環(huán)保型汽車用非織造材料的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411104

中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截至2017年底全國(guó)汽車保有量已達(dá)2.17億輛。汽車產(chǎn)量的增長(zhǎng)為汽車用紡織品產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了保障。非織造材料具有成本低、質(zhì)量輕、易深度模壓成型等優(yōu)勢(shì)，在汽車用紡織品中的比重越來(lái)越大。目前每輛汽車平均耗用非織造材料的質(zhì)量為15～20 kg，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到40 kg。同時(shí)，由于消費(fèi)者對(duì)環(huán)保的重視日益提高，生產(chǎn)商越來(lái)越傾向采用環(huán)境友好型汽車用非織造材料。本文以環(huán)境友好型纖維原料為線索，介紹環(huán)保型汽車用非織造材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析其發(fā)展趨勢(shì)。

1 汽車用非織造材料

非織造材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。一方面，非織造材料可進(jìn)行深度模壓成型，滿足了研發(fā)人員設(shè)計(jì)汽車零部件不同表面形狀時(shí)的需求；另一方面，在滿足同等指標(biāo)時(shí)，使用非織造材料的質(zhì)量明顯小于其他材料，有利于減少汽車燃料消耗，對(duì)環(huán)境友好。由于強(qiáng)力較低、耐水洗性能差，非織造材料一般不用作汽車坐椅面料。目前非織造材料一般用作襯墊材料、包覆材料和過濾材料，相關(guān)零部件數(shù)量已超過40種[1]。

目前，汽車用非織造材料的生產(chǎn)多采用針刺、紡黏、熔噴、熱軋等工藝，纖維原料主要為聚酯纖維、聚烯烴纖維、玻璃纖維、天然纖維、再生纖維及碳纖維等。汽車用非織造材料在滿足實(shí)用性能和加工性能的同時(shí)，也需要兼顧經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能要求，盡量使用可降解的纖維原料。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展以及環(huán)保法規(guī)要求的日趨嚴(yán)格，采用可生物降解、可回收利用的環(huán)境友好型纖維原料是汽車用非織造材料的發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。

2 植物纖維

2.1 天然纖維素纖維

天然纖維素纖維具有可再生、可降解及隔聲隔熱的特點(diǎn)[4]，原料來(lái)源廣泛，可減小汽車工業(yè)對(duì)不可再生原材料的依賴，因此是環(huán)保型汽車用非織造材料的首選[5]?？紤]到膠黏性、剛度、防潮和加工成本等因素，天然纖維素纖維非織造材料一般不用在汽車內(nèi)飾包覆材料上，多用作襯墊材料和汽車內(nèi)飾件。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，天然纖維素纖維非織造復(fù)合材料在汽車內(nèi)飾件中的應(yīng)用獲得較大發(fā)展[4]，如表1所示。通過模壓成型、注塑成型等方法，與聚酯、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂等結(jié)合，天然纖維素纖維非織造材料能夠制備出諸如車門內(nèi)板、坐椅背板、車頂棚、天窗罩蓋、車輪罩及衣帽架等汽車內(nèi)飾件[6-7]，如圖1和圖2所示。相較于傳統(tǒng)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料件，天然纖維素纖維非織造模壓件比強(qiáng)度較小、質(zhì)量更輕，在發(fā)生碰撞事故時(shí)不會(huì)產(chǎn)生銳利碎片，且具有良好的強(qiáng)力、剛性、抗沖擊性[8-9]。

