麻纖維/聚乳酸復(fù)合板材自然老化試驗(yàn)及在汽車應(yīng)用評(píng)價(jià)

顏景丹 王國未 馬鴻昌 趙子勝 于濤

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

1 前言

我國提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。汽車行業(yè)既在生產(chǎn)制造、物流運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)產(chǎn)生碳排放，又在使用過程中消耗大量能源。隨著碳稅開征及監(jiān)管體系建設(shè)，汽車行業(yè)勢(shì)必將面臨減排壓力，迫切需要推動(dòng)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的低碳化轉(zhuǎn)型。乘用車生命周期中，原材料獲取階段的碳排放總量占比是最高的，因此使用更低碳的材料，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和具有重要意義。

麻纖維是天然植物纖維，可再生可降解，相比玻纖/碳纖等人工合成纖維，生產(chǎn)和回收過程均不產(chǎn)生碳排放，是低碳材料的典型代表。以麻纖維增強(qiáng)聚丙烯為代表的麻纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于內(nèi)飾板/吸音板/座艙扶手等汽車部件，與傳統(tǒng)的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，具有輕量化/低成本/耐沖擊和隔音性好等優(yōu)點(diǎn)。但麻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中，只有麻纖維是生物基可降解材料，減碳效果不明顯，同時(shí)共混加工后，制品會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味，不利于乘用車車內(nèi)空氣質(zhì)量控制[1-2]。

聚乳酸被認(rèn)為是最有可能替代傳統(tǒng)石油基聚合物的生物基可降解材料之一[3]。勞士領(lǐng)汽車推出的生物基聚乳酸（PolyLactic Acid，PLA）材料，材料獲取階段溫室氣體減排效率比聚丙烯（PolyPropylene，PP）高70%、比尼龍6（PA6）高約90%。這意味著，如果把一輛中型汽車上所使用的石油化工塑料換成勞士領(lǐng)汽車公司的生物基塑料，那么每生產(chǎn)一輛汽車就可以減少515 kg 的二氧化碳排放[4]。日本豐田公司的Raum 車型采用洋麻纖維/PLA 復(fù)合材料制作備胎蓋板。麻纖維增強(qiáng)聚乳酸材料性能優(yōu)異，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了完全降解，是能夠助力汽車低碳化轉(zhuǎn)型的優(yōu)選材料。但自主品牌汽車還沒有麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料應(yīng)用的案例。

2 麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材的基本性能

以黃麻纖維和聚乳酸纖維為原料，采用纖網(wǎng)模壓法制備了3 種不同黃麻纖維含量的黃麻纖維/聚乳酸復(fù)合板（PLA-1: 60%麻纖維+40%聚乳酸；PLA-2:50%麻纖維+50%聚乳酸；PLA-3:40%麻纖維+60%聚乳酸）。

前期研究結(jié)果表明，麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材的基本力學(xué)性能與汽車常用的麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料板材相當(dāng)，如表1所示。隨著聚乳酸含量的提升，材料的熱變形溫度不斷升高。PLA-2 顯示出最高的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。同時(shí)，麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材的吸水性、尺寸穩(wěn)定性和阻燃性等性能均通過驗(yàn)證，可以滿足汽車內(nèi)飾部件的應(yīng)用要求，具有在汽車部件應(yīng)用的可行性[1]。

表1 麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材和麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料板材的基本力學(xué)性能

3 麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材的自然環(huán)境濕熱老化試驗(yàn)

汽車部件的使用環(huán)境復(fù)雜，設(shè)計(jì)使用時(shí)間十年或更長。麻纖維和聚乳酸的吸水性較強(qiáng)，同時(shí)作為生物基可降解材料，材料的耐水解和耐老化性能決定了能否滿足汽車部件的長期使用要求[5]。為了更加真實(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)估麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料的耐水解和耐濕熱老化性能，選擇海南瓊海試驗(yàn)場(chǎng)，設(shè)計(jì)了42 天自然環(huán)境下的濕熱老化試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件及方法

