聚氨酯夾層結(jié)構(gòu)聚丙烯/竹纖維汽車內(nèi)飾構(gòu)件制備與評價

程海濤，苑之童，李明鵬，李文婷，王翠翠，王巍

[1.國際竹藤中心竹藤科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，北京 100102；2.奇竹(北京)科技發(fā)展有限公司，北京 100162]

聯(lián)合國于2020 年12 月12 日召開了“氣候雄心峰會”，旨在到2030 年實現(xiàn)CO2排放量減少45%、到2050 年實現(xiàn)碳中和；我國也于2020 年9 月提出了“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，以期有效控制CO2排放量。當(dāng)前我國碳排放達(dá)110 億t，據(jù)中汽中心測算，汽車碳排放占全社會碳排放7.5%左右，占我國交通領(lǐng)域碳排放80%以上；2020 年，汽車使用階段碳排放約7.2 億t，約占汽車碳排放90%，可見，汽車節(jié)能減排迫在眉睫。世界汽車協(xié)會報告指出，汽車質(zhì)量每減少10%，燃油能耗可降低6%～8%，CO2排放可降低13%。因此，輕量化是汽車節(jié)能減排最有效的方法之一，也是政策重點支持的領(lǐng)域之一，如國家發(fā)改委在《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019 年本)》中提到，將汽車輕量化材料應(yīng)用列為國家鼓勵發(fā)展產(chǎn)業(yè)，同時中國汽車工程學(xué)會在《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》也指出，到2030 年，汽車減重目標(biāo)是較2015 年減重35%。

輕量化的技術(shù)路徑有材料輕量化、結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化和制造工藝創(chuàng)新三種，其中材料輕量化是實現(xiàn)汽車輕量化的重要趨勢[1]。目前汽車工業(yè)應(yīng)用較為廣泛的輕量化復(fù)合材料主要有碳纖維增強復(fù)合材料、玻璃纖維增強復(fù)合材料等，然而，其面臨著原材料危機、成本高、能耗大、產(chǎn)品難降解等問題。植物纖維增強復(fù)合材料由于來源廣、密度小、環(huán)境友好等特點，更符合“雙碳”戰(zhàn)略下的綠色環(huán)保發(fā)展趨勢。近年來，以麻纖維(JF)為代表的植物纖維增強復(fù)合材料已應(yīng)用在汽車門板、座椅靠背、頂棚、儀表板等內(nèi)飾構(gòu)件上[2-6]。截至2021 年底，全國汽車年產(chǎn)2 608 萬輛，按每輛汽車平均使用40 kg 熱塑性植物纖維增強復(fù)合材料計算，則總需求量可達(dá)104.3 萬t，合計62.6 億元，市場規(guī)模巨大，應(yīng)用前景廣闊。據(jù)統(tǒng)計，2019 年，我國麻類總產(chǎn)量為23.39 萬t，遠(yuǎn)不能滿足車用麻纖維的需求，目前主要依賴于進(jìn)口，而且麻纖維成本也會越來越高；而我國竹材資源十分豐富，第九次森林資源清查結(jié)果表明，我國竹林面積為641 萬hm2，占全球竹資源面積的20%，竹材年產(chǎn)量約為4 000 萬t，僅占竹林可砍伐量的1/4 左右，每年約有1.1 億t 竹材未被開發(fā)利用，可利用空間巨大[7-8]，因此竹纖維(BF)增強復(fù)合材料非常適合汽車內(nèi)飾構(gòu)件的輕量化。

然而，目前鮮有文獻(xiàn)定量表征BF 增強復(fù)合材料應(yīng)用于汽車工業(yè)的減碳優(yōu)勢，以及報道夾層結(jié)構(gòu)竹纖維增強復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，為了探究BF 代替JF 應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件的可行性，筆者基于聚丙烯(PP)/JF 復(fù)合材料在汽車工業(yè)應(yīng)用的成熟案例，以PP/BF 復(fù)合氈制備的復(fù)合板為蒙皮，聚氨酯(PUR)泡沫為芯材，采用夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過熱壓成型制備熱塑性植物纖維增強復(fù)合材料，再通過異型模壓成型工藝制備汽車內(nèi)飾構(gòu)件，以尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能、發(fā)霉、表觀材色等性能為指標(biāo)，驗證其是否滿足主機廠關(guān)鍵性能指標(biāo)要求，并對全過程單位能耗與CO2排放量進(jìn)行估算，旨在推進(jìn)汽車輕量化技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，為夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 復(fù)合材料在汽車內(nèi)飾構(gòu)件的應(yīng)用提供研究思路。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

