安全氣囊織物發(fā)展現(xiàn)狀

諸文旎 祝國(guó)成

摘 要：安全氣囊一直是汽車行業(yè)及消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一，也是研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。介紹了目前國(guó)內(nèi)外汽車安全氣囊織物的發(fā)展現(xiàn)狀，包括了氣囊織物的纖維原料、織物類型及各項(xiàng)性能要求。以安全氣囊織物的發(fā)展歷史為基礎(chǔ)，分析了以聚酰胺纖維、聚酯纖維為主的原料選取、涂層對(duì)織物各方面性能的影響，以及氣囊在特殊工作環(huán)境下對(duì)織物結(jié)構(gòu)、透氣性、熱學(xué)性能、力學(xué)性能的基本要求，并簡(jiǎn)要介紹了目前安全氣囊織物的熱點(diǎn)研究。

關(guān)鍵詞：安全氣囊;織物;纖維;涂層;發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：TS156 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2021）03-0040-05

Abstract： Airbag has been one of the most important focuses of automobile industry and consumers， and it is also a difficulty in the research field. This paper introduces the development status of automobile airbag fabric at home and abroad， including the fiber materials， types of fabrics and performance requirements of airbag fabric. Based on the development history of airbag fabric， the effects of raw material selection （polyamide and polyester） and coating on the performance of the fabrics were analyzed. Besides， the basic requirements of airbag for fabric structure， air permeability， thermal performance and mechanical performance under special working environment were discussed. The current hot research concerns were also introduced briefly.

Key words： airbag; fabrics; fibers; coating; development status

汽車的安全性能一直是人們關(guān)注的首要問題，安全氣囊作為汽車部件中最為重要的安全部件之一，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，是各國(guó)關(guān)注的研究重點(diǎn)。

根據(jù)汽車行業(yè)的調(diào)查報(bào)告，當(dāng)汽車前部發(fā)生碰撞時(shí)，若汽車裝有安全氣囊，駕駛員死亡率明顯更低，特別是大客車，死亡率降低30%[1]，能夠有效減少交通事故傷亡。

全球安全氣囊領(lǐng)域的知名企業(yè)有瑞典奧托立夫、日本高田、美國(guó)天合、德國(guó)采埃孚、美國(guó)百利得，產(chǎn)品市場(chǎng)份額也基本由這些企業(yè)占有。中國(guó)在汽車安全氣囊領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚，與國(guó)外安全氣囊技術(shù)及產(chǎn)品相比尚缺乏優(yōu)勢(shì)，因而產(chǎn)品市場(chǎng)占有率一直較低。20世紀(jì)初，瑞典奧托立夫率先在中國(guó)上海建廠，隨后其他總成廠商和零部件供應(yīng)商也紛紛來華，以奧托立夫?yàn)榇淼目鐕?guó)公司投資的企業(yè)占據(jù)了中國(guó)絕大部分的市場(chǎng)份額[1]。中國(guó)自主品牌方面主要為錦州錦恒、東方久樂和華懋科技等，東方久樂是目前國(guó)內(nèi)唯一掌握汽車安全氣囊系統(tǒng)核心技術(shù)、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的本土企業(yè)。2018年，已經(jīng)申請(qǐng)破產(chǎn)的日本高田被寧波均勝集團(tuán)收購，從此這個(gè)全球知名的安全氣囊供應(yīng)商就納入了中國(guó)企業(yè)旗下。

本文將分別從安全氣囊織物的纖維原料、安全氣囊織物的類型及織物的結(jié)構(gòu)與性能要求這三個(gè)方面進(jìn)行論述，簡(jiǎn)要介紹目前國(guó)內(nèi)外汽車安全氣囊織物的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 安全氣囊織物的纖維原料