海南瓊海試驗(yàn)場(chǎng)是典型的高溫高濕環(huán)境，試驗(yàn)周期內(nèi)的氣象條件見表2。試驗(yàn)周期內(nèi)，平均溫度30 ℃，平均相對(duì)濕度79%。42 天內(nèi)的輻射總量高達(dá)561.35 MJ/m2，相當(dāng)于14 萬次汽車外飾件氙燈加速老化試驗(yàn)累積的輻射量。將三種麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材樣條傾斜45°角固定于戶外的樣品架上，通過定期追蹤樣條力學(xué)性能和形貌的變化，可以精準(zhǔn)評(píng)估材料的耐水解和耐濕熱老化性能。

表2 試驗(yàn)周期內(nèi)的氣象條件

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

如圖1a 所示，隨著時(shí)間延長，麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材的力學(xué)性能呈明顯的下降趨勢(shì)。圖1b 所示，麻纖維含量越多，力學(xué)性能下降趨勢(shì)越明顯。PLA-1 試驗(yàn)7 天后的拉伸強(qiáng)度保持率僅為49%，在試驗(yàn)28 天后下降到26%。相對(duì)地，PLA-3試驗(yàn)7 天后的拉伸強(qiáng)度保持率高達(dá)90%，在試驗(yàn)42天后下降到52%。

圖1 麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材

3.3 形貌測(cè)試

一般認(rèn)為，界面是影響纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素[6]。在麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材中，聚乳酸浸潤/包覆麻纖維，形成連續(xù)的載荷傳遞路徑，如圖2所示。

圖2 麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材SEM圖像

在初始階段（0 天），成片的聚乳酸將麻纖維連接在一起。7 天試驗(yàn)后，PLA-1 中已觀察不到明顯的成片的聚乳酸。推測(cè)聚乳酸在自然濕熱環(huán)境下，發(fā)生了脫落和老化。界面連接的破壞，影響了界面粘合性，進(jìn)而嚴(yán)重影響了界面對(duì)于載荷傳遞的作用，造成了PLA-1 在7 天試驗(yàn)后拉伸強(qiáng)度的大幅下降。但對(duì)于PLA-2 和PLA-3，7 天試驗(yàn)后，仍觀察到了明顯的片狀聚乳酸基體，將麻纖維緊密連接在一起。推測(cè)麻纖維含量的提升，一方面，會(huì)使得聚乳酸對(duì)其包覆性變差，繼而導(dǎo)致界面粘合性下降，內(nèi)部缺陷增多；另一方面，麻纖維強(qiáng)大的吸水性在試驗(yàn)中會(huì)引起板材變形和含水量增加，加速聚乳酸的脫落和老化，降低界面粘合性[2]。因此，麻纖維含量最多的PLA-1，表現(xiàn)出了最差的耐水解和耐濕熱老化性能。

隨著試驗(yàn)時(shí)間延長，證明了以上的推測(cè)。麻纖維含量最低的PLA-3 在試驗(yàn)42 天后仍可觀察到連接在一起的麻纖維和片狀聚乳酸，顯示出良好的耐水解和耐濕熱老化性能。

4 麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材立柱護(hù)板試制及性能測(cè)試

選用PLA-3（40%麻纖維/60%聚乳酸），使用某量產(chǎn)車型的立柱護(hù)板模具，模壓制作麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材汽車樣件，如圖3所示。材料的成型性良好，樣件的外觀無變形/飛邊/毛刺/開裂/皺褶等缺陷。進(jìn)一步對(duì)麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料立柱護(hù)板進(jìn)行耐久性和內(nèi)飾通用的性能測(cè)試，用來評(píng)測(cè)材料在汽車應(yīng)用的可行性。

圖3 麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料立柱護(hù)板樣件

4.1 耐久性測(cè)試

通過一系列的耐久性測(cè)試，考察麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料立柱護(hù)板對(duì)溫度、濕度和外力（沖擊和摩擦）的耐抗性。

4.1.1 耐高溫性能

試驗(yàn)溫度（100±2）℃，試驗(yàn)時(shí)間（24±0.5）h，在濕度為5%的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)后試樣未出現(xiàn)開裂、變形、發(fā)粘、變色、功能失效等異?，F(xiàn)象。