BF：平均直徑0.18 mm，福建3 a 生毛竹；

JF：平均直徑0.087 mm，湘南郴州麻業(yè)有限公司；

PP/BF 復(fù)合氈：PP 與BF 質(zhì)量比50∶50，自制；

PP/JF 復(fù)合氈：PP 與BF 質(zhì)量比50∶50，某汽車主機廠；

PUR 泡沫、PP 膠膜：某汽車主機廠。

1.2 主要儀器與設(shè)備

熱壓機：CARVER 3895 型，美國Carver 公司；

萬能試驗機：CMT6503 型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；

色差儀：BYK-Gardner 型，德國畢克化學(xué)公司。

1.3 試樣制備

通過熱壓成型，將PP/BF 復(fù)合氈和PP/JF 復(fù)合氈制備成PP/BF 復(fù)合板和PP/JF 復(fù)合板，作為上下蒙皮，單層厚度約為1.15 mm，熱壓參數(shù)為：溫度110～160 ℃，時間5 min，壓力2～4 MPa。以PUR 泡沫為芯材，采用夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過熱壓成型制備熱塑性植物纖維增強復(fù)合材料，尺寸為2440 mm×1 220 mm×7.5 mm，熱壓參數(shù)為：溫度180～200 ℃，時間10 min，壓力0.5～1.5 MPa，工藝流程如圖1 所示。然后以PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF復(fù)合材料為原材料，在200～220℃條件下加熱使其軟化，后在異型模具內(nèi)冷成型(室溫，壓力不小于1 MPa)制備汽車內(nèi)飾構(gòu)件，如圖2 所示。以PUR夾層結(jié)構(gòu)PP/JF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件為對照樣。

圖1 夾層結(jié)構(gòu)熱塑性植物纖維復(fù)合材料的制備工藝流程

圖2 某汽車主機廠PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件

1.4 性能測試與表征

(1)汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 復(fù)合材料。

①滾筒剝離強度。

參考GB/T 1457-2005，采用萬能試驗機測試蒙皮與芯材分離時單位寬度上的抗剝離力矩，測試裝置如圖3 所示，滾筒直徑和凸緣直徑分別為100 mm 和125 mm，試樣寬度為60 mm，加載速度為25 mm/min，通過載荷-剝離距離曲線獲得抗力載荷和平均剝離載荷，根據(jù)式(1)計算平均剝離強度。每組有效試樣均為3 個，結(jié)果取平均值。

圖3 滾筒剝離強度測試圖

Pb，P0——分別為平均剝離載荷和抗力載荷，N；

D——滾筒凸緣直徑，mm；

d——滾筒直徑，mm；

b——試樣寬度，mm。

②彎曲性能。

參考GB/T 1449-2005，采用萬能試驗機測試PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 復(fù)合板的彎曲性能，試樣尺寸為150 mm×15 mm×7.5 mm，跨距為厚度的16倍，測試速度為5 mm/min，每組有效試樣均為6 個，結(jié)果取平均值。

(2) PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件。

①尺寸穩(wěn)定性。

參考某汽車主機廠的測試標(biāo)準(zhǔn)，將試樣依次在90℃/3 h→冷卻/1 h→-40℃/3 h→過渡/1 h→55℃，相對濕度95%/15 h→過渡/1 h 下保持24 h，此為1 個循環(huán)，共進(jìn)行4 次循環(huán)試驗。試驗結(jié)束后，測量每個試樣的質(zhì)量和尺寸(長度、寬度、厚度)，并分別計算質(zhì)量變化率，以及長度、寬度和厚度方向的尺寸變化率。每組有效試樣均為3 個，結(jié)果取平均值。

②表觀材色。

參考國際照明委員會(CIE)于1976 年提出的L*a*b*顏色空間系統(tǒng)，采用色差儀測試試樣表面的材色，通過式(2)～式(5)計算色差，平行測試5 次，結(jié)果取平均值。

ΔE*——色差；

ΔL*——亮度差；

Δa*——紅綠指數(shù)差；

Δb*——黃藍(lán)指數(shù)差。

③發(fā)霉測試。

在汽車內(nèi)飾構(gòu)件上裁取試樣，置于裝有200 mL 去離子水的密封容器中，試樣下邊緣距水面15 mm 以上，每5 d 觀察一次，直至出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象，記錄發(fā)霉時間。