表1 天然纖維素纖維非織造材料在汽車上的應(yīng)用進(jìn)展

圖1 天然纖維素纖維汽車內(nèi)飾件

圖2 奔馳S級(jí)轎車中使用的天然纖維素纖維內(nèi)飾件

2.2 韌皮纖維

韌皮纖維屬于可生物降解、可再生的天然纖維，常見的有亞麻、洋麻、苧麻、漢麻、羅布麻等20多種。韌皮纖維不僅吸濕性好、抗菌驅(qū)螨，而且剛度大、伸長(zhǎng)小，易被黏合劑黏合，能夠以較低的制造成本制造出質(zhì)量輕、隔聲性能好的汽車用非織造材料[11]。韌皮纖維非織造材料的加工方法一般為針刺法[12]，即纖維經(jīng)過梳理成網(wǎng)或氣流成網(wǎng)后，再采用針刺法固結(jié)。由于韌皮纖維的成網(wǎng)性差，一般還要加入一些易成網(wǎng)的熱塑性合成纖維[13]。還有一種是熱黏合法，即在韌皮纖維成網(wǎng)時(shí)加入一定量的低熔點(diǎn)化纖，纖網(wǎng)冷卻后產(chǎn)生黏連作用得到加固。得益于優(yōu)良的吸濕、放濕作用，韌皮纖維非織造材料用作汽車襯墊材料不僅能夠減少異味，還可改善局部微氣候，提高乘坐舒適性[12]。

相較于其他天然纖維，亞麻纖維的吸濕散熱性好，不易產(chǎn)生靜電，是最理想的高檔汽車內(nèi)飾材料，也是目前在汽車上使用最廣泛的天然纖維[14]。亞麻纖維的力學(xué)性能優(yōu)異，密度為1 400 kg/m3的亞麻纖維拉伸斷裂強(qiáng)力能夠達(dá)到1 340 MPa，楊氏模量高達(dá)54 GPa；而性能相當(dāng)?shù)腅-玻璃纖維(密度約為2 560 kg/m3)，密度較亞麻纖維增加了82.86%[8]。亞麻是中國(guó)汽車生產(chǎn)中應(yīng)用較多的麻纖維原料，多用于汽車內(nèi)飾板和襯墊材料[15]。

漢麻纖維強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕，寶馬公司在汽車上使用了漢麻纖維非織造復(fù)合材料。研究表明[13]，得益于漢麻纖維表面不規(guī)則形貌給黏著力帶來(lái)的提升，質(zhì)量?jī)H為玻璃/PP纖維40%的漢麻/PP纖維非織造復(fù)合材料，拉伸斷裂強(qiáng)力和模量分別能夠達(dá)到前者的50%和80%。漢麻纖維在車門內(nèi)飾板上的應(yīng)用如圖3所示。

圖3 漢麻纖維汽車車門內(nèi)飾板生產(chǎn)及裝配流程

黃麻是重要性僅次于棉纖維的天然纖維，產(chǎn)地主要是印度、中國(guó)和孟加拉國(guó)。其中，孟加拉國(guó)的黃麻供應(yīng)量最大。德國(guó)BASF公司曾開發(fā)過黃麻/PP非織造復(fù)合材料，用于發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔聲板、車輪罩等部件上。中華汽車曾在國(guó)內(nèi)率先將黃麻纖維非織造材料用于車門板上，國(guó)內(nèi)一些汽車零部件供應(yīng)商也已成功開發(fā)出黃麻纖維汽車內(nèi)飾件。

洋麻(也稱為紅麻)纖維也是一種性能優(yōu)異的天然纖維，洋麻纖維非織造復(fù)合材料是制造汽車內(nèi)飾件的理想材料[11]。洋麻纖維非織造復(fù)合材料可用作車門板、坐椅靠背、頂棚、行李架等零部件。1998年北美最大的洋麻生產(chǎn)和加工企業(yè)Kafus就已經(jīng)大量生產(chǎn)洋麻纖維汽車用非織造復(fù)合材料，用于替代玻璃纖維增強(qiáng)材料[16]，其相關(guān)產(chǎn)品具有抗沖擊強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)。

苧麻纖維的主要產(chǎn)地是中國(guó)和巴西，被稱為“中國(guó)草”“洞庭草”，是目前發(fā)現(xiàn)的最硬的一種韌皮纖維。相對(duì)而言，苧麻纖維的研究和應(yīng)用最少，這主要是因?yàn)槠淇杉庸ば圆缓?，提純困難[4]。目前，絕大部分的苧麻纖維都只在產(chǎn)地國(guó)消費(fèi)。

