汽車用纖維材料的開發(fā)與應(yīng)用

汽車用纖維材料的開發(fā)與應(yīng)用

1紡織機主要用于紡織1.1在其他材料上的應(yīng)用車輪窗材料主要采用錦倫、纖維、芳香、粘合劑等有機纖維。根據(jù)車輪類型、部件和性能要求，可分為多種類型。其他也可使用鋼絲、玻璃纖維等無機纖維。輪胎簾子線對纖維的強度、剛性(彈性模量)、與橡膠的粘合性、耐疲勞性、尺寸穩(wěn)定性和耐熱性等要求很高。1.2高伸長型汽車安全管理汽車用安全帶分為前排用和后排用兩種,它們對纖維的要求有所不同,大體可分為低伸長型(斷裂強度28～33kN,在11.07kN時的伸長率為4%～7%)和高伸長型(斷裂強度27～28kN,在11.07kN時的伸長率為11%～13%)兩類。其中低伸長型變形小,束縛能力強,適用于在前排就座的駕駛員和副駕駛員使用;而后排就座的乘員遇到突發(fā)情況時有一個緩沖過程,可以采用高伸長型,以適當(dāng)吸收能量。每條安全帶的長度約2.6～3.6m。目前,汽車安全帶主要以滌綸工業(yè)絲為原料。汽車安全氣囊分為駕駛員用、副駕駛員用、側(cè)面用和膝蓋用等多種,分別安放在不同的位置。安全氣囊要求的特性是:優(yōu)良的耐沖擊強度;環(huán)境耐久性;長時間彎曲能保持強度;耐高溫;輕、薄、柔軟;摩擦阻力小。1.3車內(nèi)飾材料的使用汽車內(nèi)飾用紡織品主要包括座椅面料、地毯、頂棚、車門內(nèi)襯等,其功能是美化車內(nèi)環(huán)境,使乘客感覺舒適,對外觀和材質(zhì)也都有特殊要求。據(jù)統(tǒng)計,2010年我國約需汽車座椅面料1.1億m汽車內(nèi)飾用纖維材料要求安全性(如阻燃性、環(huán)保性等)、功能性(如抗靜電、防水透濕、抗菌防污等)、耐久性(如耐熱、耐光、耐磨等)和舒適性。一般,車門內(nèi)飾材料為滌綸長絲或短纖加工的機織布或針織布;頂棚內(nèi)飾材料為滌綸非織造布或針織布;車內(nèi)地毯和行李廂內(nèi)襯通常使用錦綸、滌綸或丙綸的長絲機織物或短纖維針刺非織造布;座椅外包裝一般是真皮或滌綸/錦綸基材的合成革;方向盤及擋把手的包覆材料通常是錦綸或滌綸基材的合成革。此外,還有許多地方需要使用塊狀纖維作為隔熱、隔音和減震的填充物。由于汽車內(nèi)的環(huán)境狹小,考慮到車內(nèi)環(huán)境對人體健康的影響,內(nèi)飾材料除了采用阻燃、抗靜電、抗紫外線、抗菌防污等高功能纖維以外,還經(jīng)常選用一些具有特殊功能性的纖維,如芳香纖維、變色纖維等。2復(fù)合材料增強用纖維汽車用紡織品的纖維材料主要以合成纖維(滌綸、錦綸、丙綸、芳綸等)為主,復(fù)合材料增強用纖維包括玻璃纖維、碳纖維、麻纖維等的應(yīng)用有不斷上升的趨勢。2.1石油基合成纖維2.1.1汽車的斜交胎和大型輪胎錦綸耐疲勞性好、與橡膠的粘合性好、斷裂強度和斷裂伸長率高,主要用于汽車的斜交胎和大型輪胎。大型載重汽車和飛機要求輪胎的耐熱性和耐疲勞性高,多采用錦綸66簾子線。近年來,汽車斜交胎逐漸向子午胎轉(zhuǎn)變,錦綸簾子線也正逐漸被滌綸取代。2.1.2elk可調(diào)式聚酯纖維滌綸在汽車用紡織品中主要應(yīng)用于輪胎簾子線和內(nèi)飾材料,特別是在汽車內(nèi)飾材料中占有絕對優(yōu)勢(90%以上)。滌綸的模量比錦綸高,尺寸穩(wěn)定性好,而且能夠改善錦綸簾子線的“平點”效應(yīng),主要用于轎車輪胎。