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天然纖維增強材料用于汽車制造業

時間:2005-07-02

關鍵詞:天然纖維增強材料用于汽車制造業來源：www.newmaker.com

        隨著人們保護環境意識的日益增長，各種天然纖維又重新被人們進一步認識而再次步入汽車部件的領域。天然纖維憑著重量和成本方面的優勢，在汽車內飾件制造的應用愈來愈普及，并已開始了用于汽車外部部件。

         隨著人們保護環境意識的日益增長，各種天然纖維又重新被人們進一步認識而再次步入汽車部件的領域。天然纖維作為隔熱/音和阻尼材料、特別是作為聚合材料的填充和增強材料，因在重量和成本方面的優勢在汽車內飾件制造中的作用愈來愈大，并已開始了用于汽車外部部件（如擋泥板襯和擾流板等）的嘗試。

         性能優勢

        汽車用天然纖維主要是指植物纖維，如洋麻、大麻、亞麻、黃麻和劍麻等麻纖維及椰殼纖維等。與合成纖維相比，天然纖維及其復合材料具有如下性能方面的優勢。

        生態保護性能：麻纖維生長期短、生長環境要求不高；其生長過程無需農藥和化肥；生長、收獲、加工的能量消耗較少；對二氧化碳的吸收能力強，具有減緩“溫室效應”的作用；生產過程無“三廢“污染、使用過程也無有害的游離化學物質（如近來備受關注的“甲醛”）和微粒（玻璃纖維成分）；無需化學膠粘劑，可在一步法成形過程中與基材熱粘合；替代化纖和塑料等人造材料，可節約有限的石油資源；焚燒時無毒物排放、填埋后可生物降解；可再生循環利用；

         應用性能：麻纖維復合材料的隔熱、吸音性能好；能量吸收能力好、耐沖擊，無脆性斷裂（對提高汽車的安全性很有利）；燃燒速率低；具有良好的剛度、切口韌性、斷裂特性；低溫性能好；

         成形工藝性：可用較低壓力、一步法成形產品，節省機器和模具的投資、簡化加工工藝（附座和裝飾層等可與坯材一步合成、無需化學粘接和后續加工）；可成形大拉伸、復雜的三維形狀。天然纖維在加工中還表現出對模具的磨蝕作用較低；

        質輕：密度低、重量可減輕10~30%（順應汽車輕量化要求，提高燃油效率）；

        原料成本低、麻纖維來源廣泛；邊角料可以重新破碎后進行熱塑加工，幾乎沒有廢料產生。

         加工方式

          作為填充材料

         麻纖維復合材料的可燃性與滑石粉填充的化合物相類似（50%短纖維填充PP的氧指數是19.7%，滑石粉填充PP的氧指數是18.2%~20%）。采用類似擠出模壓成形的工藝可以在線對PP和天然纖維進行混配。在線化合和模壓天然纖維復合材料報告其拉伸強度和切口沖擊強度均比礦物填充PP為佳。天然纖維材料所具有的良好強度/重量比可替代玻璃纖維填充塑料用于汽車內飾。

         天然纖維也可用于聚氨酯復合材料。1999年款的S級“奔馳”汽車的門內板是第一個采用這種工藝的，它采用了35%的半硬PUR彈性體和65%的亞麻、洋麻和劍麻混合物。擠出機廠家也在開發將天然纖維直接引入混料頭的設計，從而不需經過制氈過程。1999年歐寶（Opel）的“Zefira”牌微型車的頂棚采用兩層劍麻氈網中間放置PUR發泡材料的方法制成。

          模壓成形

         因各公司的開發技術細節各異，該成形工藝也有不同，但均適用于天然纖維的加工。通常其不同在于纖維和粘合的聚合物組合方法及送入模具的方式。有些工藝使用預先熔化的聚合物，有些在模壓前使用纖維狀的聚合物與植物纖維制成混雜的氈板，有的在模壓前在纖維氈上加入聚合物粉末。幾乎所有的加工都是把纖維制成氈板形式，纖維的制備和氈板的加工就是技術關鍵。熱固型復合材料因其回收方面的局限，從而市場的主流以熱塑性復合材料為主。

        此外，還有結構反應注塑（S-RIM）和短纖維增強注塑成形。傳統的塑料加工和復合材料生產的工藝方法結合天然纖維的加工特點，是各種技術開發項目的切入點。

         在汽車制造中的應用

        目前各汽車工業大國已經開始大量使用天然纖維復合材料，生產的產品有：轎車的門內板、行李廂、頂棚、座椅背板、衣帽架、儀表盤；以及卡/客車的車廂內襯板、門板、頂棚、座椅背板等。

         麻纖維復合材料可用來替代木纖維和玻璃纖維增強的復合片材以及ABS塑料件，因為在相同的重量情況下天然纖維增強材料制成的產品可具有25%～30%的強度提高以及上佳的非脆性斷裂特性。德國R+S公司在北美的“LoPreFin”工藝特許生產廠商已經得到門板側面沖擊的4星級評價。這一門板用于99版的“SAAB（紳寶）”9S轎車，這是第一次天然纖維復合材料達到如此嚴格的技術要求。這一成功使GM（通用汽車公司）對天然纖維復合材料的應用予以關注。德爾福（Delphi）公司用改進樹脂纖維的偶聯性來提高天然纖維復合材料的性能，改善粘合性可以顯著地改善沖擊強度。