1.1 聚酰胺纖維

第一代氣囊織物在20世紀(jì)70年代由美國(guó)通用汽車公司提出，以聚酰胺長(zhǎng)絲紗為原料涂覆氯丁橡膠，然而實(shí)際使用證明，氯丁橡膠的涂膜耐用性差，涂層厚，涂層織物易變質(zhì)，不便回收利用;第二代氣囊織物將硅橡膠涂層附著于尼龍織物，環(huán)境變化時(shí)硅橡膠涂層可保持其特性不變，高溫時(shí)性能仍很穩(wěn)定，且硅膠涂膜具有潤(rùn)滑性，織物輕薄柔軟[2];第三代非涂層氣囊織物仍使用聚酰胺長(zhǎng)絲紗生產(chǎn)，通過提高經(jīng)緯紗密度，并采取后整理加工途徑提高織物阻氣性能;90年代初產(chǎn)生的第四代氣囊，是以聚酰胺纖維為原料的全成型安全氣囊，在氣囊的生產(chǎn)過程中一次性完成袋狀加工，圓滿解決了非涂層織物后期加工困難的問題。

由此可見，安全氣囊織物發(fā)展的整個(gè)歷史是以聚酰胺長(zhǎng)絲紗為基礎(chǔ)的，特別是錦綸66，相比其他纖維原料，其性能表現(xiàn)更加理想。除最普遍的錦綸66外，錦綸6長(zhǎng)絲也可作為安全氣囊用原料，雖然其熔點(diǎn)、熱焓更低[3]，但其經(jīng)特殊處理后制作的安全氣囊與使用錦綸66相比，有較好的抗撕裂性和可折疊性，在沖擊、老化和燃燒試驗(yàn)中的表現(xiàn)更優(yōu)。

1.2 聚酯纖維

21世紀(jì)初，隨著非涂層氣囊的發(fā)展，聚酯纖維也成為研究熱點(diǎn)。高強(qiáng)聚酯長(zhǎng)絲織物具有輕薄、強(qiáng)度高、耐化學(xué)性等優(yōu)點(diǎn)，成本低，前后道加工更簡(jiǎn)便，易回收，且聚酯的回潮率比聚酰胺低，受濕度變化的影響不明顯，相對(duì)不易變形，在5～10年后仍能保持較低的空氣滲透率。德國(guó)Hoechst公司曾開發(fā)過一種高強(qiáng)聚酯絲，纖度為250～550dtex，織成的織物吸濕性較低，空氣滲透性低，無需后整理就可直接用于生產(chǎn)安全氣囊。

PA66、PA6、PET的物理特性比較見表1[4]。

1.3 多組分原料

為改善氣囊織物的綜合性能，采用多組分原料也是一項(xiàng)行之有效的措施。

1.3.1 由多種不同組分或結(jié)構(gòu)的紗線構(gòu)成織物

例如在聚酰胺為主的織物中加入少量高伸長(zhǎng)絲。日本東麗在以聚酰胺或芳族聚酰胺為主的織物中，加入重量比為2%～3%，伸長(zhǎng)率為400%～1 000%，纖度為11.1～111 dtex的聚氨基甲酸酯高伸長(zhǎng)絲[4]，大大提高了織物的機(jī)械性能，織物柔軟性也更高。

1.3.2 由不同組分的纖維構(gòu)成復(fù)合紗

用耐熱性能好的纖維和熱塑性纖維混合制成紗線，織成的織物在經(jīng)過熱整理后，透氣性降低，織物既有較好的耐高溫性能，也有較好的氣密性。STRAHCE&HESS GMBH曾采用耐熱的間位芳族聚酰胺纖維與熱塑性纖維混紡，在高溫下用金屬或玻璃劃也不破裂。熱纖維的應(yīng)用有效解決了織物面密度降低卻造成織物熱容量降低這一問題。

1.3.3 由不同成分的聚合物構(gòu)成復(fù)合纖維

聚酯的吸濕性比聚酰胺更低，聚酰胺的耐熱性能更好，因此可以考慮將二者結(jié)合制成復(fù)合纖維，聚酯作芯，聚酰胺作皮層，能夠明顯提升織物的尺寸穩(wěn)定性和耐熱性等性能。