4.1.2 耐低溫性能

將試樣在放置在溫度為（-40±2）℃的低溫箱中（24±0.5)h。

試驗(yàn)后試樣未出現(xiàn)開裂、變形、發(fā)粘、變色、功能失效等異?，F(xiàn)象。

4.1.3 溫濕交變

a．（100±2）℃，15.5 h；

b.（23±2）℃，50%濕度，0.5 h；

c.（50±2）℃，95%濕度，15.5 h；

d.（23±2）℃，50%濕度，0.5 h；

e.（-30±2）℃，7.5 h；

f.（23±2）℃，50%濕度，0.5 h，4 個(gè)循環(huán)。

試驗(yàn)后試樣未出現(xiàn)開裂、變形、發(fā)粘、變色、功能失效等異?，F(xiàn)象。

4.1.4 氙燈加速老化

輻照度（1.20±0.02）W/m2（波長420 nm），黑板溫度（89±3）℃，箱體空氣溫度（62±3）℃，相對(duì)濕度（50±5）%的試驗(yàn)條件下，運(yùn)行3.8 h 光照循環(huán)；黑板溫度（38±3）℃，箱體空氣溫度（38±3）℃，相對(duì)濕度（95±5）%的試驗(yàn)條件下，運(yùn)行1 h 黑暗循環(huán)；循環(huán)21 次，總時(shí)間100.8 h。

試驗(yàn)后試樣光照面無粉化、裂紋、斑點(diǎn)、發(fā)粘、疏松狀態(tài)、分層、翹曲、溶脹、噴霜、析出、變軟、變硬等變化，色牢度≥4 級(jí)。

4.1.5 耐霉變性能

在被測(cè)試樣件平坦區(qū)域截?。?00×100）mm2試片，放在玻璃干燥器內(nèi)的支架上，確保不弄濕試樣，蓋上蓋子，放入溫度為（40±1）℃的鼓風(fēng)烘箱中7 天。

試驗(yàn)后試樣表面沒有霉變斑點(diǎn)，滿足外觀要求。

4.1.6 耐摩擦色牢度

按照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取愤M(jìn)行試驗(yàn)。

a.干態(tài)：變色≥4 級(jí)，沾色≥4 級(jí)；

b.濕態(tài)：變色≥4 級(jí)，沾色≥4 級(jí)。

4.1.7 耐沖擊性能

將樣件放置在（-40±2）℃低溫箱中，經(jīng)過6 h后，在冷凍狀態(tài)下用500 g 的鋼球，從300 mm 高度落下沖擊，沖擊試樣表面至少5 個(gè)點(diǎn)。

沖擊試驗(yàn)后試樣表面及背部結(jié)構(gòu)未發(fā)生破損現(xiàn)象。

4.1.8 耐刮擦性能

使用網(wǎng)格刮擦法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果合格。

4.2 揮發(fā)性測(cè)試

乘用車內(nèi)飾件的揮發(fā)性，是決定其應(yīng)用可行性的重要因素。如表3所示，麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料立柱護(hù)板的氣味性、冷凝組分及VOC 性能，均能夠滿足內(nèi)飾部件的設(shè)計(jì)要求。

表3 麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料立柱護(hù)板揮發(fā)性測(cè)試結(jié)果

4.3 其他內(nèi)飾通用性測(cè)試

4.3.1 阻燃性

實(shí)測(cè)33.8 mm/min，符合GB 8410—2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》對(duì)汽車內(nèi)飾材料的要求（≤100 mm/min）。

4.3.2 禁限用物質(zhì)

測(cè)試結(jié)果符合GB/T 30512—2014《汽車禁用物質(zhì)要求》的規(guī)定。

通過以上測(cè)試證實(shí)，麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材可以滿足立柱護(hù)板的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

在自然環(huán)境濕熱老化試驗(yàn)中，40%麻纖維/60%聚乳酸復(fù)合材料板材展現(xiàn)出良好的耐水解和耐濕熱老化性能。材料的成型性良好，模壓成型的立柱護(hù)板可以滿足設(shè)計(jì)開發(fā)要求。因聚乳酸的分子量高于聚丙烯，所以PLA-3 的密度（464.9 kg/m3）高于原麻纖維/PP 復(fù)合板的密度（411.1 kg/m3），但仍能夠滿足汽車輕量化的需求。同時(shí)，隨著聚乳酸材料國內(nèi)產(chǎn)量的不斷提升，麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料板材的價(jià)格與麻纖維/PP 復(fù)合板的價(jià)格相當(dāng)，具有在汽車量產(chǎn)應(yīng)用的潛力。