特別是近年來發(fā)展較快的高模低縮型(HMLS)滌綸,比常規(guī)滌綸的熱收縮率降低50%,模量提高25%,其發(fā)展目標(biāo)是具有比粘膠纖維更低的熱收縮率和更高的模量(8cN/dtex以上),但滌綸的缺點是與橡膠的粘合性較差。關(guān)于滌綸的高強度化,日本發(fā)布了比傳統(tǒng)滌綸工業(yè)絲強度高70%的研究成果,期待將來能成為輪胎輕量化的簾子線素材。帝人公司的特殊聚酯纖維ELK非織造材料加工的座位緩沖材料已被新型車輛用作靠背墊。與相同體積的普通聚氨酯泡沫相比,重量約減輕了20%,且所用聚酯纖維可回用以降低環(huán)境負荷。該產(chǎn)品由ELK纖維與聚對苯二甲酸丙二酯復(fù)合成型。普通聚酯纖維非織造材料在制造時,烘干機的溫度是160℃左右,而ELK纖維需要200℃以上,耐高溫性和緩沖性極佳。Federal–Mogul公司最近開發(fā)了一種阻燃滌綸,據(jù)稱是世界上首款既能滿足無鹵阻燃又不會發(fā)生熔滴現(xiàn)象的產(chǎn)業(yè)化阻燃滌綸,目前已通過UL1441VW–1測試(用于測試電線材料等阻燃性的最高標(biāo)準(zhǔn)之一),可用于汽車內(nèi)飾紡織品及電線絕緣材料等中。據(jù)介紹,該產(chǎn)品之所以能滿足如此高的阻燃級別要求,是因為使用了兩種基于三聚氰胺的材料,這兩種材料在受熱分解時可吸熱,同時冷卻周圍燒著的材料,并呈燒焦?fàn)?從而可以避免形成熔滴。其成分在受熱后汽化,從而可以稀釋材料表面的氧氣濃度實現(xiàn)阻燃。2.1.3聚丙烯復(fù)合材料在汽車塑料件材料中,聚丙烯用量最大、發(fā)展最快,其大部分是通過改性用于注塑成型的汽車保險杠、側(cè)護板、擋泥板等外裝件及儀表盤、車門內(nèi)板、行李廂蓋等內(nèi)飾件及空氣過濾器罩、風(fēng)扇葉片等功能部件。自增強聚丙烯復(fù)合材料(SR–PP)是國外最新開發(fā)應(yīng)用的一種熱塑性復(fù)合材料,由英國Leeds(利茲)大學(xué)研制成功。該產(chǎn)品是由高取向丙綸及各向同性聚丙烯基材組成的100%聚丙烯片材,主要用于車底遮護板,除了重量輕、抗沖擊性能好外,還具有優(yōu)異的抗石擊和耐磨性。另外,SR–PP使車底部件可以采用更薄的材料,在汽車減重方面也具有較大的潛力。2.1.4可選用的材料PEN纖維由于具有模量高、強度大、尺寸穩(wěn)定性好、彈性足、剛性好、熔點和玻璃化溫度較高、熱穩(wěn)定性好,化學(xué)穩(wěn)定性和抗水解性優(yōu)異等性能,在產(chǎn)業(yè)用紡織品中被十分看好。目前該纖維在汽車中主要可用于5個方面。(1)汽車防沖撞用安全氣囊。這種安全氣囊折疊后的體積小、重量輕、強度高、阻燃性好。(2)輪胎和傳送帶的骨架材料。由于PEN纖維具有較大的回彈性和剛性,能夠滿足橡膠骨架材料耐高溫性、抗疲勞性、抗沖擊性、粘合性和抗蠕變性的要求,成為替代鋼絲、錦綸66、滌綸、粘膠纖維及芳綸等的理想的簾子線材料,而且PEN與橡膠的粘合性非常好。(3)內(nèi)飾材料。如PEN(7%～20%)與PET(80%～93%)的共聚物,具有80℃以上的玻璃化溫度,能夠用于轎車座椅的絨面織物。PEN/PET雙組分纖維可用于耐受溫度更高的內(nèi)裝飾材料。(4)增強材料。PEN纖維增強材料可用于汽車發(fā)動機罩等中。(5)過濾材料。PEN具優(yōu)良的耐化學(xué)品性和耐熱性,是一種理想的過濾材料。