2 安全氣囊織物類型

根據(jù)是否有涂層，安全氣囊可以分為涂層織物、非涂層織物和混合型氣囊用織物。

2.1 涂層織物

氯丁橡膠是最早用于安全氣囊的涂層原料，氯丁橡膠對(duì)外部環(huán)境的敏感性低，抗老化性能好，價(jià)格便宜，但氯丁橡膠受高熱時(shí)分解產(chǎn)生有毒的氯化物氣體，給織物帶來酸性環(huán)境，使其脆化;在高溫環(huán)境下易與強(qiáng)氧化劑反應(yīng)，自身會(huì)發(fā)生老化，失去原有性能;從加工上考慮，氯丁橡膠與尼龍很難融合，且在尼龍織物上涂覆氯丁橡膠成本高昂。

20世紀(jì)80年代，日本開始開發(fā)使用硅橡膠涂覆材料。硅橡膠具有優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性，和穩(wěn)定的化學(xué)性能;耐磨、耐久性能好，觸感好，便于折疊;硅橡膠耐極限熱的能力強(qiáng)，比氯丁橡膠涂覆量小就可達(dá)到同樣的耐熱性[2]。

隨著更深入的研究，液體硅橡膠材料各項(xiàng)性能有了進(jìn)一步提升，具有質(zhì)量輕、折疊尺寸小、強(qiáng)度高、耐老化、成本低等特點(diǎn)，更適合生產(chǎn)。

2.2 非涂層織物

非涂層型安全氣囊織物有縫制型和全成型兩種，其通過織物本身的孔隙排出灼熱空氣，并且加工工序更少，成本降低，織物更加輕薄柔軟。

縫制型氣囊織物由兩層不同規(guī)格、不同透氣率的織物縫制而成。通常，朝司乘人員的一層具有較小的透氣率，另一層的透氣率較大，使氣囊內(nèi)大部分高溫氣體可以迅速從背面排出，減少對(duì)人體的傷害[5]。

全成型氣囊在織機(jī)上直接加工成袋狀，其織物通過改變平紋組織的組織點(diǎn)位置來改變兩層織物或織物中某一區(qū)域透氣率[6]，生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)氣囊織物更高，生產(chǎn)浪費(fèi)少，單位成本更低，相應(yīng)的生產(chǎn)效率也更高。近幾年德國(guó)GST集團(tuán)和法國(guó)Lectra公司合作，通過預(yù)生產(chǎn)軟件和最新的激光裁剪技術(shù)，可以做到一開始便能生產(chǎn)出沒有瑕疵的全成型氣囊袋，有效地減少了原料浪費(fèi);2015年延鋒百利得公布過一種主體采用異形截面紗，經(jīng)編成型的全成型氣囊袋[7];2017年，廈門的華懋材料公司公布了其最新的研發(fā)成果，即由新型內(nèi)腔織物構(gòu)成的全成型氣囊，該氣囊內(nèi)外的封邊都根據(jù)位置特征進(jìn)行了組織設(shè)計(jì)，內(nèi)腔織物也由不同結(jié)縫區(qū)域連接構(gòu)成[7]，這樣的織物結(jié)構(gòu)在保證氣密性的同時(shí)，提高了氣囊的織物強(qiáng)度和緩沖能力，使其能更有效地承受氣體沖擊。

涂層織物與非涂層織物的特性比較見表2[2]。

2.3 混合型織物

這種類型的織物在面向人體的一面采用涂層織物，保證氣囊的氣密性，在背面用透氣良好的非涂層織物，用于排出灼熱氣體[6]，使兩類織物的優(yōu)勢(shì)得到更大體現(xiàn)。

3 安全氣囊織物的結(jié)構(gòu)與性能要求

當(dāng)汽車發(fā)生碰撞并達(dá)到一定的沖擊強(qiáng)度時(shí)，氣囊在氣體發(fā)生器的作用下迅速被高溫高速氣流充脹[8]，并在瞬間排出氣體保護(hù)乘員，因此氣囊織物不能熔融燃燒，并且要有較好的力學(xué)性能和一定的氣密性;特定的使用場(chǎng)所要求其能夠在-35 ℃～85 ℃的環(huán)境下壓縮保存15年[9]。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)安全氣囊的安全性，氣囊織物應(yīng)滿足下列要求。

3.1 織物結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定的織物結(jié)構(gòu)能夠更好地保證安全氣囊的安全性。