        偉世通（Visteon）公司采用一步模壓成形方法，使用的是德國R+S公司的成形設備，其第一個產品是福特公司“Mondeo”牌汽車的門板。中國“中華”牌轎車以其前衛的設計理念率先采用麻纖維天然材料制造門板、頂棚、衣帽架和行李廂襯板等內飾產品。德國戴姆勒-克萊斯勒（Daimler-Chrysler）公司研究中心進行的試驗表明，天然纖維復合材料部件具有很高的抗沖擊強度，并且它們的尺寸穩定性和耐侯性也很好。“奔馳”E級轎車門板開辟了高端應用的先河。

          在2000年日內瓦汽車展覽會上，德國“大眾”旗下的奧迪（Audi）公司展出了一輛Audi Az中型轎車，該車是世界上第一款批量生產的全鋁合金車身汽車，它的重量比一般的轎車要輕得多。為了減輕其內裝飾件的重量，設計人員選用麻纖維氈增強聚氨酯樹脂制造車門內裝飾板。

         除了內裝飾材料外，汽車工業還可應用天然纖維復合材料制造汽車的其它部件。研究和設計人員正在研究將天然纖維復合材料用于大客車的發動機罩和變速箱蓋。據研究表明，使用天然纖維可以使發動機的重量減輕10%，并可將生產所需的能源消耗降低80%。同時天然纖維加強部件的成本比強化玻璃纖維部件下降5%。戴姆勒－克萊斯勒近日宣布，天然纖維加強發動機和變速器箱將作為“奔馳Travego”牌旅行車的標準裝備。

        荷蘭的供應廠商為福特公司的“Focus”牌汽車生產采用大麻纖維增強PP材料的發動機護罩，其重量比用玻璃纖維的材料輕30%。這生產工藝有個障礙：PP的工藝溫度（190~250攝氏度）與纖維素的降解溫度（300攝氏度）較為接近，但基材的模壓、面層復合和邊料沖裁可一步完成，無須粘膠和二次（后續）加工。

         新技術開發

         過去使用其它天然材料（用于隔熱、隔音和襯里的廢紡，以及內飾件的木粉板）的主要原因是其價格便宜，而改進產品的技術性能可以提高材料的附加值，從而提高材料的等級。天然纖維的比強度（強度：重量）高于玻璃纖維增強材料，因此15%的輕質化是可以實現的。這是目前最具吸引力的技術開發動力之一。以前天然材料在塑料中的應用大多止步于作為填充料的木粉。但其它植物的莖桿和葉子中的長纖維（故稱“韌皮纖維”）可比木粉對塑料提供更好的機械增強作用，而且成本也更低。木粉復合材料與滑石粉和云母填充PP在汽車應用方面大范圍地競爭，而天然長纖維復合材料瞄準的則是玻璃纖維復合材料。在歐洲對于吸入玻璃纖維引起的體內存留的健康問題的關注日見成風。

         天然纖維通常要在230℃以下加工。這樣就限制了一些需要較高溫度加工的聚合物和制造方式的應用。在替代玻璃纖維方面這可能是主要的問題。另外天然纖維的特性之一是其吸收和儲存潮氣，在座椅襯墊的應用中期望具有這樣的性能，但對其它應用場合必須防止吸潮，這也是直至目前天然纖維復合材料止步于汽車內飾材料的主要原因。調整材料成分并對工藝進行優化，使吸水量減少到與玻璃纖維化合物類似的水平是有可能的。從而可打開新的應用領域，也可替代玻璃纖維材料在外部零部件制造的應用。

         目前各國的科研機構（院校和專業公司）開展的研究項目如下：
產品中纖維的定向與分布對最終產品功能的影響，并推出了計算機評價定向性的軟件；

         纖維表面的改性工藝（用甲基丙烯酸酐對纖維表面羥基的酯化作用）、等離子處理等和利用光譜和界面分析方法對纖維表面的形態、粗糙度、浸潤性和結晶性（再結晶溫度、冷卻速度）等影響纖維與本體粘和性能的參數進行研究，以改善纖維和本體的相互作用效果；

         取代傳統漚麻方法的纖維制備工藝方法的研究，各種細菌和酶對原麻去膠作用。如何既有效的離析纖維又對性能無大損壞，從而使其制成的復合材料的性能更具競爭力；

          使用化學/物理方法改變纖維的自然結構（化學成分、結晶度、取向性和聚合度等），從而提升天然纖維本體的性能；

         采用植物提取物作為基體和麻纖維混合制成的所謂“生物塑料”制造汽車內飾件；

        世界黃麻組織推動的改性PP與黃麻混合制成“麻塑粒子”。盡管使用天然纖維制造工業產品是從生態方面啟動的，今后會在天然纖維的技術特性和優勢方面重點發展。發展的趨勢是增強天然纖維材料的性能、縮小與合成材料的差距；特為技術性能培植纖維作物、繼續研發纖維制備方法和加工工藝進一步改進性能。從而替代玻璃纖維在更廣闊的高端性能方面得以應用。今天，天然纖維展現在我們面前的應用前景可能只是“浮出水面的冰山一角”而已。中國在天然纖維的應用方面也已起步，但研究尚顯不足。中國是農業大國、也是世界產麻的大國之一，應用的前景十分廣闊。

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