汽车纺织品用纤维材料的开发:功能纤维及功能纺织品
汽车用纺织品的发展离不开新型纤维材料的开发和应用。目前,汽车用纤维材料主要以合成纤维(涤纶、锦纶、丙纶、芳纶等)为主,而随着消费市场对轻量化、环保等的诉求日益强烈,碳纤维、一些天然纤维及新型生物质纤维的应用有不断上升的趋势。本文介绍了几类主要的汽车用纤维材料的开发及应用情况,通过分析提出了这一领域今后的发展重点。
The development of automotive textiles is closely bonded with the research and application of new fiber materials. Currently, synthetic fiber (such as PET, PA, PP, aramid and etc.) is the primary type applied on automotive textiles industry. However, carbon fiber, some natural fibers and novel bio-fibers are finding their way into the market along with the consumers’ burgeoning call for lightweight and eco-friendly greener materials. Application and development status of several major automotive fiber materials were introduced and the highlighted fields that require more attention in the future are also outlined in the paper.
1汽车用纺织品的主要应用领域
1.1轮胎帘子线
轮胎帘子线材料主要使用锦纶、涤纶、芳纶和粘胶纤维等有机纤维,根据轮胎种类、使用部件及性能要求可分成许多种。其他也可使用钢丝、玻璃纤维等无机纤维。轮胎帘子线对纤维的强度、刚性(弹性模量)、与橡胶的粘合性、耐疲劳性、尺寸稳定性和耐热性等要求很高。
1.2安全带和安全气囊
汽车用安全带分为前排用和后排用两种,它们对纤维的要求有所不同,大体可分为低伸长型(断裂强度 28 ~ 33 kN,在 11.07 kN时的伸长率为 4% ~ 7%)和高伸长型(断裂强度 27 ~ 28 kN,在 11.07 kN时的伸长率为 11% ~ 13%)两类。其中低伸长型变形小,束缚能力强,适用于在前排就座的驾驶员和副驾驶员使用;而后排就座的乘员遇到突发情况时有一个缓冲过程,可以采用高伸长型,以适当吸收能量。每条安全带的长度约 2.6 ~ 3.6 m。目前,汽车安全带主要以涤纶工业丝为原料。
汽车安全气囊分为驾驶员用、副驾驶员用、侧面用和膝盖用等多种,分别安放在不同的位置。安全气囊要求的特性是:优良的耐冲击强度;环境耐久性;长时间弯曲能保持强度;耐高温;轻、薄、柔软;摩擦阻力小。
1.3内饰材料
汽车内饰用纺织品主要包括座椅面料、地毯、顶棚、车门内衬等,其功能是美化车内环境,使乘客感觉舒适,对外观和材质也都有特殊要求。据统计,2010年我国约需汽车座椅面料 1.1 亿m2,乘用车地毯 2 300 万m2,乘用车行李厢内衬 1 800 万m2,乘用车行李架用纺织品 760 万m2,汽车车门内板面料 810 万m2,汽车顶棚面料超过 2 600 万m2,安全带 9 100 余万米。
汽车内饰用纤维材料要求安全性(如阻燃性、环保性等)、功能性(如抗静电、防水透湿、抗菌防污等)、耐久性(如耐热、耐光、耐磨等)和舒适性。一般,车门内饰材料为涤纶长丝或短纤加工的机织布或针织布;顶棚内饰材料为涤纶非织造布或针织布;车内地毯和行李厢内衬通常使用锦纶、涤纶或丙纶的长丝机织物或短纤维针刺非织造布;座椅外包装一般是真皮或涤纶/锦纶基材的合成革;方向盘及挡把手的包覆材料通常是锦纶或涤纶基材的合成革。此外,还有许多地方需要使用块状纤维作为隔热、隔音和减震的填充物。
