竹纖維在汽車復(fù)合材料上的應(yīng)用研究

張 毅

（竹纖維產(chǎn)業(yè)網(wǎng)，福建 福州350002）

竹產(chǎn)業(yè)是目前綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)業(yè)，有著潛力巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值。竹產(chǎn)業(yè)也是一個(gè)可持續(xù)性發(fā)展產(chǎn)業(yè)，對保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)資源和平衡生態(tài)有著重要意義。竹纖維產(chǎn)業(yè)化是竹產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的核心，對竹產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級起到引領(lǐng)作用。

竹纖維指的是天然竹纖維（也稱竹原纖維），是直接通過機(jī)械物理法從竹材分離制取的天然纖維，也是一種新型的植物纖維，不同于竹漿纖維、竹炭纖維等化學(xué)粘膠再生纖維素纖維，是繼棉、麻、絲、毛之后的第5大天然纖維。竹纖維采用三級分絲和二次梳理，所得竹纖維密度均較低，因而纖維分離度最高［1］，脫膠處理后纖維直徑僅為處理前的近1/5，纖維長徑比為處理前的4倍，拉伸強(qiáng)度提高了近27倍［2］。竹纖維具有優(yōu)異的產(chǎn)品功能，竹纖維及其制備的復(fù)合材料具有如下性能特點(diǎn)：強(qiáng)度高、韌性好、質(zhì)量輕；抗菌、抗紫外線性能突出；原料來源廣、可再生；生產(chǎn)操作安全、低污染、低能耗；應(yīng)用領(lǐng)域廣；用后可自然降解；綠色、環(huán)保等。

竹纖維作為一種性能優(yōu)異的基礎(chǔ)材料，可廣泛應(yīng)用于紡織、非織造、建筑材料、汽車材料等復(fù)合材料生產(chǎn)領(lǐng)域。當(dāng)前，中國率先在國內(nèi)大力推進(jìn)竹纖維產(chǎn)業(yè)化，致力于解決人類日益增長的天然纖維需求和可持續(xù)發(fā)展問題，將中國竹資源轉(zhuǎn)化為國家經(jīng)濟(jì)競爭力，促進(jìn)更多制造企業(yè)加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)品創(chuàng)新，提升中國在材料領(lǐng)域的國際競爭力。

1 天然纖維在汽車復(fù)合材料上的產(chǎn)品現(xiàn)狀

汽車內(nèi)飾是指汽車內(nèi)部所用到的汽車產(chǎn)品，涵蓋到汽車車身內(nèi)的各個(gè)部位，如轉(zhuǎn)向盤防護(hù)套、腳踏地墊、防滑墊、座椅墊、頂棚等都是內(nèi)飾產(chǎn)品。國外很早就將天然纖維作為汽車內(nèi)飾材料研究重點(diǎn)，由于化學(xué)纖維特別是玻璃纖維燃燒時(shí)會釋放大量有毒氣體，被稱為火災(zāi)“第一殺手”。因此，天然纖維替代化學(xué)纖維是汽車內(nèi)飾材料市場發(fā)展的必然趨勢。采用天然纖維開發(fā)的汽車內(nèi)飾產(chǎn)品，不僅安全性大幅提高，而且具有負(fù)離子發(fā)射、抗紫外線、環(huán)保、吸音性能好的特點(diǎn)［3］。

國外對天然纖維復(fù)合材料及其制品的研究開發(fā)工作開展較早，自20世紀(jì)60年代起，國外就將亞麻、劍麻、洋麻、椰殼纖維和大麻等天然纖維用于汽車內(nèi)飾產(chǎn)品中。其中，亞洲天然復(fù)合材料研發(fā)以日本、印度等國為主。黃麻原產(chǎn)于印度，種植范圍廣且產(chǎn)量巨大，使之在黃麻纖維復(fù)合材料的研究一直處于世界前列。重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域是將亞麻、劍麻、黃麻等天然纖維作為增強(qiáng)材料，或者將橡膠與黃麻構(gòu)成新型復(fù)合材。隨著科技的不斷進(jìn)步，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)逐步推向市場，并且廣泛運(yùn)用于汽車內(nèi)飾中。

