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助力汽车减重!天然纤维增强材料成为内外饰新宠?

核心提示:天然纤维作为隔热/音和阻尼材料、特别是作为聚合材料的填充和增强材料,因在重量和成本方面的优势在汽车内饰件制造中的作用愈来愈大,并已开始了用于汽车外部部件(如挡泥板衬和扰流板等)的尝试。

其实天然纤维在欧美已经广泛使用数十年,已成为欧系车的标准配置,如大众、奔驰、宝马、奥迪等众多车型的门板、嵌饰板、座椅靠背、仪表板、ABC柱、行李箱盖板等。之前,编者也整理发布了一篇木纤维材料介绍,大家感兴趣的话也可以点击链接回顾一下:汽车内饰新宠——木纤维材料,为何奔驰|宝马|奥迪|大众都在用?

天然纤维作为隔热/音和阻尼材料、特别是作为聚合材料的填充和增强材料,因在重量和成本方面的优势在汽车内饰件制造中的作用愈来愈大,并已开始了用于汽车外部部件(如挡泥板衬和扰流板等)的尝试。随着人们保护环境意识的日益增长,各种天然纤维又重新被人们进一步认识而再次步入汽车部件的领域。


图 木纤维制件

一、性能优势

汽车用天然纤维主要是指植物纤维,如洋麻、大麻、亚麻、黄麻和剑麻等麻纤维及椰壳纤维等。与合成纤维相比,天然纤维及其复合材料具有如下性能方面的优势。

1. 生态保护性能:

麻纤维生长期短、生长环境要求不高;其生长过程无需农药和化肥;生长、收获、加工的能量消耗较少;对二氧化碳的吸收能力强,具有减缓“温室效应”的作用;生产过程无“三废“污染、使用过程也无有害的游离化学物质(如近来备受关注的“甲醛”)和微粒(玻璃纤维成分);无需化学胶粘剂,可在一步法成形过程中与基材热粘合;替代化纤和塑料等人造材料,可节约有限的石油资源;焚烧时无毒物排放、填埋后可生物降解;可再生循环利用;

2. 应用性能:

麻纤维复合材料的隔热、吸音性能好;能量吸收能力好、耐冲击,无脆性断裂(对提高汽车的安全性很有利);燃烧速率低;具有良好的刚度、切口韧性、断裂特性;低温性能好;

3. 成形工艺性:

可用较低压力、一步法成形产品,节省机器和模具的投资、简化加工工艺(附座和装饰层等可与坯材一步合成、无需化学粘接和后续加工);可成形大拉伸、复杂的三维形状。天然纤维在加工中还表现出对模具的磨蚀作用较低;

质轻:密度低、重量可减轻10~30%(顺应汽车轻量化要求,提高燃油效率);

原料成本低、麻纤维来源广泛;边角料可以重新破碎后进行热塑加工,几乎没有废料产生。


二、加工方式
1. 作为填充材料

麻纤维复合材料的可燃性与滑石粉填充的化合物相类似(50%短纤维填充PP的氧指数是19.7%,滑石粉填充PP的氧指数是18.2%~20%)。采用类似挤出模压成形的工艺可以在线对PP和天然纤维进行混配。在线化合和模压天然纤维复合材料报告其拉伸强度和切口冲击强度均比矿物填充PP为佳。天然纤维材料所具有的良好强度/重量比可替代玻璃纤维填充塑料用于汽车内饰。

天然纤维也可用于聚氨酯复合材料。1999年款的S级“奔驰”汽车的门内板是第一个采用这种工艺的,它采用了35%的半硬PUR弹性体和65%的亚麻、洋麻和剑麻混合物。挤出机厂家也在开发将天然纤维直接引入混料头的设计,从而不需经过制毡过程。1999年欧宝(Opel)的“Zefira”牌微型车的顶棚采用两层剑麻毡网中间放置PUR发泡材料的方法制成。


图 木纤维制件

2. 模压成形

因各公司的开发技术细节各异,该成形工艺也有不同,但均适用于天然纤维的加工。通常其不同在于纤维和粘合的聚合物组合方法及送入模具的方式。有些工艺使用预先熔化的聚合物,有些在模压前使用纤维状的聚合物与植物纤维制成混杂的毡板,有的在模压前在纤维毡上加入聚合物粉末。几乎所有的加工都是把纤维制成毡板形式,纤维的制备和毡板的加工就是技术关键。热固型复合材料因其回收方面的局限,从而市场的主流以热塑性复合材料为主。

