的生物基合成弹性体具有可持续发展和循环经济的重要意义。北京化工大学先进弹性体研究中心组经过多年的探索研究，在国际上率先提出了生物基工程弹性体（BEE）的概念，指出生物基工程弹性体将成为弹性领域的重要研究方向之一，实现代替现有石油基弹性体在应用交通运输、物料传送、减振、密封等的传统工程应用。充分利用可再生资源、减少对石油等不可再生的化石资源的依赖，对橡胶领域的可持续发展具有十分重大的意义。

一、生物质化学品

目前化学品的主要来源是石化原料，大宗化学品有甲醇、乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯等，虽然以生物基化学取代这类石油基化学品仍存在技术以及成本等问题，但仍有巨大的潜力。生物基化学品是由谷物，豆类，棉秆和其他生物质作为原料生产的化学品，随着生物发酵技术的成熟，大大降低了转化成本且实现大规模生产。由于生物基化学品种类繁多，工业生产和科学研究目前主要集中在一些高附加值的生物基化学品上。在2004年，美国能源部（DOE）就在一份报告中推出了第一批具有高附加值的生物基化学品，称作“Top 12”化学品平台，包括琥珀酸（富马酸、苹果酸），2,5-呋喃二羧酸，3-羟基丙酸，天冬氨酸，葡糖二酸，谷氨酸，衣康酸，乙酰丙酸，3-羟基丁内酯，甘油，山梨糖醇和木糖醇（阿拉伯糖醇）。随后在2010年，进一步更新为“Top 10”化学品平台，包括乙醇，呋喃，甘油及其衍生物，生物烃，乳酸，琥珀酸，羟基丙酸/醛，乙酰丙酸，山梨糖醇和木糖醇，其中大部分已经商业化生产。

 

        二、生物基合成橡胶的制备设计要求

生物基弹性体和传统弹性体的主要特性相似，在过去几十年中，通常认为生物基聚合物的成本较高，并且机械性能不如常规聚合物。实际上，这种现象正随着发酵技术快速发展而改善。一些大规模生产和生物基化学品具有与石油基化学品相当的成本。生物基弹性体的综合性能与传统弹性体相当甚至更优。然而对新型生物基弹性体的广泛认可是一个现实问题，需要很长时间。随着发酵技术的发展和化石能源的减少，生物基弹性体的应用比例在不久的将来毫无疑问会增加。

我们制备生物基弹性体，旨在基于大规模生产的生物基化学品的工程应用，需要遵循以下标准:

（i）单体应主要从易于获得且廉价的可再生生物质原料获得;

（ⅱ）化学合成或生物合成的弹性体应具有优异的环境稳定性;

（iii）它们应可以采用传统的橡胶加工手段进行加工，如混合，模塑和固化;

（iv）制备的弹性体应具有所需的机械性能。

      

         三、生物基传统合成橡胶

目前，传统弹性体如丁苯橡胶、乙丙橡胶、顺丁橡胶等已广泛应用于工业、农业、国防和日常生活中，然而因其严重依赖于化石资源，不利于橡胶工业的可持续发展。在合成橡胶工业领域，使用可再生资源代替化石资源对可持续发展具有重要意义。美日欧等发达国家利用甘蔗渣等生物质原料经发酵得到生物基单体，再经催化等手段转化生成生物基传统单体，最后利用传统化学合成工艺制备出生物基传统橡胶。比如：美国固特异公司制备出生物基异戊橡胶，德国朗盛公司制备出生物基丁基橡胶和生物基乙丙橡胶，目前已经有中试装置，见图1。

 

图1  生物基传统合成橡胶开发进程

        

        四、新型生物基合成橡胶

利用甘蔗渣等生物质原料经发酵得到生物基单体，首次设计合成了高分子量、低玻璃化转变温度、高环境稳定、易加工的生物基衣康酸酯橡胶和生物基共聚酯橡胶，省去了中间生物基传统单体的转化过程，简化了工艺，提高了效率，见图2。生物基共聚酯橡胶选取多种生物质单体，通过分子杂化来抑制结晶，从而制备无定形结。其中包括丁二酸、1,3-丙二醇、1，4-丁二醇，癸二酸，衣康酸。聚酯型生物基合成橡胶在耐油密封、形状记忆、电致形变、3D打印材料等领域也有很好的应用价值。目前，已建成100吨级聚酯生物基工程弹性体中试生产线。生物基衣康酸酯橡胶是通过生物基单体衣康酸和发一元醇酯化制备生物基衣康酸酯单体，然后通过衣康酸酯与共轭二烯烃乳液共聚合制备得到。北京化工大学先进弹性体中心张立群课题组与山东玲珑轮胎股份有限公司合作制备了国内外首次试制生物基合成橡胶绿色轮胎。生物基合成橡胶结合原位改性等技术制备生物基低滚阻绿色轮胎是节能降耗与可持发展的重要方向。与此同时，官能化生物基合成橡胶的研究也为制备高性能强界面的轮胎用绿色白炭黑/橡胶纳米复合材料提供了重要思路。

 

图2  生物基聚酯橡胶及生物基衣康酸酯橡胶制品

       

       

        五、总结

随着化石能源的消耗和生物技术的快速发展，针对工程应用开发基于可再生资源的生物基合成橡胶将成为橡胶行业研究的热点之一。由生物质资源转化成生物基乙烯、丙烯、丁二烯和异戊二烯等制备传统橡胶材料，其优势在于性能与传统非生物基工程弹性体几乎完全相同，可以直接替代现有工程橡胶，其研究的难点在于生物基单体的高效制备，生产效率的提高和成本的控制方面。此外，采用生物质化学品为原料合成的具有新型结构的生物基合成橡胶，如聚酯型生物基合成橡胶、生物基衣康酸酯橡胶等新材料，具有原料易得，发酵工艺成熟，成本较低的优点，研究的难点在于新材料性能的提升和应用的开发上。随着发酵技术的快速发展，将出现越来越多的合适单体用于该方面。我们相信，生物基合成橡胶具有光明的发展前景，值得进行深入研究。