歐洲國家對于天然纖維在汽車內(nèi)飾方面的研究力度頗大，尤以德國、丹麥、意大利、英國為甚。BASF公司是德國一家世界知名的化工公司，其采用的以天然纖維諸如黃麻、亞麻等作為增強(qiáng)材料，與聚丙烯等熱塑性材料復(fù)合，制備出麻纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。該材料具有質(zhì)輕、環(huán)保、價(jià)廉等特點(diǎn)，各項(xiàng)性能突出。其重量范圍在500 g·m－2～1 800 g·m－2之間，厚度在2～3 mm之間，比玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性材料輕17%。Bayer與其子公司通力合作，研發(fā)出了一種利用亞麻纖維增強(qiáng)聚氨基甲酸酯生產(chǎn)汽車裝飾物的技術(shù)，該技術(shù)采用樹脂傳遞模塑工藝，利用天然纖維墊生產(chǎn)出壁厚僅1.5～2.0 mm的部件，產(chǎn)品比傳統(tǒng)注塑材料約輕45%［4］。纖維含量越高，材料的降解速率越快。汽車行業(yè)對于麻類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用在德國處于領(lǐng)先地位，如奔馳、寶馬等公司。

Kafus環(huán)境工業(yè)公司開發(fā)的洋麻增強(qiáng)材料，也被用于汽車工業(yè)，洋麻增強(qiáng)材可代替聚合物模板復(fù)合材料，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料。該公司在歐洲汽車工業(yè)的多年開發(fā)研究證明，洋麻纖維可與聚合物如聚丙烯結(jié)合用來生產(chǎn)汽車裝飾部件，如車門面板、座椅靠板、頂棚、行李盤。Kafus公司用洋麻纖維生產(chǎn)的汽車內(nèi)飾材料已被用于Volvo、Saab、Renault和Ford等知名汽車公司。Kafus公司已投資1億美元生產(chǎn)洋麻非織造氈、板產(chǎn)品，這些產(chǎn)品首批將應(yīng)用于北美汽車工業(yè)公司［5］。

國內(nèi)研究天然纖維復(fù)合材料起步較晚，但一些汽車廠商也意識到天然纖維復(fù)合材料對于汽車行業(yè)的巨大沖擊，已著手生產(chǎn)和使用天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的汽車內(nèi)飾件。

2 竹纖維在汽車復(fù)合材料上的產(chǎn)品與性能

2.1 汽車用竹纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料

中國有關(guān)院校和企業(yè)合作進(jìn)行了相關(guān)研究，采用非織造工藝和熱壓工藝制備了汽車用竹纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，分別研究了竹纖維含量、制作結(jié)構(gòu)和改性處理對復(fù)合材料力學(xué)性能、吸濕性能的影響，并通過層間混雜結(jié)構(gòu)和竹纖維表面性能對復(fù)合材料性能作用機(jī)理的研究，探索了2種優(yōu)化方式對復(fù)合材料濕熱穩(wěn)定性的影響。

復(fù)合材料力學(xué)性能研究表明，當(dāng)竹纖維/聚丙烯質(zhì)量比為60/40時(shí)，復(fù)合材料具有最優(yōu)力學(xué)性能，其彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別為51.64 MPa、3.97 GPa、38.72 MPa、4.36 GPa，混雜結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的力學(xué)性能均有不同程度提高。其中，“50/50+70/30”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別為59.50 MPa、4.86 GPa、40.60 MPa、5.18 GPa，較普通結(jié)構(gòu)，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)分別提高了15.21%、22.42%、4.85%和18.76%；“50/50+80/20+50/50”結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別為54.29 MPa、4.01 GPa、41.83 MPa、4.86 GPa，較普通結(jié)構(gòu)，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)分別提高了5.12%、1.00%、8.02%和11.40%。