此外,还有结构反应注塑(S-RIM)和短纤维增强注塑成形。传统的塑料加工和复合材料生产的工艺方法结合天然纤维的加工特点,是各种技术开发项目的切入点。


三、在汽车制造中的应用

目前各汽车工业大国已经开始大量使用天然纤维复合材料,生产的产品有:轿车的门内板、行李厢、顶棚、座椅背板、衣帽架、仪表盘;以及卡/客车的车厢内衬板、门板、顶棚、座椅背板等。


图 木纤维仪表板

麻纤维复合材料可用来替代木纤维和玻璃纤维增强的复合片材以及ABS塑料件,因为在相同的重量情况下天然纤维增强材料制成的产品可具有25%~30%的强度提高以及上佳的非脆性断裂特性。德国R+S公司在北美的“LoPreFin”工艺特许生产厂商已经得到门板侧面冲击的4星级评价。这一门板用于99版的“SAAB(绅宝)”9S轿车,这是第一次天然纤维复合材料达到如此严格的技术要求。这一成功使GM(通用汽车公司)对天然纤维复合材料的应用予以关注。德尔福(Delphi)公司用改进树脂纤维的偶联性来提高天然纤维复合材料的性能,改善粘合性可以显着地改善冲击强度。

伟世通(Visteon)公司采用一步模压成形方法,使用的是德国R+S公司的成形设备,其第一个产品是福特公司“Mondeo”牌汽车的门板。中国“中华”牌轿车以其前卫的设计理念率先采用麻纤维天然材料制造门板、顶棚、衣帽架和行李厢衬板等内饰产品。德国戴姆勒-克莱斯勒(Daimler-Chrysler)公司研究中心进行的试验表明,天然纤维复合材料部件具有很高的抗冲击强度,并且它们的尺寸稳定性和耐侯性也很好。“奔驰”E级轿车门板开辟了高端应用的先河。

在2000年日内瓦汽车展览会上,德国“大众”旗下的奥迪(Audi)公司展出了一辆Audi Az中型轿车,该车是世界上第一款批量生产的全铝合金车身汽车,它的重量比一般的轿车要轻得多。为了减轻其内装饰件的重量,设计人员选用麻纤维毡增强聚氨酯树脂制造车门内装饰板。

除了内装饰材料外,汽车工业还可应用天然纤维复合材料制造汽车的其它部件。研究和设计人员正在研究将天然纤维复合材料用于大客车的发动机罩和变速箱盖。据研究表明,使用天然纤维可以使发动机的重量减轻10%,并可将生产所需的能源消耗降低80%。同时天然纤维加强部件的成本比强化玻璃纤维部件下降5%。戴姆勒-克莱斯勒近日宣布,天然纤维加强发动机和变速器箱将作为“奔驰Travego”牌旅行车的标准装备。

荷兰的供应厂商为福特公司的“Focus”牌汽车生产采用大麻纤维增强PP材料的发动机护罩,其重量比用玻璃纤维的材料轻30%。这生产工艺有个障碍:PP的工艺温度(190~250摄氏度)与纤维素的降解温度(300摄氏度)较为接近,但基材的模压、面层复合和边料冲裁可一步完成,无须粘胶和二次(后续)加工。


四、相关技术的开发

过去使用其它天然材料(用于隔热、隔音和衬里的废纺,以及内饰件的木粉板)的主要原因是其价格便宜,而改进产品的技术性能可以提高材料的附加值,从而提高材料的等级。天然纤维的比强度(强度:重量)高于玻璃纤维增强材料,因此15%的轻质化是可以实现的。这是目前最具吸引力的技术开发动力之一。以前天然材料在塑料中的应用大多止步于作为填充料的木粉。但其它植物的茎杆和叶子中的长纤维(故称“韧皮纤维”)可比木粉对塑料提供更好的机械增强作用,而且成本也更低。木粉复合材料与滑石粉和云母填充PP在汽车应用方面大范围地竞争,而天然长纤维复合材料瞄准的则是玻璃纤维复合材料。在欧洲对于吸入玻璃纤维引起的体内存留的健康问题的关注日见成风。

天然纤维通常要在230℃以下加工。这样就限制了一些需要较高温度加工的聚合物和制造方式的应用。在替代玻璃纤维方面这可能是主要的问题。另外天然纤维的特性之一是其吸收和储存潮气,在座椅衬垫的应用中期望具有这样的性能,但对其它应用场合必须防止吸潮,这也是直至目前天然纤维复合材料止步于汽车内饰材料的主要原因。调整材料成分并对工艺进行优化,使吸水量减少到与玻璃纤维化合物类似的水平是有可能的。从而可打开新的应用领域,也可替代玻璃纤维材料在外部零部件制造的应用。



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