植物纖維汽車零部件的成型技術(shù)研究進(jìn)展

賴 文,劉 偉,趙 勇,王慶林，袁子鑫

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院， 廣州 511434)

0 前言

植物纖維復(fù)合材料早在二戰(zhàn)時期就出現(xiàn)了，但由于植物纖維是天然產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有很多羥基，屬于極性材料，和非極性塑料之間界面結(jié)合差，導(dǎo)致早期的植物纖維復(fù)合材料性能差，限制了材料的應(yīng)用。20世紀(jì)90年代以來，植物纖維復(fù)合材料進(jìn)入高速發(fā)展階段，大自然中植物纖維儲量巨大，可以開放獲取，且可循環(huán)利用，成本低，在加入相容劑或者固化塑料后，相對于通用塑料，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都有著大幅度的提高，使其在建筑裝飾行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛。歐洲汽車行業(yè)是較早在汽車內(nèi)飾領(lǐng)域應(yīng)用植物纖維復(fù)合材料作為門板等產(chǎn)品的原材料，此后，各大汽車品牌開始規(guī)?；瘧?yīng)用植物纖維復(fù)合材料。

1 車用植物纖維復(fù)合材料的成型加工工藝

相對于傳統(tǒng)車用塑料的注射成型加工工藝，車用植物纖維復(fù)合材料一般采用模壓成型作為成型加工的工藝方法。筆者簡要介紹麻纖維復(fù)合材料和木纖維復(fù)合材料的成型加工工藝。

1.1 車用麻纖維復(fù)合材料的成型加工工藝

麻纖維復(fù)合材料是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的麻纖維和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的丙綸纖維[聚丙烯(PP)]編制成氈，制品由纖維氈模壓成型而成。制件的成型加工流程見圖1。

圖1 車用麻纖維復(fù)合材料成型加工流程

原麻纖維由于成本控制會有一定程度的落麻和下腳麻，使得麻的整齊度較差，纖維粗且脆，可紡性差，梳理時纖網(wǎng)的張力較低，無法正常成網(wǎng)加工非織造布。在麻纖維中加入回彈性好的PP纖維，彌補(bǔ)了麻纖維粗硬、彈性差、短絨多導(dǎo)致的纖網(wǎng)張力較低的缺陷，從而提高成網(wǎng)質(zhì)量，不產(chǎn)生下墜、破洞等缺陷[1]。纖維氈成氈以后厚度為10～13 mm，為了方便運(yùn)輸，會先將纖維氈熱壓成纖維板，厚度在3～5 mm。纖維氈根據(jù)制品的形狀初步裁切，裁切會保證材料完全填充模具，因此會有較多的邊角料。裁切好的材料，放入熱烘道中加熱升溫，熱烘道的溫度設(shè)置為200 ℃左右，這是根據(jù)PP纖維的熔點(diǎn)設(shè)置的溫度，烘道的溫度傳遞到麻纖維材料上為180 ℃左右；同時熱烘道也是一個除去水的過程，避免成型產(chǎn)生氣泡，影響制件的外觀和性能。麻纖維氈的模壓成型是冷模模壓成型，制件外觀一般會有織物包覆，當(dāng)制件為平坦類、背面無復(fù)雜結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品時，可以將表面織物和纖維氈一起模壓，模壓成型中一步成型制品。當(dāng)制件背面結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，由于麻纖維氈是冷模模壓成型工藝，可以采用半模注射的方式成型背面結(jié)構(gòu)，減少注塑模具和工序工時；或者采用二次注射的方式成型背面結(jié)構(gòu)，這主要針對背面有著較多的成型結(jié)構(gòu)的制件；當(dāng)產(chǎn)品較大背面是較少的結(jié)構(gòu)時，采用粘接的方式成型背面結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用金屬嵌件時，可以直接模壓成型，不需要膠粘和二次注塑。圖2是模壓成型后裁切包覆成產(chǎn)品的過程。

圖2 制件裁切包覆的過程

車用麻纖維復(fù)合材料采用了連續(xù)的長纖維針織成氈的方式，使得車用麻纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)于傳統(tǒng)塑料。表1是車用麻纖維復(fù)合材料的性能表。

表1 車用麻纖維復(fù)合材料性能表

力學(xué)性能的提升意味著在保證足夠強(qiáng)度的條件下，可以將制件盡可能做薄，減輕質(zhì)量，這符合現(xiàn)下汽車輕量化的發(fā)展趨勢，同時質(zhì)量的減輕也意味著成本的降低。麻纖維原材料的成本較高，麻纖維復(fù)合材料的整個加工過程相對于傳統(tǒng)注射成型加工工藝要復(fù)雜，前期資金的投入高于傳統(tǒng)注射加工，同時原料的成本高和工序多的問題，單個制件成本也要高于傳統(tǒng)的注射工藝。相對于傳統(tǒng)材料，車用麻纖維復(fù)合材料會有較多的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)[2]，VOCs對人體有損害，是實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)，是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題，如何較好控制車用麻纖維復(fù)合材料的VOCs是應(yīng)用麻纖維復(fù)合材料和控制車用麻纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵。車用麻纖維復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中，會有車內(nèi)氣味較大的現(xiàn)象，這是麻纖維原料物質(zhì)本身的特性，對于一部分消費(fèi)者來說是無法接受的。對于裁切的邊角料的利用率較低，加之原料成本較高，使得制件的成本較高，這也是各個廠商在應(yīng)用中需要考慮的問題。車用麻纖維復(fù)合材料的應(yīng)用工藝有十多年了，已經(jīng)相當(dāng)成熟，在國內(nèi)有很多企業(yè)可以提供相關(guān)的原料和模具技術(shù)支持。目前，上海通用汽車有限公司已經(jīng)在旗下英朗、科魯茲等車型的門板嵌飾板上應(yīng)用了麻纖維復(fù)合材料。