采用堿處理和偶聯(lián)劑處理竹纖維均能有效提高竹纖維/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能，當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，竹纖維/聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別為67.04 MPa、4.18 GPa、51.53 MPa、5.41 GPa，較處理前，各項(xiàng)性能分別提高了29.81%、5.29%、33.08%和24.19%；當(dāng)偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，竹纖維/聚丙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別為73.99 MPa、6.07 GPa、56.57 MPa、6.17 GPa，相比處理前，復(fù)合材料的各項(xiàng)性能分別提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%［6］。

竹纖維/聚丙烯復(fù)合材料的吸濕規(guī)律符合Fick吸濕定律，經(jīng)過堿處理或者堿－偶聯(lián)劑處理后，竹纖維/聚丙烯復(fù)合材料耐濕熱老化性能有較明顯的提升效果，綜合考慮濕熱老化后復(fù)合材料的性能，堿－偶聯(lián)劑處理后復(fù)合材料耐濕熱老化性能最優(yōu)，當(dāng)濕熱老化60 d后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別為60.55 MPa、3.91 GPa、33.10 MPa、3.58 GPa，較未處理分別提高了49.51%、64.7%、18.06%、7.28%。竹纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能較佳［7］。

目前以竹纖維為增強(qiáng)體，以聚丙烯等熱塑性樹脂為基體，采用非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車門板、衣帽架、頂棚、后備艙側(cè)板等汽車用內(nèi)飾材料，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)成熟。

2.2 汽車用竹纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料

國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研合作開展了另一項(xiàng)研究，采用縫合－模壓工藝制備了單向連續(xù)竹纖維/不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料，首先研究了竹纖維含量對復(fù)合材料縱向靜態(tài)力學(xué)性能及動態(tài)力學(xué)性能的影響。隨著竹纖維含量的增加，復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能呈先增加后減小趨勢，當(dāng)竹纖維含量為50 wt%時(shí)，復(fù)合材料拉伸、彎曲性能最優(yōu)，拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量分別達(dá)到285.52 MPa、16.06 GPa、359.80 MPa、27.32 GPa；復(fù)合材料的存儲模量隨竹纖維含量增加呈先增加后減小趨勢，當(dāng)竹纖維含量為50wt%時(shí)，復(fù)合材料存儲模量最大，且隨著竹纖維含量的增加，復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向低溫方向移動，損耗峰變寬。

利用堿、堿－偶聯(lián)劑聯(lián)合處理的方式，對竹纖維進(jìn)行表面改性，經(jīng)過不同表面的處理之后，將改善單向連續(xù)性竹纖維/不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。當(dāng)采用5%堿－3%偶聯(lián)劑聯(lián)合處理時(shí)，復(fù)合材料綜合性能最優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、剪切強(qiáng)度較未處理的分別提高了34.29%、15.95%、11.26%、29.39%；復(fù)合材料存儲模量（33℃）較未處理的提高了63.80%，損耗因子有所降低；復(fù)合材料24 h、720 h吸水率較未處理的分別減小了55.35%、27.32%。

同時(shí)，制備了單向連續(xù)竹纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了270.30 MPa、拉伸模量達(dá)到了16.23 GPa、彎曲強(qiáng)度達(dá)到了276.51 MPa、彎曲模量達(dá)到了21.99 GPa、剪切強(qiáng)度達(dá)到了24.08 MPa［6－7］。

制備的單向連續(xù)竹纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)良，有潛力取代玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料在汽車材料（汽車外殼、座椅支撐架等汽車承力結(jié)構(gòu)）、風(fēng)電葉片材料、公路防護(hù)欄材料、船舶材料等領(lǐng)域的應(yīng)用，以竹、麻等天然纖維為增強(qiáng)體相對傳統(tǒng)內(nèi)飾有著顯著的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢［8－9］。

3 竹纖維在汽車復(fù)合材料上的發(fā)展前景

自復(fù)合材料行業(yè)誕生以來，產(chǎn)業(yè)鏈上下游不斷健全，行業(yè)迅速發(fā)展壯大，特別值得關(guān)注的是，近幾年竹纖維產(chǎn)業(yè)化隨著各項(xiàng)工藝的不斷深入與完善，以竹纖維為增強(qiáng)材料的新材料在復(fù)合材料領(lǐng)域越發(fā)受到行業(yè)的追捧及期待，竹纖維應(yīng)用越來越多出現(xiàn)在人們的視野里。