2.2高性能纖維2.2.1芳綸紗線芳綸具有優(yōu)良的機械性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),在汽車上多用于制動系統(tǒng)上,耐摩擦材料是芳綸的最大市場。芳綸簾子線具有很高的強度和模量,適用于高級轎車輪胎。為降低成本,可使用芳綸/錦綸混紡的輪胎簾子線。2.2.2在汽車上的應(yīng)用德國NOLDEN(諾頓)汽車新概念公司將最新碳纖維加熱元技術(shù)應(yīng)用在汽車座椅的加熱裝置中,從而使汽車駕駛更加舒適,也提高了汽車的檔次。人們能夠感到座椅的溫暖和舒適,而感覺不到碳纖維的集中加熱源。與傳統(tǒng)的熱電阻絲座椅加熱技術(shù)相比,碳纖維加熱元技術(shù)顯示出了更多的優(yōu)點。為了實現(xiàn)汽車的輕量化,進而達到節(jié)能和減排的目的,碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用越來越多。碳纖維復(fù)合材料能夠使車身重量減輕40%～60%。碳纖維也可應(yīng)用在高強承力件上。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料用于某些汽車的發(fā)動機罩上時,其重量還不到玻璃纖維復(fù)合材料的33%。目前,碳纖維復(fù)合材料主要用于航空領(lǐng)域,對汽車僅限定在部分高級車中使用。日本東旭公司在名古屋建造了一座碳纖維工廠,專門生產(chǎn)碳纖維材料的汽車零部件,主要供給豐田和日產(chǎn)兩家公司。現(xiàn)階段,高性能纖維生產(chǎn)商與汽車制造商實現(xiàn)了更多的互動。最近,日本東麗公司與德國戴姆勒公司合作,計劃在德國建設(shè)1座碳纖維制品工廠,用于制造奔馳車型所需要的碳纖維零部件,主要是利用RTM工藝縮短碳纖維車身結(jié)構(gòu)的制造周期。據(jù)稱每年可提供2.5萬～3.0萬臺碳纖維車身。而寶馬公司也與德國SGL公司合作,在美國為即將上市的Megacity電動車生產(chǎn)碳纖維制品。另外,日本啟動了ALSTECC項目“地球溫暖化防止新技術(shù)/汽車輕量化碳纖維增強復(fù)合材料的研究開發(fā)”,以開發(fā)重量僅為鋼結(jié)構(gòu)50%、而安全性超出50%(以能量吸收量計算)的CFRP車體結(jié)構(gòu)為目標(biāo),開發(fā)了高循環(huán)一體成型技術(shù)、與不同材料的接合技術(shù)、考慮能量吸收的安全設(shè)計技術(shù)和回收再生技術(shù)等。2.2.3聚酮纖維的性能與用于輪胎簾子線的錦綸、滌綸、粘膠纖維等相比,聚酮纖維具有更高的強度和模量,同時與橡膠粘合性好、適于輪胎增強。POK纖維適于做轎車輪胎的胎體,其作為芳綸輪胎簾子線的可能性替代產(chǎn)品受到關(guān)注。2.3生物纖維2.3.1增強復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用在汽車內(nèi)飾紡織品中,由于車內(nèi)環(huán)境較小的固有特性,因此較多地使用了合成纖維原料。而天然纖維的優(yōu)良性能是合成纖維無可比擬的,如輕量化、環(huán)保、隔熱性與舒適性佳等,其在汽車用紡織品中的應(yīng)用也一直受到關(guān)注。