天然纖維在汽車制造中的應用

天然纖維在汽車制造中的應用

天然材料成分，回收再利用的材料，近年來，由汽車制造行業(yè)開發(fā)的汽車零部件產(chǎn)品開始用于汽車零部件。第一種采用這種工藝制作的汽車內(nèi)飾組件的材料來源于大麻,大麻纖維可以同時抵御潮濕、寒冷、高溫和沖擊等多種因素。這種用天然生物合成材料制成的汽車零部件剛一問世,就加入到與用鋼鐵或加強纖維合成材料制成的傳統(tǒng)汽車零部件競爭的行列中。目前,在汽車制造行業(yè)中,與以皮革和木頭為主要原料的汽車內(nèi)飾組件和以橡膠為主要原料的輪胎制造相比,越來越多地利用天然纖維作為主要原料的生產(chǎn)制造活動開始占據(jù)主導地位。鑒于日益緊張的原材料和與日俱增的環(huán)境問題,天然纖維生物聚合物顯然擁有著極其廣闊的前景。除了韌皮纖維植物,如大麻、黃麻和洋麻(木槿屬植物)等外,還有一種葉纖維,這種葉纖維主要來源于植物的葉片和果實,西沙爾麻和阿巴卡(香蕉的一種)均屬于這種類型的植物。另外,木頭也是天然纖維材料的重要來源。一般情況下,汽車生產(chǎn)商將這種天然纖維材料加工成結(jié)實的纖維墊,作為承載骨架,然后再用膠合材料進行粘結(jié)。這種承載骨架可以由多種不同的材料組成,從丙烯酸鹽到酚醛樹脂,再到聚氨酯類以及生物聚合物,都是這種承載骨架的來源。所有這些材料都有一個共同的特性,就是隨著溫度的變化,其分子鏈聚合成穩(wěn)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),聯(lián)結(jié)成加強纖維。戴姆勒-克萊斯勒汽車公司從2004年開始使用阿巴卡植物制造汽車零部件,他們用從一種香蕉中提取的馬尼拉纖維代替玻璃纖維制造汽車輪胎,并將其作為奔馳A級轎車的備用輪胎。用馬尼拉纖維制成的紡織物具有抗拉、抗腐蝕等特點,并且是第一個能滿足汽車外部零部件使用要求的天然纖維。菲律賓的半成品生產(chǎn)商ManilaCordage將馬尼拉纖維加工成纖維半成品(見圖1),這種半成品再由供應商Rieter以卷軸的形式供應到瑞士。在那里,將纖維半成品與熱塑性聚丙烯混合后,即可加工成成品汽車零部件。“我們的出發(fā)點是改善框架結(jié)構(gòu)和提高天然纖維材料在汽車制造行業(yè)中的地位,”戴姆勒-克萊斯勒汽車公司結(jié)構(gòu)和傳動裝置部門的研究負責人Kohler博士滿懷信心地說,“我們會將這種可循環(huán)使用的原材料繼續(xù)用在具有經(jīng)濟價值和可行性的汽車配件上。”在2007款奔馳C級轎車上,有27個總質(zhì)量為17kg的零部件是由天然纖維材料制成的,例如:側(cè)圍的內(nèi)護板是由棉花和聚丙烯制成的,而車廂底板的襯墊則是由蜂窩紙制成的。工程師們還在油箱通風管上使用了一種天然原料,他們用橄欖焦炭作為活性碳過濾器,這種有孔的材料可以吸收油箱揮發(fā)出來的碳氫化合物(HC),并在汽車行駛過程中通過過濾器自行還原。對于大眾汽車公司的小型轎車FOX而言,它的內(nèi)部零部件不是由具有加強玻璃纖維的聚氨基甲酸乙酯泡沫構(gòu)成的,而是用卡羅阿葉有機纖維代替了玻璃纖維。與人造纖維聚丙烯混合材料一樣,這種有機纖維原材料可以100%回收再利用?？_阿葉有機纖維材料被用于制造FOX轎車的頂篷和后備廂襯板。這種有機纖維材料在加工中只消耗很少的能量,且不受濕度的影響。它的另外一個優(yōu)點是,與其它天然纖維材料相比,它是無味的。棉紡工業(yè)中產(chǎn)生的棉花殘料,被寶馬汽車公司首先應用于汽車的聲學領域。寶馬的工程師們將這種棉花殘料作為多功能隔音材料,用在寶馬5系列和7系列轎車的后備廂中(見圖2)。這種棉花殘料與棉花或羊毛混合加熱后,可以混紡或針織成各種材料。