由于汽车内的环境狭小,考虑到车内环境对人体健康的影响,内饰材料除了采用阻燃、抗静电、抗紫外线、抗菌防污等高功能纤维以外,还经常选用一些具有特殊功能性的纤维,如芳香纤维、变色纤维等。
2汽车用纺织品的主要纤维材料
汽车用纺织品的纤维材料主要以合成纤维(涤纶、锦纶、丙纶、芳纶等)为主,复合材料增强用纤维包括玻璃纤维、碳纤维、麻纤维等的应用有不断上升的趋势。
2.1石油基合成纤维
2.1.1锦纶
锦纶耐疲劳性好、与橡胶的粘合性好、断裂强度和断裂伸长率高,主要用于汽车的斜交胎和大型轮胎。大型载重汽车和飞机要求轮胎的耐热性和耐疲劳性高,多采用锦纶66帘子线。近年来,汽车斜交胎逐渐向子午胎转变,锦纶帘子线也正逐渐被涤纶取代。
2.1.2涤纶
涤纶在汽车用纺织品中主要应用于轮胎帘子线和内饰材料,特别是在汽车内饰材料中占有绝对优势(90% 以上)。涤纶的模量比锦纶高,尺寸稳定性好,而且能够改善锦纶帘子线的“平点”效应,主要用于轿车轮胎。特别是近年来发展较快的高模低缩型(HMLS)涤纶,比常规涤纶的热收缩率降低 50%,模量提高 25%,其发展目标是具有比粘胶纤维更低的热收缩率和更高的模量(8 cN/dtex以上),但涤纶的缺点是与橡胶的粘合性较差。关于涤纶的高强度化,日本发布了比传统涤纶工业丝强度高 70% 的研究成果,期待将来能成为轮胎轻量化的帘子线素材。
帝人公司的特殊聚酯纤维ELK非织造材料加工的座位缓冲材料已被新型车辆用作靠背垫。与相同体积的普通聚氨酯泡沫相比,重量约减轻了 20%,且所用聚酯纤维可回用以降低环境负荷。该产品由ELK纤维与聚对苯二甲酸丙二酯复合成型。普通聚酯纤维非织造材料在制造时,烘干机的温度是 160 ℃左右,而ELK纤维需要 200 ℃以上,耐高温性和缓冲性极佳。
Federal � Mogul公司最近开发了一种阻燃涤纶,据称是世界上首款既能满足无卤阻燃又不会发生熔滴现象的产业化阻燃涤纶,目前已通过UL 1441 VW � 1测试(用于测试电线材料等阻燃性的最高标准之一),可用于汽车内饰纺织品及电线绝缘材料等中。据介绍,该产品之所以能满足如此高的阻燃级别要求,是因为使用了两种基于三聚氰胺的材料,这两种材料在受热分解时可吸热,同时冷却周围烧着的材料,并呈烧焦状,从而可以避免形成熔滴。其成分在受热后汽化,从而可以稀释材料表面的氧气浓度实现阻燃。
2.1.3丙纶
在汽车塑料件材料中,聚丙烯用量最大、发展最快,其大部分是通过改性用于注塑成型的汽车保险杠、侧护板、挡泥板等外装件及仪表盘、车门内板、行李厢盖等内饰件及空气过滤器罩、风扇叶片等功能部件。
自增强聚丙烯复合材料(SR � PP)是国外最新开发应用的一种热塑性复合材料,由英国Leeds(利兹)大学研制成功。该产品是由高取向丙纶及各向同性聚丙烯基材组成的100% 聚丙烯片材,主要用于车底遮护板,除了重量轻、抗冲击性能好外,还具有优异的抗石击和耐磨性。另外,SR � PP使车底部件可以采用更薄的材料,在汽车减重方面也具有较大的潜力。
2.1.4PEN纤维
PEN纤维由于具有模量高、强度大、尺寸稳定性好、弹性足、刚性好、熔点和玻璃化温度较高、热稳定性好,化学稳定性和抗水解性优异等性能,在产业用纺织品中被十分看好。目前该纤维在汽车中主要可用于 5 个方面。
(1)汽车防冲撞用安全气囊。这种安全气囊折叠后的体积小、重量轻、强度高、阻燃性好。
(2)轮胎和传送带的骨架材料。由于PEN纤维具有较大的回弹性和刚性,能够满足橡胶骨架材料耐高温性、抗疲劳性、抗冲击性、粘合性和抗蠕变性的要求,成为替代钢丝、锦纶66、涤纶、粘胶纤维及芳纶等的理想的帘子线材料,而且PEN与橡胶的粘合性非常好。
(3)内饰材料。如PEN(7% ~ 20%)与PET(80% ~ 93%)的共聚物,具有 80 ℃以上的玻璃化温度,能够用于轿车座椅的绒面织物。PEN/PET双组分纤维可用于耐受温度更高的内装饰材料。
(4)增强材料。PEN纤维增强材料可用于汽车发动机罩等中。
(5)过滤材料。PEN具优良的耐化学品性和耐热性,是一种理想的过滤材料。
2.2高性能纤维
2.2.1芳纶
芳纶具有优良的机械性能和稳定的化学性质,在汽车上多用于制动系统上,耐摩擦材料是芳纶的最大市场。芳纶帘子线具有很高的强度和模量,适用于高级轿车轮胎。为降低成本,可使用芳纶/锦纶混纺的轮胎帘子线。
2.2.2碳纤维
德国NOLDEN(诺顿)汽车新概念公司将最新碳纤维加热元技术应用在汽车座椅的加热装置中,从而使汽车驾驶更加舒适,也提高了汽车的档次。人们能够感到座椅的温暖和舒适,而感觉不到碳纤维的集中加热源。与传统的热电阻丝座椅加热技术相比,碳纤维加热元技术显示出了更多的优点。
为了实现汽车的轻量化,进而达到节能和减排的目的,碳纤维复合材料在汽车上的应用越来越多。碳纤维复合材料能够使车身重量减轻 40% ~ 60%。碳纤维也可应用在高强承力件上。当碳纤维复合材料用于某些汽车的发动机罩上时,其重量还不到玻璃纤维复合材料的 33%。
目前,碳纤维复合材料主要用于航空领域,对汽车仅限定在部分高级车中使用。日本东旭公司在名古屋建造了一座碳纤维工厂,专门生产碳纤维材料的汽车零部件,主要供给丰田和日产两家公司。现阶段,高性能纤维生产商与汽车制造商实现了更多的互动。最近,日本东丽公司与德国戴姆勒公司合作,计划在德国建设 1 座碳纤维制品工厂,用于制造奔驰车型所需要的碳纤维零部件,主要是利用RTM工艺缩短碳纤维车身结构的制造周期。据称每年可提供 2.5 万 ~ 3.0 万台碳纤维车身。而宝马公司也与德国SGL公司合作,在美国为即将上市的Megacity电动车生产碳纤维制品。
另外,日本启动了ALSTECC项目“地球温暖化防止新技术/汽车轻量化碳纤维增强复合材料的研究开发”,以开发重量仅为钢结构 50%、而安全性超出 50%(以能量吸收量计算)的CFRP车体结构为目标,开发了高循环一体成型技术、与不同材料的接合技术、考虑能量吸收的安全设计技术和回收再生技术等。
2.2.3聚酮(POK)纤维
与用于轮胎帘子线的锦纶、涤纶、粘胶纤维等相比,聚酮纤维具有更高的强度和模量,同时与橡胶粘合性好、适于轮胎增强。POK纤维适于做轿车轮胎的胎体,其作为芳纶轮胎帘子线的可能性替代产品受到关注。
2.3生物质纤维
2.3.1天然纤维
在汽车内饰纺织品中,由于车内环境较小的固有特性,因此较多地使用了合成纤维原料。而天然纤维的优良性能是合成纤维无可比拟的,如轻量化、环保、隔热性与舒适性佳等,其在汽车用纺织品中的应用也一直受到关注。
近年来,国外汽车内饰材料的研究开发已逐渐重视采用麻类纤维,欧洲汽车工业使用的麻类纤维自1996年以来有了很大增长。黄麻、洋麻、苎麻等韧皮纤维,由于弹性模量高而作为FRP(纤维增强塑料)的增强纤维使用。汽车顶棚和后座板等因为对弯曲刚性要求较高,一直用玻璃纤维进行增强,但韧皮纤维作为其替代品正被研究使用。
在欧洲和北美等市场,热塑性、热固性植物纤维复合材料被用于制作汽车门板、包厢和座椅等中。如利用 50% 的PP和 50% 天然纤维制成的增强复合材料,其克重为 450 ~ 2 400 g/m2,产品供给北美汽车市场,用户包括克莱斯勒、奔驰SUV和福特等。
德国Quadrant公司开发的植物纤维增强复合材料在汽车内装饰领域占有重要位置,其“Nafcoform”产品,使用50% 的PP和 50% 的洋麻、大麻或亚麻,产品克重 300 ~ 3 000 g/m2,目前已用于奥迪A8、三菱汽车、BMW � 7和伊维柯等中。
克莱斯勒公司2005年开始在A级两门乘用车上使用植物纤维增强复合材料,使用的产品包括瑞士Reiter(立达)公司提供的PP/马尼拉麻天然纤维增强复合材料。目前PP、PE与含量 25% ~ 75% 的洋麻、大麻或其他纤维素纤维制成的复合材料已投放市场。
随着能源压力和低碳消费呼声的增长,汽车工业面临着巨大的竞争压力,日本市场的动向显示,期望继续改进天然纤维复合材料品质,用以替代或减少玻璃纤维带来的危害。欧洲虽然至今尚未出台限定使用天然纤维复合材料的相关法规,但随着石油资源的不断减少,天然纤维复合材料的市场潜力已被越来越多的人们所认知。美国福特公司分析认为,天然植物纤维可与玻璃纤维混合使用,或制成以天然纤维为芯、玻璃纤维包敷其外的三明治结构产品投放市场。
另外,椰壳纤维等也已开始在汽车上得到应用。
2.3.2粘胶纤维
由于粘胶纤维在常温下具有高弹性,模量对温度的依赖性较小,同时因为强度较低,使用纤维量较多而提高了剪切刚性,因而具有高模低缩的性能和与橡胶的良好粘合性,因此在汽车上主要用作轮胎帘子线。20世纪60年代用量较大,近年来有所减少。粘胶帘子线的操作稳定性好,乘坐舒适,现在仍用于UHP(超高性能系)轿车轮胎、RFT(低压轮胎,泄气后仍能安全使用)、MC(两轮车轮胎)的胎体材料等。
2.3.3PLA等生物质合成纤维
PLA是以甘蔗渣或玉米等可再生资源为初级原料制成的聚合物,在自然环境下易被生物彻底分解成水和二氧化碳等,但耐热性及耐冲击性较差。PLA既可做成纤维,也可用于塑料,目前已被用作车门内填充材料的热粘合树脂,但价格相对较高。如果耐久性等问题能得到解决,可以期待更进一步的普及。
通常,PLA等环保型材料与一般的聚酯相比,其耐热性能和耐磨损性能等较差,为了弥补这些缺点,日本东丽工业公司作了各种努力。除使用独特的加水分解抑制技术改变聚合物的性质外,还通过聚合物合金的方法,为纺丝工序的复合、高度加工阶段的混纤复合等与石油基材料的复合开发了各种技术。通过综合运用这些技术,实现了汽车内部装饰用途所要求的高度耐久性能,使其产业化成为可能。
目前,东丽和丰田纺织已为丰田汽车公司2010款雷克萨斯混合动力车“HS 250h”提供了用于车顶棚、后备厢等的非织造覆盖材料,其原料为PLA与普通PP。另外,东丽公司还为该款车提供了用“海岛型”双组分纤维非织造布加工的地毯,其中PLA含量为 30% ~ 50%。据透露,东丽公司双组分PLA纤维的年产能约为 200 t,计划在2015年增长至5 000 t,并拓展其应用范围。
帝人公司在2004年就与第三方研究机构合作开始研究生物基塑料,并成功开发了全新的耐热生物塑料,在2007年以统一的品牌名Biofront正式投放市场,称为第一代Biofront。Biofront的突出特点之一是其熔点高达 210 ℃,相对于传统PLA 170 ℃的熔点而言有了大幅改善,其性能与原油合成的常用耐热塑料聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)相当,可用于传统PLA不适用的高温场合。优良的耐热性使其能够承受染整时的高温高压,并使最后的产品满足汽车内饰的高质、高耐受性要求。目前Biofront已被用于混合动力车的座椅上,其用户包括马自达等。
虽然耐热性得到了很大提升,但第一代Biofront在潮湿和高温环境中容易水解,这一缺点限制了它的广泛应用。最近,日本帝人宣称,公司将推出经过改进的Biofront系列PLA产品,使其耐水解性比其他同类产品高出 10 倍,几乎跟PET一样耐用。
此外,新产品还具有更佳的纺织性能,质量更高,因为产品的结构与染整工艺得到了进一步优化。据说帝人公司开发的新技术可以控制Biofront产品在高温和高湿情况下的分子反应,这表示该聚合物能够被用于像电子产品这样的领域中。目前,这一新系列的Biofront PLA产品已在帝人公司的松山工厂投入生产。
2010年年初,DuPont(杜邦)公司宣布,日本丰田公司最新SAI车型采用杜邦Sorona® 聚合物制成的纤维制作车顶棚内饰、遮阳板和车柱饰板。同时,丰田品牌的地毯也应用了杜邦Sorona® 纤维。在环保风潮的带动下,日本本田汽车公司也宣布,其部分新车型将使用生物基PTT纤维作为座椅面料的原料。
3汽车用纺织纤维材料的发展方向
汽车用纺织品及其纤维材料的发展应着重考虑以下几个方面:(1)继续加强功能性、安全性、环保性和装饰性产品的开发;(2)拓展高性能纤维、天然纤维及新型生物质合成纤维材料的开发和应用;(3)加快汽车材料的回收再利用;(4)加强纤维企业、汽车用纺织品加工企业及汽车企业等的产业链建设。我国汽车用纺织品企业之前大多从事工业用布、复合材料和涂层材料等的生产,尚处于产业链建设时期。通过上下游企业的产业联合,有助于形成规模化生产,达到产品多样化、专业化、功能化和系列化,进而创造出国际知名的汽车用纺织品品牌。