環保型汽車用非織造材料的應用現狀與發展趨勢

湖南工程學院紡織服裝學院，湖南 湘潭 411104

中國汽車工業協會發布的數據顯示，截至2017年底全國汽車保有量已達2.17億輛。汽車產量的增長為汽車用紡織品產業發展提供了保障。非織造材料具有成本低、質量輕、易深度模壓成型等優勢，在汽車用紡織品中的比重越來越大。目前每輛汽車平均耗用非織造材料的質量為15～20 kg，預計2025年將達到40 kg。同時，由于消費者對環保的重視日益提高，生產商越來越傾向采用環境友好型汽車用非織造材料。本文以環境友好型纖維原料為線索，介紹環保型汽車用非織造材料的應用現狀，并分析其發展趨勢。

1 汽車用非織造材料

非織造材料在汽車行業中的應用優勢明顯。一方面，非織造材料可進行深度模壓成型，滿足了研發人員設計汽車零部件不同表面形狀時的需求；另一方面，在滿足同等指標時，使用非織造材料的質量明顯小于其他材料，有利于減少汽車燃料消耗，對環境友好。由于強力較低、耐水洗性能差，非織造材料一般不用作汽車坐椅面料。目前非織造材料一般用作襯墊材料、包覆材料和過濾材料，相關零部件數量已超過40種[1]。

目前，汽車用非織造材料的生產多采用針刺、紡黏、熔噴、熱軋等工藝，纖維原料主要為聚酯纖維、聚烯烴纖維、玻璃纖維、天然纖維、再生纖維及碳纖維等。汽車用非織造材料在滿足實用性能和加工性能的同時，也需要兼顧經濟和環保性能要求，盡量使用可降解的纖維原料。隨著汽車工業的發展以及環保法規要求的日趨嚴格，采用可生物降解、可回收利用的環境友好型纖維原料是汽車用非織造材料的發展趨勢[2-3]。

2 植物纖維

2.1 天然纖維素纖維

天然纖維素纖維具有可再生、可降解及隔聲隔熱的特點[4]，原料來源廣泛，可減小汽車工業對不可再生原材料的依賴，因此是環保型汽車用非織造材料的首選[5]。考慮到膠黏性、剛度、防潮和加工成本等因素，天然纖維素纖維非織造材料一般不用在汽車內飾包覆材料上，多用作襯墊材料和汽車內飾件。自20世紀90年代以來，天然纖維素纖維非織造復合材料在汽車內飾件中的應用獲得較大發展[4]，如表1所示。通過模壓成型、注塑成型等方法，與聚酯、環氧樹脂、乙烯基樹脂、酚醛樹脂等結合，天然纖維素纖維非織造材料能夠制備出諸如車門內板、坐椅背板、車頂棚、天窗罩蓋、車輪罩及衣帽架等汽車內飾件[6-7]，如圖1和圖2所示。相較于傳統的玻璃纖維增強塑料件，天然纖維素纖維非織造模壓件比強度較小、質量更輕，在發生碰撞事故時不會產生銳利碎片，且具有良好的強力、剛性、抗沖擊性[8-9]。

表1 天然纖維素纖維非織造材料在汽車上的應用進展

圖1 天然纖維素纖維汽車內飾件

圖2 奔馳S級轎車中使用的天然纖維素纖維內飾件

2.2 韌皮纖維

韌皮纖維屬于可生物降解、可再生的天然纖維，常見的有亞麻、洋麻、苧麻、漢麻、羅布麻等20多種。韌皮纖維不僅吸濕性好、抗菌驅螨，而且剛度大、伸長小，易被黏合劑黏合，能夠以較低的制造成本制造出質量輕、隔聲性能好的汽車用非織造材料[11]。韌皮纖維非織造材料的加工方法一般為針刺法[12]，即纖維經過梳理成網或氣流成網后，再采用針刺法固結。由于韌皮纖維的成網性差，一般還要加入一些易成網的熱塑性合成纖維[13]。還有一種是熱黏合法，即在韌皮纖維成網時加入一定量的低熔點化纖，纖網冷卻后產生黏連作用得到加固。得益于優良的吸濕、放濕作用，韌皮纖維非織造材料用作汽車襯墊材料不僅能夠減少異味，還可改善局部微氣候，提高乘坐舒適性[12]。

相較于其他天然纖維，亞麻纖維的吸濕散熱性好，不易產生靜電，是最理想的高檔汽車內飾材料，也是目前在汽車上使用最廣泛的天然纖維[14]。亞麻纖維的力學性能優異，密度為1 400 kg/m3的亞麻纖維拉伸斷裂強力能夠達到1 340 MPa，楊氏模量高達54 GPa；而性能相當的E-玻璃纖維(密度約為2 560 kg/m3)，密度較亞麻纖維增加了82.86%[8]。亞麻是中國汽車生產中應用較多的麻纖維原料，多用于汽車內飾板和襯墊材料[15]。