不久后,由天然纖維材料制成的汽車零部件就可以大量自動化生產(chǎn)了。來自德國奧芬巴赫的R+S技術(shù)公司發(fā)明了一種新材料,它是用兩層由天然纖維和羊毛組成的混合纖維將蜂窩紙板夾在中間,使得材料具有必要的結(jié)構(gòu)強度(見圖3)?！坝靡约?、紙板及紙箱板為核心層制成的人造泡沫材料制作凹形空腔件的襯板,可以提高其穩(wěn)定性和抗潮濕性,與原始的這種材料相比,它具有成本低和強度高等優(yōu)點?！盧+S技術(shù)公司的負責人ErnstSpengler這樣描述。此外,這種材料還用一種可以回收的人造泡沫作為不透水的表面涂層。FourMotors公司在利用生物材料方面也有新的進展,該公司在2006年首次將植物纖維用做生物柴油賽車車身的主要原料。FourMotors公司與Invent公司和DLR公司合作,在福特野馬轎車車身的基礎上,生產(chǎn)出了環(huán)保概念車(見圖4)。這種環(huán)保概念車的車身部分是由亞麻和棉花纖維織物加上液態(tài)生物聚合材料粘結(jié)制成的,其加工工藝是設法利用亞麻的惰性來制作高強度的聚合材料。亞麻纖維具有一定的剛度,棉花則具有一定的彈性,并具有較強的抗沖擊能力。DLR公司材料部門的UlrichRiedel博士介紹說:“我們采用樹脂注入法來聯(lián)結(jié)織物與基層,使其結(jié)合堅固。這樣,同時被浸透的纖維材料能夠井然有序地凝結(jié)?！鄙鲜龅恼麄€工藝過程在壓力熱釜中進行(見圖5)。值得一提的是,采用上述工藝制成的后備廂,不僅質(zhì)量很輕,而且具有很高的強度。為了達到這種效果,首先要在芯核上用手工拉伸4層織物,然后再進行涂膠,最后在材料上涂以亮漆。以一個總質(zhì)量為53kg的車身為例,采用這種材料,其車身質(zhì)量可以減輕42%。該環(huán)保概念車車身的減重情況詳見表1。環(huán)保概念車的問世,也給天然纖維材料在摩托車上的運用提供了可能。工程師們研究了天然纖維材料的技術(shù)特征。他們指出,這種材料具有良好的剛性和硬度,能夠承受高強載荷,同時又具有密度小、質(zhì)量輕等特性。最重要的是,當車輛發(fā)生意外事故時,這些纖維組織不會變成帶有棱角的碎片,甚至不會開裂。此外,很多天然纖維都是無味的,這一點對于制造商和車主來說,都是相當具有吸引力。但是,目前生物材料在汽車制造行業(yè)尚未被廣泛應用,人們對于這種材料還存在一個疑問,這就是它是否能滿足汽車工業(yè)對于材料阻燃性的要求。在Nova研究所進行的一項研究中,研究人員調(diào)查了25家汽車制造公司對于天然纖維材料、木頭加強纖維和生物聚合物在汽車領域應用前景的看法。Nova研究所的MichaelCarus先生介紹說:“總的說來,成本仍是人們議論的焦點。而且,這種材料的應用對現(xiàn)有的壓注機也提出了新的要求?！睘榱吮Ｗo生態(tài)環(huán)境,未來將對二氧化碳(CO2)的排放出臺更加苛刻的法規(guī),而采用較輕的天然纖維材料將有利于減少車輛的CO2排放量。汽車制造商們可能要采取必要的措施對現(xiàn)有的車型進行改進,因為從2007年1月1日起,歐盟各成員國已經(jīng)開始全面執(zhí)行歐盟公布的代號為“2000/53/EC”的《報廢汽車回收指令》。按照該指令的規(guī)定,到2015年,各汽車制造商投放到歐盟市場上的新款汽車,其材料回收率至少要占車輛總質(zhì)量的85%,材料可利用率至少要達到總質(zhì)量的95%。只有符合上述標準,汽車制造商才能獲得市場準入許可證,這就要求汽車制造商們必須盡快找到解決問題的辦法。顯然,盡可能地采用天然纖維材料是一條切實可行的途徑。目前,德國的汽車回收率已接近100%,法國、美國等國家報廢汽車的