④汽車內(nèi)飾構(gòu)件生產(chǎn)全過程單位能耗及CO2排放量測算。

基于中國能源研究會能效與投資評估專委會對竹纏繞復(fù)合管生產(chǎn)全過程能耗計算方法學(xué)的研究成果[9]，并參考文獻(xiàn)[10]計算PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維汽車內(nèi)飾構(gòu)件的生產(chǎn)全過程能耗。PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維汽車內(nèi)飾構(gòu)件的單位能耗為生產(chǎn)該產(chǎn)品所需每種原料的單位能耗與生產(chǎn)該產(chǎn)品的單位能耗之和，其中，單位能耗數(shù)據(jù)為某汽車主機廠生產(chǎn)某汽車零部件全過程的用電量(0.6 元/度)和用氣量(2.5 元/m3)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，CO2排放量基于各能量源的碳排放系數(shù)[11-12]計算得出。

2 結(jié)果與討論

2.1 汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 復(fù)合材料分析

(1)滾筒剝離強度。

表1 為汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維復(fù)合材料的滾筒剝離強度。由表1 可以看出，汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 復(fù)合材料的平均剝離載荷為69.70 N，平均剝離強度為13.58 (N·mm)/mm，分別較汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR夾層結(jié)構(gòu)PP/JF 復(fù)合材料提高4.01%和38.15%，滿足某汽車主機廠中規(guī)定的平均剝離強度≥10 (N·mm)/mm 的要求。

表1 汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維復(fù)合材料的滾筒剝離強度

(2)彎曲性能。

表2 為汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維復(fù)合材料的彎曲性能。由表2 可以看出，汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維復(fù)合材料的密度均處于0.2 g/cm3水平，汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 復(fù)合材料的彎曲彈性模量和彎曲強度比PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/JF 復(fù)合材料低，但其彎曲性能滿足某汽車主機廠對輕質(zhì)化材料規(guī)定的彎曲彈性模量≥180 MPa、彎曲強度≥2 MPa 的要求。

表2 汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維復(fù)合材料的彎曲性能

2.2 PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件

(1)尺寸穩(wěn)定性。

對于汽車內(nèi)飾構(gòu)件而言，尺寸穩(wěn)定性是需要著重考慮的指標(biāo)，如果尺寸穩(wěn)定性差，材料在儲存和使用過程中會產(chǎn)生嚴(yán)重變形，影響汽車內(nèi)飾構(gòu)件的正常使用。一般汽車內(nèi)飾構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性通過尺寸變化率進(jìn)行衡量[13]，主機廠不同，測試方法也不盡相同。表3 為PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維汽車內(nèi)飾構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性。由表3 可以看出，經(jīng)過4 次循環(huán)試驗后，PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件在長度、寬度、厚度三個方向上的變化率分別為0.16%，0.38%和0.12%，即尺寸變化率≤0.38%，質(zhì)量變化率為0.91%；PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/JF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件在長度、寬度、厚度三個方向上的變化率分別為0.16%，0.85%和0.65%，尺寸變化率≤0.85%，質(zhì)量變化率為0.28%?？梢?，PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的尺寸變化率比PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/JF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件小，且在4 次循環(huán)試驗后并未出現(xiàn)顯著的變形、開裂現(xiàn)象，尺寸穩(wěn)定性滿足某汽車主機廠對汽車內(nèi)飾構(gòu)件規(guī)定的變化率為-0.2%～0.4%的要求。

表3 PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維汽車內(nèi)飾構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性

(2)表觀材色。

BF 表面有大量親水基團(tuán)，由其制成的復(fù)合板材吸濕后其材色會發(fā)生改變，而對于汽車內(nèi)飾構(gòu)件來說，材色的變化影響其美觀性，導(dǎo)致板面顏色深淺不一，難以迎合消費者的審美需求。一般來說，CIE1976 中的ΔL*，Δa*，Δb*及ΔE*可以定量反映PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的材色變化情況。表4 為4 次循環(huán)試驗前后PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的表觀材色，由表4 可得，經(jīng)4次循環(huán)試驗后，某汽車主機廠PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF汽車內(nèi)飾構(gòu)件的亮度(L*)，紅綠指數(shù)(a*)和黃藍(lán)指數(shù)(b*)均呈減小趨勢。

表4 4 次循環(huán)試驗前后PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF汽車內(nèi)飾構(gòu)件的表觀材色