2.3 其他天然纖維素纖維

除韌皮纖維外，常用的天然纖維素纖維還有葉纖維，如劍麻纖維、蕉麻纖維等；種子纖維，如棉纖維、椰殼纖維等；草本纖維，如蔗渣纖維、竹原纖維、秸稈纖維等。其中，劍麻纖維生長(zhǎng)周期短，容易種植，是目前應(yīng)用最廣的幾種天然纖維之一，可作為復(fù)合材料的增強(qiáng)部分。研究表明，蕉麻/PP非織造復(fù)合材料的抗彎和抗沖擊性能超過黃麻/PP和亞麻/PP非織造復(fù)合材料，但較高的氣味釋放限制了其在車門板等部件上的應(yīng)用[17]。奔馳汽車公司擁有蕉麻/PP模壓成型非織造復(fù)合材料專利，相關(guān)產(chǎn)品已由Rieter旗下公司生產(chǎn)。竹原纖維屬于天然可再生資源，采用竹原纖維制得的汽車內(nèi)飾件不僅具有抑菌、抗紫外線等功能，而且在遇到碰撞時(shí)能夠憑借自身的韌性抵抗外部沖擊，提升汽車的安全性。

3 可降解化學(xué)纖維

3.1 再生纖維素纖維

常見的再生纖維素纖維有黏膠、萊賽爾、人造棉、天絲、莫代爾、竹纖維等。其中黏膠纖維常用于汽車襯墊材料，以及用作輪胎中的補(bǔ)強(qiáng)纖維。在歐洲，使用黏膠纖維增強(qiáng)的輪胎比滌綸增強(qiáng)輪胎更受消費(fèi)者歡迎。這是因?yàn)椋环矫骛つz纖維具有高模低伸、收縮率受加工工藝溫度影響小的特點(diǎn)，輪胎的圓周性更好；另一方面黏膠纖維在常溫下的彈性高、模量變化小、剪切剛性大[18]，有利于提升汽車的駕駛穩(wěn)定性和乘坐舒適度。

3.2 可降解合成纖維

目前，可降解合成纖維還處在發(fā)展階段，實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品較少。聚乳酸(PLA)纖維是目前最有前景的可降解熱塑性合成纖維，可通過丙交酯開環(huán)聚合或乳酸縮聚制得。美國(guó)、日本和德國(guó)在PLA纖維的研究開發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用方面一直處在領(lǐng)先地位[19]。PLA纖維是最有希望取代石油基材料的可降解纖維，但PLA纖維較脆、韌性差，且降解率較低，這限制了其在汽車用紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用，通過添加催化劑或降低本身聚合度的方法可增加其降解率。

4 發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)環(huán)保型汽車用非織造材料的發(fā)展趨勢(shì)：

(1) 通過進(jìn)一步改性研究，獲取更好性能的天然纖維。天然纖維的加工溫度通常不高于230 ℃，這限制了其應(yīng)用范圍。通過對(duì)麻纖維等天然纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)和表面改性，開發(fā)出新工藝，以提升天然纖維的整體性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

(2) 走價(jià)值創(chuàng)新路線，提升競(jìng)爭(zhēng)力。天然纖維在生產(chǎn)、加工中需耗費(fèi)較多人力，從而導(dǎo)致成本較高，原有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)被削弱。通過開發(fā)特色產(chǎn)品，升級(jí)生產(chǎn)工藝技術(shù)，可提升天然纖維的競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格，以及人們對(duì)汽車內(nèi)環(huán)境的舒適性和環(huán)保性重視度的提升，未來(lái)環(huán)境友好型汽車用非織造材料的發(fā)展空間將越來(lái)越大。通過改進(jìn)技術(shù)降低成本，將進(jìn)一步促進(jìn)以天然植物纖維、再生纖維素纖維和可降解合成纖維等為代表的環(huán)境友好型材料在汽車上的應(yīng)用。