3.1.1 織物纖度

氣囊織物常用的長(zhǎng)絲規(guī)格是470 dtex/120根，以聚酰胺為原料的織物紗線纖度一般為110～940 dtex[4]。

3.1.2 織物組織

在相同條件下，1上1下 平紋、2上2下斜紋、2上2下重平3種不同組織的織物，斜紋織物的透氣量最大，平紋最小。相比另外兩個(gè)組織，平紋組織浮長(zhǎng)最短，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最高，織物硬挺，相同條件下透氣量更小，織物強(qiáng)度也更大[10]。

3.1.3 平方米質(zhì)量

氣囊織物的平方米質(zhì)量一般要求為195～260 g/m2，在氣囊包裝上，要求體積足夠小，因此織物需足夠輕、薄，當(dāng)織物經(jīng)緯密度不變時(shí)，降低原料比重，可以降低織物平方米質(zhì)量;氣囊工作時(shí)，氣囊袋對(duì)人體的沖擊力大小受織物平方米質(zhì)量的影響。

3.1.4 織物厚度

織物單層厚度影響折疊尺寸的大小，且安全氣囊的儲(chǔ)存空間有限，一般要求其厚度為0.28～0.381 mm[11]。

3.2 透氣性

非涂層安全氣囊主要依靠織物本身的透氣性來排氣。根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，氣囊織物的經(jīng)向密度不小于18根/cm，緯向密度不小于18.5根/cm[10]。如果織物密度過低，氣囊很可能起不了保護(hù)作用;密度過高，則織物透氣性差[12]，手感過于硬挺，氣囊彈出時(shí)可能會(huì)傷害到人體。

發(fā)生碰撞時(shí)，氣囊需要在35 ms以內(nèi)快速膨脹至形狀飽滿[12]，要求織物有足夠小的透氣量;氣囊內(nèi)氣體在人體向前撞擊的10 ms內(nèi)迅速排出[11]，防止人體反彈，這又要求氣囊織物有一定的透氣性，因此必須要精確控制非涂層織物的透氣量。在500 Pa的壓差下，非涂層氣囊織物的透氣量要求：朝向人體的正面為5 L/（m2·min），背面為10 L/（m2·min）[11]。

3.2.1 織物密度

織物密度能夠在最大程度上影響非涂層織物的氣密性。對(duì)于縫制型安全氣囊織物，可根據(jù)上、下層織物不同透氣率的要求，經(jīng)緯紗可以采用不同特?cái)?shù)、不同捻度或不同的織物經(jīng)紗密度[5];對(duì)于全成型氣囊，封邊要考慮其可織性能和牢固程度，還要考慮到其和囊身相接處的氣密性，在設(shè)計(jì)、織造時(shí)改變封邊組織的經(jīng)緯紗浮長(zhǎng)或減少經(jīng)紗每筘穿入數(shù)，可以改善封邊的可織性[5]。

3.2.2 干熱收縮率

非涂層織物的透氣性也受到長(zhǎng)絲干熱收縮率的影響。對(duì)于織物的熱定形處理，不同原料的熱收縮率不同，熱定形處理時(shí)，如果長(zhǎng)絲的熱收縮率較大，織物的收縮程度也會(huì)較大，織物密度增加，也在一定程度上改變了織物的透氣性，因此，要根據(jù)原料的熱收縮率來控制織物的變形程度，以此影響織物的透氣率[13]。

3.3 力學(xué)性能

氣囊織物力學(xué)性能要考慮的因素較多。在工作時(shí)，要求織物強(qiáng)度高、抗撕裂、彈性好、耐摩擦，能夠快速充、放氣[5];由于氣囊的可使用年限要求高，因此要求織物有良好的尺寸穩(wěn)定性、抗老化性能。

3.3.1 撕裂性能

對(duì)于非涂層織物，織物撕裂強(qiáng)力與紗線強(qiáng)力成近似正比關(guān)系?？椢锇l(fā)生撕裂時(shí)，紗線間相對(duì)滑移，形成撕裂三角區(qū)域，該區(qū)域的纖維共同承受撕裂強(qiáng)力。