漢麻纖維強度高、耐磨、耐腐蝕，寶馬公司在汽車上使用了漢麻纖維非織造復合材料。研究表明[13]，得益于漢麻纖維表面不規則形貌給黏著力帶來的提升，質量僅為玻璃/PP纖維40%的漢麻/PP纖維非織造復合材料，拉伸斷裂強力和模量分別能夠達到前者的50%和80%。漢麻纖維在車門內飾板上的應用如圖3所示。

圖3 漢麻纖維汽車車門內飾板生產及裝配流程

黃麻是重要性僅次于棉纖維的天然纖維，產地主要是印度、中國和孟加拉國。其中，孟加拉國的黃麻供應量最大。德國BASF公司曾開發過黃麻/PP非織造復合材料，用于發動機艙隔聲板、車輪罩等部件上。中華汽車曾在國內率先將黃麻纖維非織造材料用于車門板上，國內一些汽車零部件供應商也已成功開發出黃麻纖維汽車內飾件。

洋麻(也稱為紅麻)纖維也是一種性能優異的天然纖維，洋麻纖維非織造復合材料是制造汽車內飾件的理想材料[11]。洋麻纖維非織造復合材料可用作車門板、坐椅靠背、頂棚、行李架等零部件。1998年北美最大的洋麻生產和加工企業Kafus就已經大量生產洋麻纖維汽車用非織造復合材料，用于替代玻璃纖維增強材料[16]，其相關產品具有抗沖擊強度較高等優點。

苧麻纖維的主要產地是中國和巴西，被稱為“中國草”“洞庭草”，是目前發現的最硬的一種韌皮纖維。相對而言，苧麻纖維的研究和應用最少，這主要是因為其可加工性不好，提純困難[4]。目前，絕大部分的苧麻纖維都只在產地國消費。

2.3 其他天然纖維素纖維

除韌皮纖維外，常用的天然纖維素纖維還有葉纖維，如劍麻纖維、蕉麻纖維等；種子纖維，如棉纖維、椰殼纖維等；草本纖維，如蔗渣纖維、竹原纖維、秸稈纖維等。其中，劍麻纖維生長周期短，容易種植，是目前應用最廣的幾種天然纖維之一，可作為復合材料的增強部分。研究表明，蕉麻/PP非織造復合材料的抗彎和抗沖擊性能超過黃麻/PP和亞麻/PP非織造復合材料，但較高的氣味釋放限制了其在車門板等部件上的應用[17]。奔馳汽車公司擁有蕉麻/PP模壓成型非織造復合材料專利，相關產品已由Rieter旗下公司生產。竹原纖維屬于天然可再生資源，采用竹原纖維制得的汽車內飾件不僅具有抑菌、抗紫外線等功能，而且在遇到碰撞時能夠憑借自身的韌性抵抗外部沖擊，提升汽車的安全性。

3 可降解化學纖維

3.1 再生纖維素纖維

常見的再生纖維素纖維有黏膠、萊賽爾、人造棉、天絲、莫代爾、竹纖維等。其中黏膠纖維常用于汽車襯墊材料，以及用作輪胎中的補強纖維。在歐洲，使用黏膠纖維增強的輪胎比滌綸增強輪胎更受消費者歡迎。這是因為，一方面黏膠纖維具有高模低伸、收縮率受加工工藝溫度影響小的特點，輪胎的圓周性更好；另一方面黏膠纖維在常溫下的彈性高、模量變化小、剪切剛性大[18]，有利于提升汽車的駕駛穩定性和乘坐舒適度。

3.2 可降解合成纖維

目前，可降解合成纖維還處在發展階段，實際應用的產品較少。聚乳酸(PLA)纖維是目前最有前景的可降解熱塑性合成纖維，可通過丙交酯開環聚合或乳酸縮聚制得。美國、日本和德國在PLA纖維的研究開發和生產應用方面一直處在領先地位[19]。PLA纖維是最有希望取代石油基材料的可降解纖維，但PLA纖維較脆、韌性差，且降解率較低，這限制了其在汽車用紡織品領域的應用，通過添加催化劑或降低本身聚合度的方法可增加其降解率。

4 發展趨勢

未來環保型汽車用非織造材料的發展趨勢：

(1) 通過進一步改性研究，獲取更好性能的天然纖維。天然纖維的加工溫度通常不高于230 ℃，這限制了其應用范圍。通過對麻纖維等天然纖維進行結構和表面改性，開發出新工藝，以提升天然纖維的整體性能，擴大其應用范圍。

(2) 走價值創新路線，提升競爭力。天然纖維在生產、加工中需耗費較多人力，從而導致成本較高，原有競爭優勢被削弱。通過開發特色產品，升級生產工藝技術，可提升天然纖維的競爭力。

5 結語

隨著環保法規的日趨嚴格，以及人們對汽車內環境的舒適性和環保性重視度的提升，未來環境友好型汽車用非織造材料的發展空間將越來越大。通過改進技術降低成本，將進一步促進以天然植物纖維、再生纖維素纖維和可降解合成纖維等為代表的環境友好型材料在汽車上的應用。