1.2 車用木纖維復(fù)合材料的成型加工工藝

木纖維相對于麻纖維，在自然界中的儲量更多，更容易獲取。車用木纖維復(fù)合材料的主體成分是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的木纖維和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的滌綸(PET)纖維。

車用木纖維復(fù)合材料和車用麻纖維復(fù)合材料都將纖維針織成氈，用于進(jìn)一步的成型加工，圖3是車用木纖維復(fù)合材料成氈的過程。

圖3 車用木纖維復(fù)合材料成氈過程

木纖維的原料——碎木屑，會經(jīng)過類似于人工造紙的過程，制成木纖維絲，使用黏合劑制得木纖維。木纖維經(jīng)過烘干等處理，與PET纖維針織成纖維氈[3]。因?yàn)轲ず蟿┑氖褂?，木纖維復(fù)合材料成為熱固性材料，所以成型加工工藝和熱塑性的車用麻纖維復(fù)合材料有一定的差異[4]。

車用木纖維復(fù)合材料和車用麻纖維復(fù)合材料成型最大的不同是木纖維會采用熱壓成型制品，圖4是車用木纖維復(fù)合材料模壓成型工藝流程圖。

車用木纖維復(fù)合材料熱模壓成型的溫度為220 ℃左右，這是為了保證PET纖維的融化流動設(shè)置的，是比較符合實(shí)際生產(chǎn)的，溫度過高、過低都會

圖4 車用木纖維復(fù)合材料模壓成型工藝流程圖

影響產(chǎn)品性能：溫度超過240 ℃，產(chǎn)品容易脆化；低于180 ℃，產(chǎn)品性能達(dá)不到要求。由于木纖維氈在生產(chǎn)、存放、運(yùn)輸過程中吸收了水分，所以熱壓過程中需要開模排氣，以免造成產(chǎn)品后期表面不平或鼓包等現(xiàn)象。車用木纖維復(fù)合材料雖然相對于車用麻纖維復(fù)合材料的成型穩(wěn)定性更好，但是對于背面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)依然無法有效成型。背面復(fù)雜結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品，背面結(jié)構(gòu)可以采用粘接和二次注射的工藝，這都是和車用麻纖維復(fù)合材料類似的工藝，但是由于車用木纖維復(fù)合材料是熱壓成型，無法采用半模注射的方式成型背面結(jié)構(gòu)。

車用木纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等力學(xué)性能要略差于車用麻纖維復(fù)合材料，表2是車用木纖維復(fù)合材料的性能表。

表2 車用木纖維復(fù)合材料性能表

在實(shí)際應(yīng)用性能上，車用木纖維復(fù)合材料的氣味性更小，更容易被消費(fèi)群體接受。同時，車用木纖維復(fù)合材料的VOCs相對更小，對人體的影響更小。車用木纖維復(fù)合材料的單個制件成本要略低于車用麻纖維復(fù)合材料，盡管原料的成本更低，但是車用木纖維復(fù)合材料的成型加工工藝工序較多，帶來了更多的成本。同時，車用木纖維復(fù)合材料的前期投入較高，因?yàn)檎麄€加工過程有相對多的加工工序，也就意味著更多的加工設(shè)備。和車用麻纖維復(fù)合材料一樣，車用木纖維復(fù)合材料也存在邊角料利用率低的問題。目前，國內(nèi)已有成熟的廠商提供車用木纖維復(fù)合材料，但還需要國外提供原料和技術(shù)支持。華晨寶馬汽車有限公司在國產(chǎn)寶馬上使用木纖維復(fù)合材料作為門板的原材料。

2 材料性能對比

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，節(jié)能、環(huán)保、安全、輕量化將成為未來汽車的主要發(fā)展方向，植物纖維復(fù)合材料和傳統(tǒng)材料比，具有剛性大、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，表3是植物纖維和傳統(tǒng)材料的性能對比。由表3可見：在產(chǎn)品減重效果、隔音效果和碰撞實(shí)驗(yàn)方面，植物纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢很大，符合汽車行業(yè)節(jié)能、環(huán)保、輕量化的發(fā)展趨勢。對比傳統(tǒng)材料，植物纖維復(fù)合材料優(yōu)勢在于碰撞以后，沒有碎片和銳邊產(chǎn)生。

表3 植物纖維復(fù)合材料和傳統(tǒng)材料性能對比表

圖5是植物纖維復(fù)合材料和傳統(tǒng)材料碰撞以后的對比圖。由圖5可見：植物纖維復(fù)合材料可以有效避免在碰撞以后，對人造成二次傷害。

(a) 受沖擊后折彎(b) 撞擊后變形

(c) 受沖擊后斷裂(d) 撞擊后碎裂

圖5沖撞對比圖

3 結(jié)語

總體上來說，市場上現(xiàn)有植物纖維復(fù)合材料在平坦無復(fù)雜背面結(jié)構(gòu)類的汽車內(nèi)飾件上有著較好的應(yīng)用前景；而通過改變植物纖維配方減少成型工序，降低植物纖維的材料的成本是未來的發(fā)展方向。