當(dāng)織物涂層后，撕裂強(qiáng)力由織物和涂層薄膜共同承擔(dān)，由于涂層的滲透，紗線間和纖維間有所粘連，相對(duì)滑移減少，使切口處的應(yīng)力更加集中，織物的撕裂強(qiáng)力降低。另外，織物組織、織物織縮、經(jīng)緯密以及織物的后整理也對(duì)織物撕裂強(qiáng)力有較大影響[9]，一般平紋組織織物的撕裂強(qiáng)力最小。

3.3.2 織物強(qiáng)力

安全氣囊展開時(shí)一方面承受乘員瞬間撞擊氣囊所產(chǎn)生的沖擊，另一方面承受高壓高速高溫氣流對(duì)氣囊本身的沖擊和拉伸作用，因此要求其彈性好，初始模量低，伸長(zhǎng)大[14]，使氣囊展開時(shí)織物伸長(zhǎng)大，吸收沖擊能量大?？椢飶?qiáng)度主要由其規(guī)格結(jié)構(gòu)和原料本身的強(qiáng)度決定[15]?？椢锏慕?jīng)緯密合適，一般其強(qiáng)力不會(huì)過低，同時(shí)要注意織造過程的把控，盡量減少織造時(shí)的強(qiáng)力損失，保持織物經(jīng)緯向強(qiáng)力均勻[13];若斷裂強(qiáng)力不夠，氣囊引爆時(shí)織物易斷裂引起氣囊失效。對(duì)于涂層織物，降低涂層的硅膠黏度能夠有效改善織物的拉伸性能。

不同規(guī)格氣囊織物斷裂強(qiáng)度見表3[9]。

3.3.3 摩擦性能

織物良好的耐磨性可以保證氣囊展開時(shí)產(chǎn)生的熱量小，不易導(dǎo)致燃燒。氣囊織物在后道加工工序中需要進(jìn)行磨絨整理，要求氣囊在摩擦后不能有明顯的強(qiáng)力損失[11]，所以織物的動(dòng)摩擦系數(shù)應(yīng)足夠小。對(duì)聚酰胺氣囊織物采取軋光整理和起絨整理，可以使纖維皺縮，填充織物間隙，使織物表面光潔，減小動(dòng)摩擦系數(shù)，織物更加柔軟，即使發(fā)生碰撞，也能避免更多的意外擦傷。在軋光整理時(shí)要注意參數(shù)的控制，合適的軋輥速度、壓力和溫度的合理配置，都有助于改善織物摩擦性能。

3.4 熱學(xué)性能

當(dāng)氣囊充氣時(shí)，瞬時(shí)達(dá)到高溫，織物的耐高溫性和阻燃性能要好。纖維的高熔點(diǎn)、高熱焓值能使其有效地阻燃，在同樣條件下，熱焓值高的織物溫度上升速度低，耐熱性好，在這一點(diǎn)上錦綸纖維明顯優(yōu)于滌綸。標(biāo)準(zhǔn)GB 8410—2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》規(guī)定，汽車內(nèi)部的織物燃燒火焰在60 s內(nèi)自行熄滅，燃燒長(zhǎng)度不超過50 mm，對(duì)氣囊織物的阻燃要求要更高。氣囊織物的耐熱性主要由原料本身決定，其次也受到涂層性能和后道加工的影響，比如阻燃后整理[13]。

4 結(jié) 語

對(duì)安全氣囊織物的基本情況及發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。通過對(duì)錦綸66長(zhǎng)絲、高強(qiáng)聚酯絲的性能，其他纖維和涂覆材料的延伸，以及氣囊織物在工作場(chǎng)景下各方面性能要求的分析，得出結(jié)論：目前安全氣囊織物的原料選取仍以聚酰胺為主，輔以其他性能優(yōu)異的纖維;在織物性能方面，主要要求織物組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氣密性好，織物輕薄柔軟，熱學(xué)性能優(yōu)異，強(qiáng)力高，伸長(zhǎng)性能、耐摩擦性能好，耐老化。目前安全氣囊織物除了材料以外，主要的研究方向包括智能化、高強(qiáng)度、良好的耐熱性、低氣密性以及低成本等，它是環(huán)境友好型產(chǎn)品，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，中國(guó)企業(yè)的各方面發(fā)展空間更好。

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