中國素來就有竹子文化，也是世界上竹資源最豐富、應(yīng)用最廣的國家，種植面積達(dá)500多萬公頃，世界上1/3的竹類資源在中國，名副其實(shí)的“竹子王國”。竹子生長極具特殊性，1－3 a便可投入使用。因此，對竹纖維各項(xiàng)應(yīng)用的研發(fā)與推廣頗具現(xiàn)實(shí)意義，利用竹纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料替換當(dāng)下的各種化學(xué)纖維復(fù)合材料也成為了重要課題。

汽車行業(yè)的發(fā)展必然是匹配人們需求的提升，汽車技術(shù)的發(fā)展是推動整個(gè)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，當(dāng)今汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢不僅是追求豪華與舒適，汽車產(chǎn)業(yè)輕量化也成為了一大發(fā)展趨勢，這一趨勢對新材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用有著特別巨大的推動作用。汽車輕量化本質(zhì)是保障汽車在各項(xiàng)性能不受損或者略有提升的狀況下，減輕車身重量，從而降低油耗、減少噪音等污染。汽車輕量化是推動國家節(jié)能減排規(guī)劃的重要舉措，也是輕量化材料產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展契機(jī)。竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為輕量化材料產(chǎn)業(yè)的重要成員，已經(jīng)對汽車行業(yè)產(chǎn)生重要影響，其具備的輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度等優(yōu)異性能將受到汽車廠商的追捧。

人類環(huán)保意識在隨著社會的進(jìn)步也越發(fā)強(qiáng)烈，在汽車內(nèi)飾件領(lǐng)域的應(yīng)用是竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是重要市場，其具備的諸多優(yōu)點(diǎn)更是解決了汽車行業(yè)的多個(gè)難題。汽車發(fā)生事故時(shí)，竹纖維優(yōu)良韌性將減少車輛損毀，竹子能夠自然優(yōu)化纖維的分布以使其以最小的體積具有最大化的抗彎強(qiáng)度［10］，其輕質(zhì)的特性也將減少車身重量達(dá)20%，大大降低油耗及尾氣排放，是替代目前時(shí)興的玻璃纖維復(fù)合材料的完美選擇，同時(shí)也會對汽車內(nèi)飾件的綜合性有較大提升。此外，在生產(chǎn)過程中竹纖維工藝流程簡單，尤其是能避免化學(xué)纖維在生產(chǎn)過程中對生態(tài)環(huán)境的破壞。近年來，世界范圍內(nèi)也相繼開發(fā)應(yīng)用了多項(xiàng)車用竹纖維復(fù)合材料，已經(jīng)著手研發(fā)的產(chǎn)品包括內(nèi)飾板、衣帽架、座椅背板、頂棚、儀表盤、行李箱、隔熱/音和阻尼材料等。

據(jù)有關(guān)資料顯示，2010年在德國汽車工業(yè)中，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用總量達(dá)20萬t，每輛汽車所用的天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料達(dá)17 kg，以此測算，目前全球汽車工業(yè)天然纖維復(fù)合材料年消耗量約160萬t［11］，其中，中國消耗量約46萬t，美國消耗量約30萬t。按照10%～20%的汽車內(nèi)飾復(fù)合材料采用竹纖維計(jì)算，竹纖維復(fù)合材料每年潛在的需求量至少達(dá)16萬～32萬t，產(chǎn)值近60億元～120億元，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分顯著。

當(dāng)今社會發(fā)展趨勢表明，汽車工業(yè)的發(fā)展將朝著輕量化、電動化、智能化的方向進(jìn)發(fā)。竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是汽車工業(yè)領(lǐng)域重要輕質(zhì)用材，將在一定程度上提升和改善常規(guī)材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能及物理性能，并能解決常規(guī)材料在工程結(jié)構(gòu)上無法解決的關(guān)鍵性問題。竹纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為汽車內(nèi)外件的一種新型加工原料，必然將成為今后汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢。