汽车纺织品用纤维材料的开发
汽车纺织品用纤维材料的开发
ApplicationofSomeMajorFiberMaterialsonAutomotiveTextiles
文I王德诚
活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
,0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。
Thedevelopmentofautomotivetextilesiscloselybondedwiththeresearchandapplicationofnewfiber
materials.Currently,syntheticfiber(suchasPET,PA,PP,aramidandetc.)istheprimarytypeapplied
areonautomotivetextilesindustry.However.carbonfiber.somenaturalfibersandnovelbio—fibersfinding
theirwayintothemarketalongwiththeconsumers’burgeoningcallforlightweightandeco—friendly
greenermaterials.Applicationanddevelopmentstatusofseveralmajorautomotivefibermaterialswere
introducedandthehighlightedfieldsthatrequiremoreattentioninthefuturearcalsooutlinedinthepaper.
1汽车用纺织品的主要应用领域度,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。椅面料1.1亿m2,乘用车地毯2300Tim2,乘用车行李厢内衬1800万m2,乘用车行李架用纺织品760万m2,汽车车
门内板面料810Tim2,汽车顶棚面料超过2600万m2,安
全带9100余万米。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11.07kN时的伸长率为4%~7%)和高伸长型(断
裂强度27~28kN,在11.07kN时的伸长率为1l%~
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2.6~3.6m。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
作者单位:中国纺织工业设计院。的纤维,如芳香纤维、变色纤维等。
纺织导报ChinaTextileLeader・2011No.5
万方数据
2汽车用纺织品的主要纤维材料挡泥板等外装件及仪表盘、车门内板,行李厢盖等内饰件及
汽车用纺织品的纤维材料主要以合成纤维(涤纶、锦空气过滤器罩、风扇叶片等功能部件。
纶、丙纶、芳纶等)为主,复合材料增强用纤维包括玻璃纤自增强聚丙烯复合材料(SR—PP)是国外最新开发应维、碳纤维、麻纤维等的应用有不断上升的趋势。用的一种热塑性复合材料,由英国Leeds(利兹)大学研制成2.1石油基合成纤维功。该产品是由高取向丙纶及各向同性聚丙烯基材组成的2.1.1锦纶100%聚丙烯片材,主要用于车底遮护板,除了重量轻、抗冲
锦纶耐疲劳性好、与橡胶的粘合性好、断裂强度和断击性能好外,还具有优异的抗石击和耐磨性。另外,SR—PP裂伸长率高,主要用于汽车的斜交胎和大型轮胎。大型载重使车底部件可以采用更薄的材料,在汽车减重方面也具有汽车和飞机要求轮胎的耐热性和耐疲劳性高,多采用锦纶较大的潜力。
66帘子线。近年来,汽车斜交胎逐渐向子午胎转变,锦纶帘2.1.4PEN纤维
子线也正逐渐被涤纶取代。PEN纤维由于具有模量高、强度大、尺寸稳定性好、弹2.1.2涤纶性足、刚性好、熔点和玻璃化温度较高、热稳定性好,化学
涤纶在汽车用纺织品中主要应用于轮胎帘子线和内稳定性和抗水解性优异等性能,在产业用纺织品中被十分饰材料,特别是在汽车内饰材料中占有绝对优势(90%以看好。目前该纤维在汽车中主要可用于5个方面。上)。涤纶的模量比锦纶高,尺寸稳定性好,而且能够改善(1)汽车防冲撞用安全气囊。这种安全气囊折叠后的锦纶帘子线的“平点”效应,主要用于轿车轮胎。特别是近体积小、重量轻、强度高、阻燃性好。
年来发展较快的高模低缩型(HMLS)涤纶,比常规涤纶的(2)轮胎和传送带的骨架材料。由于PENt:I:维具有较热收缩率降低50%,模量提高25%,其发展目标是具有比大的回弹性和刚性,能够满足橡胶骨架材料耐高温性、抗粘胶纤维更低的热收缩率和更高的模量(8cN/dtex以上),疲劳性、抗冲击性、粘合性和抗蠕变性的要求,成为替代但涤纶的缺点是与橡胶的粘合性较差。关于涤纶的高强度钢丝、锦纶66、涤纶、粘胶纤维及芳纶等的理想的帘子线材化,日本发布了比传统涤纶工业丝强度高70%的研究成果,料,而且PEN与橡胶的粘合性非常好。
期待将来能成为轮胎轻量化的帘子线素材。(3)内饰材料。jtIPEN(7%一20%)与PET(80%~
帝人公司的特殊聚酯纤维ELKtE织造材料加工的座位93%)的共聚物,具有80℃以上的玻璃化温度,能够用于轿缓冲材料已被新型车辆用作靠背垫。与相同体积的普通聚车座椅的绒面织物。PEN/PET双组分纤维可用于耐受温度氨酯泡沫相比,重量约减轻了20%,且所用聚酯纤维可回用更高的内装饰材料。
以降低环境负荷。该产品由ELK.geF维与聚对苯二甲酸丙二酯(4)增强材料。PEN纤维增强材料可用于汽车发动机复合成型。普通聚酯纤维非织造材料在制造时,烘干机的温罩等中。
度是160℃左右,而ELK纤维需要200℃以上,耐高温性和(5)过滤材料。PEN_民优良的耐化学品性和耐热性,缓冲性极佳。是一种理想的过滤材料。
Fcdcml—Mogul公司最近开发了_一种阻燃涤纶,据称是2.2高性能纤维
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2.2.1芳纶
化阻燃涤纶,目前已通过UL1441Vw—l测试(用于测试电芳纶具有优良的机械性能和稳定的化学性质,在汽车线材料等阻燃性的最高标准之・),可用于汽车内饰纺织品上多用于制动系统上,耐摩擦材料是芳纶的最大市场。芳纶及电线绝缘材料等中。据介绍,该产品之所以能满足如此高帘子线具有很高的强度和模量,适用于高级轿车轮胎。为降的阻燃级别要求,是因为使用了两种基于三聚氰胺的材料,低成本,可使用芳纶/锦纶混纺的轮胎帘子线。
这两种材料在受热分解时可吸热,同时冷却周围烧着的材2.2.2碳纤维
料,并呈烧焦状,从而可以避免形成熔滴。其成分在受热后德国NOLDEN(诺顿)汽车新概念公司将最新碳纤维汽化,从而可以稀释材料表面的氧气浓度实现阻燃。加热元技术应用在汽车座椅的加热装置中,从而使汽车驾2.1.3丙纶驶更加舒适,也提高了汽车的档次。人们能够感到座椅的温
在汽车塑料件材料中,聚丙烯用量最大、发展最快,其暖和舒适,而感觉不到碳纤维的集中加热源。与传统的热电大部分是通过改性用于注塑成型的汽车保险杠、侧护板、阻丝座椅加热技术相比,碳纤维加热元技术显示出了更多
万方数据纺织导报ChinaTextileLeader・2011No.5本期箱..c,)鼍墨吾藕趸.
的优点。性,因此较多地使用了台成纤维原料。而天然纤维的优良性
为了实现汽车的轻量化,进而达到节能和减排的目的,能是合成纤维无可比拟的,如轻量化、环保,隔热性与舒适碳纤维复合材料在汽车上的应用越来越多。碳纤维复合材性佳等,其在汽车用纺织品中的应用也_直受到关注。
料能够使车身重量减轻40%一60%。碳纤维也可应用在高近年来,国外汽车内饰材料的研究开发已逐渐重视强承力件上。当碳纤维复合材料用于某些汽车的发动机罩采用麻类纤维,欧洲汽车工业使用的麻类纤维自1996年以上时,其重量还不到玻璃纤维复合材料的33%。来有了很大增长。黄麻、洋麻、苎麻等韧皮纤维,由于弹性
目前,碳纤维复合材料主要用于航空领域,对汽车仅限模量高而作为FRP(纤维增强塑料)的增强纤维使用。汽定在部分高级车中使用。日本东旭公司在名古屋建造了.一座车顶棚和后座板等因为对弯曲刚性要求较高,一直用玻璃碳纤维工r专门生产碳纤维材料的汽车零部件,主要供给纤维进行增强,但韧皮纤维作为其替代品正被研究使用。丰田和日产两家公司。现阶段,高性能纤维生产商与汽车制在欧洲和北美等市场,热塑性、热固性植物纤维复合材造商实现了更多的互动。最近,日本东丽公司与德国戴姆勒料被用于制作汽车门板、包厢和座椅等中。如利用50%的公司合作,计划在德国建设l座碳纤维制品工厂用于制造PP和50%天然纤维制成的增强复合材料,其克重为450~奔驰车型所需要的碳纤维零部件,主要是利用RTM工艺缩2400g/m2,产品供给北美汽车市场,用户包括克莱斯勒、奔短碳纤维车身结构的制造周期。据称每年可提供2.5万~驰SUV和福特等。
3.0万台碳纤维车身。而宝马公司也与德国SGL公司合作,在德国Quadrant公司开发的植物纤维增强复合材料在汽美国为即将上市的Megacity电动车生产碳纤维制品。车内装饰领域占有重要位置,其“Nafcoform”产品,使用
另外,日本启动了ALSTECC项目“地球温暖化防止新50%的PP和50%的洋麻、大麻或亚麻,产品克重300~技术/汽车轻量化碳纤维增强复合材料的研究开发”,以开3000g/m2,目前已用于奥j也.A8、三菱汽车、BMW一7和伊发重量仅为钢结构50%、而安全性超出50%(以能量吸收维柯等中。
量计算)的CFRP车体结构为目标,开发了高循环一体成型克莱斯勒公司2005年开始在A级两门乘用车上使用植技术、与不同材料的接合技术、考虑能量吸收的安全设计物纤维增强复合材料,使用的产品包括瑞士Reiter(立达)公技术和回收再生技术等。司提供的PP/马尼拉麻天然纤维增强复合材料。目前PP,PE2.2.3聚酮(POK)纤维与含量25%一75%的洋麻、大麻或其他纤维素纤维制成
与用于轮胎帘子线的锦纶、涤纶、粘胶纤维等相比,聚的复合材料已投放市场。
酮纤维具有更高的强度和模量,同时与橡胶粘合性好,适于随着能源压力和低碳消费呼声的增长,汽车工业面临轮胎增强。POK纤维适于做轿车轮胎的胎体,其作为芳纶轮着巨大的竞争压力,El本市场的动向显示,期望继续改进天胎帘子线的可能性替代产品受到关注。然纤维复合材料品质,用以替代或减少玻璃纤维带来的危2.3生物质纤维害。欧洲虽然至今尚未出台限定使用天然纤维复合材料的2.3.1天然纤维相关法规,但随着石油资源的不断减少,天然纤维复合材
在汽车内饰纺织品中,由于车内环境较小的固有特料的市场潜力已被越来越多的人们所认知。美国福特公司
树脂传递模塑工艺(RTM)
RTMI.艺起源于19世'940年代的Macro法。Macro法相当简单,即对模腔抽真空以驱动浸渍过程。该工艺与手糊工艺相比,由于具有
可生产双面光滑产品,树脂的注射压力适中的优点,得到了一定的发展。美国海军采用该工艺开发了大型玻璃纤维增强塑料船体。
20世纪70年代,随着对汽车结构件和高性能体育用品等的开发,RTMI.艺因其成本低、可设计性强、产品尺寸精度高、表面质量好’
以及低工艺污染、环保等优点而得到广泛应用。进入80年代,美国NASA开展了盯M技术在飞机主结构上的研发。90年代美国LockheedMartin公司已经把RTM技术应用到F/A一22的结构件上,通过结构一体化设计,大大减少了零部件数量,降低了制造成本。因而,RTM技术作为一种低成本、高质量的复舍材料成型技术在航空航天领域得到了迅速发展。
RTMr艺的关键技术主要包括模具设计技术和RTM注胶控制技术等。对于不同的零部件,RTM模具可分为单面模具和双面模具。
天津工业大学开发的双面模具设计和制造技术,可保证复合材料制件的几何尺寸精度,从而实现复杂形状零部件的净尺寸制造;研制的恒压高温RTM设备采用恒定压力输送树脂,最高注射温度可达300℃,注射压力可达2MPa,可满足高性能树脂高温注胶。
三维纺织预成型技术是一种先进的纤维预成型技术,采用这种技术将纤维织造成具有一定厚度和一定形状的纤维预成型体,使
RTMI.艺中的纤维铺层更简化、高效,同时.--j-保证预成型体内纤维的连续性和整体性,显著提高复合材料制件的力学性能。
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n析认为,X然撞物纤维可与耻璃纤维}昆台使川,或制成以的高m高耐圣性要求。U前BiofronlLL被川r混台动力车天然}f维为芯、玻璃纤维包教其外的二l"j治结构产品投放的座椅上,其川户包括q自选等。
市场。虽然耐热性得到了很大提m怛第一代Biofront往潮湿
另外.揶壳纤维等也已井始在汽车l坍到麻,H。和高黼环境中容易水解,遗缺点鼠制r它的广泛应川。最2.32粘腔纤维近.日本帝^宣称,&司将推出经过改进的Biofron瞟井IPLA
由十牯腔纤维住常温限柯高弹性.模量对温度的傲赖产品,使其耐水解性比其他同粪产品高出IO倍.儿乎/gPET性较小,同时冈坶强度鞍低,使用纤维最较多『Ⅱ提高了唧切一样耐m。
H0性,田而县有高模低缩的性能和与慷胶的良好牯舟性,田此外,新产品迁具有更伟的纺织制能.质最更高+因为此在汽车上土要爪作轮胎帘子线。20世纪60年化月量齄^,产品的f^构与肇整I艺得到r进‘步优化。据说帝^&司开近年来有所减虫粘睦帘子线的操作稳定性好,乘m*}遣,现般的新技术nr以住制Biofront产品在高温和高谩情祝下的分在仍卅rUHP(越高性能系)轿车轮胎、RFr(低口商}胎,泄子Ⅱ盹,这表州读聚台物能够被用于像电子产品这样的领气后仍施安今使用)MC(两轮车轮胎)的胎体村}懵。域中。目前.进新累目mBiof∞ntPLA产品已在带^&司的2.33PLA棹生物睚舟成纤维松IIJT¨2^七一
PLA是nU蔗渣或{i米菩u,阿生资源为初缎原料制成2010年年初,DuPont(杜揶)&司宣布,H奉牛田§司的聚舟物,在自然环境下易敲生物彻Jtk4,*解成水和.氰化蛙@SAi乍型采用杜邦s…一聚合物制成的纤维制作车顶碳等,但耐热性Ⅱ耐冲击性转差。PLA既”r做成纤维,也Ⅵ棚内饰遮阳板和卞柱饰板。同时、丰出晶牌的地毯也应用月干颦科目前已披川作1-门l~填尢材料的热牯舟埘0*但丁杜JqlSorona。纤维。在环保风刺的带动r日本本田汽车价格柑对较高。如果mlA』t等川题能得刊解决,矸以期待更n司也宜奇.儿部分新车型将使用_柏基PTT纤维作为座椅进一步的昔厦。lⅢ}}的原料。
通常,PLA等环保犁材料与旺的聚酯相比#I耐热性
能和耐磨损性能等较差.为r弥}},S磐缺一_,日车乐丽I址
&司怍了拜种努力。除使用独特的加水分解抑制技术改变聚
台物的性质外,迁墟过聚台物台盘的方洼,为纺丝aZl|t-的复
舟高度加r阶腔的混纤复合等‘,fJ汕基材料的复☆,r发r
各种技术。通过综台越肺S衅技术.实现r汽车内部装饰用
选所要求的高度耐久性能.使萁r“业他成为nf能。
目自日,东丽和#Ⅲ纺织已为丰田汽卞n-42m0款甫克
萨斯混台动力阜“HS250h”提供r用J。牟顶棚后备厢等
的非织谴覆盖材料其原料为PLA。j昔通PR*外,东HH&
DuPonI…Somna8月f}I目¥ai{*^*##十
叫适为凌款车提供r喇。海岛型”n组分纤维非织造砧加T
的地毯.共中PLA含量为30%~50%。据透露,东丽&司3汽车用纺织纤维材料的发展方向
双组升PLA纤维的年产能约为200t.计划在2015年增长t汽中川纺织“Ⅱ#纤维材料的发展戊着重考虑以F几5000t.井拓展其应用范目,个方面:(I)继续加强功能性、安全性、环保性和装饰性产
帝人&刮在2004年就5第j方研究机构台作开始研.n的"发,(2)拓展高性能纤维、*然|f维瞳新型生物质合究4.物基塑抖,井成功开发T全新的耐热生物埋针.舟2007成纤维材料的*发和席刖-(3)加快汽车材料的目收再利年以统一的£牌名Biofrontt武投胜H场,称为第代用t(4)加强纤维企业汽丰川纺0:d^加I盘业胜汽车企业Biofront。Biofront的突出特点之一是其熔点高选210℃相等的产业锚建设。我固汽车月纺织一锦企m2前k多从事I业对十f}统PLA170℃的熔点而占有了太幅改善其性能与城川布堑台材料和涂H材籽等的q二产尚处f产业链建跬时油台成的常川耐热塑料聚埘革甲酸J一睹(PBT)扣当,期。通过}‘r游奈业的产业胜☆,fI助于形成规模化生产+可用r传统PLA不适用的高温场舟。优良的耐热性使前能边到产目多样他々业化功能化和系列化,进而创造出吲啦承受染整叶的高温高压,J}使最后的产品满足汽车内饰际知名的汽乍H}纺0{品*牌。
2011No5
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