表5 為4 次循環(huán)試驗后某汽車主機廠PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的ΔL*，Δa*，Δb*以及色差計算結(jié)果ΔE*，由表5 可得，某汽車主機廠PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件ΔL*為負(fù)數(shù)，即亮度降低，說明BF 吸水之后導(dǎo)致復(fù)合板材顏色加深，ΔE*為2.69，但并未出現(xiàn)顯著變色等異?，F(xiàn)象，在特定應(yīng)用中可接受[14-15]，滿足主機廠對汽車內(nèi)飾構(gòu)件材色變化的要求。

表5 PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的ΔL＊，Δa＊，Δb＊及ΔE＊

(3)發(fā)霉測試。

汽車內(nèi)飾構(gòu)件出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象主要與材料的吸水性有關(guān)，而BF 表面有大量羥基，賦予其良好的親水性，但這一特性導(dǎo)致的汽車內(nèi)飾構(gòu)件防腐抗菌性能下降會加快其老化速度[16]，進(jìn)而影響其正常使用。圖4 為某汽車主機廠PUR 夾層結(jié)構(gòu)汽車內(nèi)飾構(gòu)件發(fā)霉試驗結(jié)果的照片。由圖4 可以看出，在發(fā)霉測試的第25 d，PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 和PP/JF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件開始出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象，呈“星星點點”狀散列分布；在第40 d 時，發(fā)霉?fàn)顟B(tài)與第25 d 類似；在第60 d 時，發(fā)霉現(xiàn)象加劇，呈“珠粒”狀緊密分布，此時霉味明顯。由上述結(jié)論可得，PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 和PP/JF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件均在發(fā)霉測試的第25 d 時表現(xiàn)出較好的防霉性，可滿足某汽車主機廠規(guī)定的20 d 內(nèi)無發(fā)霉現(xiàn)象產(chǎn)生。鑒于BF 天然變異性大，為滿足汽車內(nèi)飾構(gòu)件將來更嚴(yán)苛的適用環(huán)境，可考慮進(jìn)行防霉處理。

圖4 不同測試時間PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維汽車內(nèi)飾構(gòu)件發(fā)霉試驗結(jié)果的照片

(4)生產(chǎn)能耗及碳排放。

表6 為PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維汽車內(nèi)飾構(gòu)件的單位能耗及CO2排放量，由表6 可知，PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的單位能耗為30.65 MJ/kg，與PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/JF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的能耗相比，降低了16.80%，說明相比于汽車工業(yè)目前主要采用的輕量化材料，PP/BF 復(fù)合材料在能耗和減排方面具有優(yōu)勢，對汽車內(nèi)飾件的可持續(xù)發(fā)展具有推進(jìn)作用。

表6 PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/植物纖維汽車內(nèi)飾構(gòu)件的單位能耗及CO2 排放量

1 hm2毛竹林年固定CO2量可達(dá)24.3 t，相當(dāng)于25 輛小汽車1 a 的CO2排放量，一些學(xué)者估算，我國竹林年凈固定CO2量為1.129 億t，生態(tài)系統(tǒng)碳儲量大約為780.16×106t，占我國森林總碳儲量的9.28%[17-18]，并以54.81×106t/a 的平均積累速率遞增[19]，通過全程跟蹤竹林產(chǎn)品碳轉(zhuǎn)移發(fā)現(xiàn)，我國竹子采伐后每年有效轉(zhuǎn)移至竹產(chǎn)品中的年儲碳量約為1 340 萬t[17]，可見，竹子快速增長速率，暗含著較高的固碳速率。與PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/JF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的CO2排放量相比，PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的CO2排放量減少0.55 kg/kg，這也是其替代傳統(tǒng)輕量化材料用于汽車工業(yè)的一大優(yōu)勢。

3 結(jié)論

汽車內(nèi)飾構(gòu)件用PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 復(fù)合材料的平均剝離強度為13.58 (N·mm)/mm，彎曲彈性模量為(205.15±10.04) MPa，彎曲強度為(3.02±0.31) MPa；PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件在4 次循環(huán)試驗后的尺寸變化率≤0.38%，并未出現(xiàn)明顯變色，20 d 內(nèi)無發(fā)霉現(xiàn)象產(chǎn)生，滿足某汽車主機廠的判定需求。PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/BF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件的生產(chǎn)全過程單位能耗和CO2排放量較低，較PUR 夾層結(jié)構(gòu)PP/JF 汽車內(nèi)飾構(gòu)件降低了16.80%和0.55 kg/kg，BF 具有明顯的減碳優(yōu)勢。因此BF用于替代傳統(tǒng)輕量化材料制備汽車內(nèi)飾件，潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。