近年來,國外汽車內(nèi)飾材料的研究開發(fā)已逐漸重視采用麻類纖維,歐洲汽車工業(yè)使用的麻類纖維自1996年以來有了很大增長。黃麻、洋麻、苧麻等韌皮纖維,由于彈性模量高而作為FRP(纖維增強塑料)的增強纖維使用。汽車頂棚和后座板等因為對彎曲剛性要求較高,一直用玻璃纖維進行增強,但韌皮纖維作為其替代品正被研究使用。在歐洲和北美等市場,熱塑性、熱固性植物纖維復(fù)合材料被用于制作汽車門板、包廂和座椅等中。如利用50%的PP和50%天然纖維制成的增強復(fù)合材料,其克重為450～2400g/m德國Quadrant公司開發(fā)的植物纖維增強復(fù)合材料在汽車內(nèi)裝飾領(lǐng)域占有重要位置,其“Nafcoform”產(chǎn)品,使用50%的PP和50%的洋麻、大麻或亞麻,產(chǎn)品克重300～3000g/m克萊斯勒公司2005年開始在A級兩門乘用車上使用植物纖維增強復(fù)合材料,使用的產(chǎn)品包括瑞士Reiter(立達)公司提供的PP/馬尼拉麻天然纖維增強復(fù)合材料。目前PP、PE與含量25%～75%的洋麻、大麻或其他纖維素纖維制成的復(fù)合材料已投放市場。隨著能源壓力和低碳消費呼聲的增長,汽車工業(yè)面臨著巨大的競爭壓力,日本市場的動向顯示,期望繼續(xù)改進天然纖維復(fù)合材料品質(zhì),用以替代或減少玻璃纖維帶來的危害。歐洲雖然至今尚未出臺限定使用天然纖維復(fù)合材料的相關(guān)法規(guī),但隨著石油資源的不斷減少,天然纖維復(fù)合材料的市場潛力已被越來越多的人們所認知。美國福特公司分析認為,天然植物纖維可與玻璃纖維混合使用,或制成以天然纖維為芯、玻璃纖維包敷其外的三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)品投放市場。另外,椰殼纖維等也已開始在汽車上得到應(yīng)用。由于粘膠纖維在常溫下具有高彈性,模量對溫度的依賴性較小,同時因為強度較低,使用纖維量較多而提高了剪切剛性,因而具有高模低縮的性能和與橡膠的良好粘合性,因此在汽車上主要用作輪胎簾子線。20世紀(jì)60年代用量較大,近年來有所減少。粘膠簾子線的操作穩(wěn)定性好,乘坐舒適,現(xiàn)在仍用于UHP(超高性能系)轎車輪胎、RFT(低壓輪胎,泄氣后仍能安全使用)、MC(兩輪車輪胎)的胎體材料等。2.3.3新技術(shù)的應(yīng)用PLA是以甘蔗渣或玉米等可再生資源為初級原料制成的聚合物,在自然環(huán)境下易被生物徹底分解成水和二氧化碳等,但耐熱性及耐沖擊性較差。PLA既可做成纖維,也可用于塑料,目前已被用作車門內(nèi)填充材料的熱粘合樹脂,但價格相對較高。如果耐久性等問題能得到解決,可以期待更進一步的普及。通常,PLA等環(huán)保型材料與一般的聚酯相比,其耐熱性能和耐磨損性能等較差,為了彌補這些缺點,日本東麗工業(yè)公司作了各種努力。除使用獨特的加水分解抑制技術(shù)改變聚合物的性質(zhì)外,還通過聚合物合金的方法,為紡絲工序的復(fù)合、高度加工階段的混纖復(fù)合等與石油基材料的復(fù)合開發(fā)了各種技術(shù)。通過綜合運用這些技術(shù),實現(xiàn)了汽車內(nèi)部裝飾用途所要求的高度耐久性能,使其產(chǎn)業(yè)化成為可能。目前,東麗和豐田紡織已為豐田汽車公司2010款雷克薩斯混合動力車“HS250h”提供了用于車頂棚、后備廂等的非織造覆蓋材料,其原料為PLA與普通PP。另外,東麗公司還為該款車提供了用“海島型”雙組分纖維非織造布加工的地毯,其中PLA含量為30%～50%。據(jù)透露,東麗公司雙組分PLA纖維的年產(chǎn)能約為200t,計劃在2015年增長至5000t,并拓展其應(yīng)用范圍。帝人公司在2004年就與第三方研究機構(gòu)合作開始研究生物基塑料,并成功開發(fā)了全新的耐熱生物塑料,在2007年以統(tǒng)一的品牌名Biofront正式投放市場,稱為第一代Biofront。Biofront的突出特點之一是其熔點高達210℃,相對于傳統(tǒng)PLA170℃的熔點而言有了大幅改善,其性能與原油合成的常用耐熱塑料聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)相當(dāng),可用于傳統(tǒng)PLA不適用的高溫場合。優(yōu)良的耐熱性使其能夠承受染整時的高溫高壓,并使最后的產(chǎn)品滿足汽車內(nèi)飾的高質(zhì)、高耐受性要求。目前Biofront已被用于混合動力車的座椅上,其用戶包括馬自達等。雖然耐熱性得到了很大提升,但第一代Biofront在潮濕和高溫環(huán)境中容易水解,這一缺點限制了它的廣泛應(yīng)用。最近,日本帝人宣稱,公司將推出經(jīng)過改進的Biofront系列PLA產(chǎn)品,使其耐水解性比其他同類產(chǎn)品高出10倍,幾乎跟PET一樣耐用。此外,新產(chǎn)品還具有更佳的紡織性能,質(zhì)量更高,因為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與染整工藝得到了進一步優(yōu)化。據(jù)說帝人公司開發(fā)的新技術(shù)可以控制Biofront產(chǎn)品在高溫和高濕情況下的分子反應(yīng),這表示該聚合物能夠被用于像電子產(chǎn)品這樣的領(lǐng)域中。目前,這一新系列的BiofrontPLA產(chǎn)品已在帝人公司的松山工廠投入生產(chǎn)。2010年年初,DuPont(杜邦)公司宣布,日本豐田公司最新SAI車型采用杜邦Sorona3汽車用紡織材料的開發(fā)和再利用汽車用紡織品及其纖維材料的發(fā)展應(yīng)著重考慮以下幾個方面:(1)繼續(xù)加強功能性、安全性、環(huán)保性和裝飾性產(chǎn)品的開發(fā);(2)拓展高性能纖維、天然纖維及新型生物質(zhì)合成纖維材料的開發(fā)和應(yīng)用;(3)加快汽車材料的回收再利用;(4)加強纖維企業(yè)、汽車用紡織品加工企業(yè)及汽車企業(yè)等的產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。我國汽車用紡織品企業(yè)之前大多從事工業(yè)用布、復(fù)合材料和涂層材料等的生產(chǎn),尚處于產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)時期。通過上下游企業(yè)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)合,有助于形成規(guī)模化生產(chǎn),達到產(chǎn)品多樣化、專業(yè)化、功能化和系列化,進而創(chuàng)造出國際知名的汽車用紡織品品牌。2.3.2粘合劑纖維素rtm