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天然纤维复合材料在汽车上的应用

日期:2020-09-04浏览:253

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车用天然纤维复材发展现状

汽车轻量化是汽车节能、提高动力、制动性能与续航能力最有效措施之一,也是汽车工业发展三大方向(新能源、无人驾驶、轻量化)之一,而轻质增强复合材料是实现轻量化的一种重要趋势。

常用复合材料包括玻璃纤维、碳纤维和天然纤维复合材料,其中碳纤增强材料成本高;玻纤改性复合材料技术最成熟,但其也存在韧性降低、脆性增加、机械磨损大、加工能耗大、易吸湿、易粗糙、不易降解,废弃难处理等问题。

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研究发现,以木质素和纤维素为主体的麻纤维、竹纤维等一年生植物长纤维,作为增强结构与热塑性聚合物结合,可以做出纤维增强复合材料,其具有密度小,模量与强度高特点,非常适合汽车部件的轻量化。


天然纤维具有可回收、可自然降解、无气味、安全无毒、低VOC排放等特点,并且加工时能耗少,对加工设备的摩擦损耗小,有利于加工过程中能源的节约,与传统的复合材料相比,质量更轻,在产品的整个生命周期阶段,碳排放量非常少,更符合现代社会“绿色环保和低碳化”的要求。


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国外已有成功案例

在国外,天然纤维复材已经得到深入研究,并有一些应用案例。

德国戴姆勒-克莱斯勒(Daimler-Chrysler)公司研究中心进行的试验表明,天然纤维复合材料部件具有较高的抗冲性能,其尺寸稳定性和耐候性能也很好。

奔驰公司的E级轿车以及宝马(BMW)5系列车门板也应用了天然纤维复合材料模压成型。

福特首款全电动汽车Focus Electric的行李箱承重底板采用天然纤维进行增强。

保时捷全新718 Cayman GT4 Clubsport的研发重点不仅仅是进一步提升驾驶性能和更快圈速,也在于原材料的可持续使用。718 Cayman GT4 Clubsport 是第一款配备由天然纤维复合材料制造车身部件的量产赛车。两扇车门及尾翼由一种主要取自天然纤维的混合有机纤维制成,其重量和刚性方面的性能与碳纤维相当。

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车用天然纤维复材痛点

尽管天然纤维增强复合材料如此多优点,但到目前为止,仍有多个技术需要攻克,使其尽快在工业领域大规模应用。

第一道技术障碍:高效分散

天然纤维柔软蓬松,甚至成团成块,在传统的挤出造粒生产体系中,很难完成连续分散加工。采用间歇式密炼工艺,既拖慢生产节拍,浪费能源,又容易过度剪切,造成纤维断裂,进而影响材料性能。因此,前期车厂在加工天然纤维复合材料时,多采用纤维毡模压或RTM技术工艺,保证天然纤维的增强效果。但众所周知,注射成型这种节拍快、精度高、满足复杂形状设计的工艺,是汽车工业的首选。满足注射级要求的高效分散天然纤维增强材料,是新材料发展的方向。

第二道技术障碍:相界面连接

天然纤维,如麻纤维、竹纤维、秸秆纤维,其表面为多羟基基团,与多数热塑性聚合物的界面不相容,即使分散均匀,也很难起到增强效果。改善界面相容性的方法有2种:一是纤维表面改性,做疏水化处理;另一种是增容改性,加入相容剂。两种方法都是通过增加纤维与树脂界面相容程度的方法,提高材料的整体性能,达到增强目的。但无论是对纤维进行预处理,还是添加增溶剂,都会在工业生产上增加步骤、能耗和成本

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车用天然纤维复材解决方案

在国内,经过多家机构的产学研合作,终于开发出一种高速共混设备。该设备可以在一定地域范围多点生产,其高效的纤维破碎和非常强的共混搅拌扭矩,能够让高含量的植物纤维与塑料树脂进行充分共混,再配以优选的相容助剂,在一个工艺步骤内克服了天然纤维原材料制备和加工问题,实现其与聚合物之间分散与相容两大问题,还能有效控制纤维素“焦烧”问题,最终成功制备出植物纤维填充量高达60%以上的注塑用颗粒,并且能够有效保证纤维长度保留在3-10mm之间。解决了蓬松纤维高分散、高填充塑料的世界难题!

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在通过原料共混和自动切粒后,所形成的天然纤维复合材料颗粒,可以通过常规的塑料成型工艺,如注塑、模压和挤出进行产品的生产。

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采用这项技术制造的天然纤维复合材料,如竹纤维填充聚丙烯,其拉伸强度超过85MPa,弯曲模量接近7GPa!冲击强度也能保持一定水平。

延伸阅读


竹纤维(BF),即竹原纤维,也称天然竹纤维,有别于化学竹粘胶纤维(竹浆纤维、竹炭纤维),是从竹子茎部取得的韧皮纤维,采用机械物理分丝、化学或生物脱胶、开松梳理相结合的方法直接从竹材分离制取的天然植物纤维,是继棉、毛、丝、麻之后的世界第五大天然纤维。

竹纤维具有:抗菌抑菌、吸湿透气、抗紫外线、天然保健、蓄热保暖、减震防噪、防霉防蛀、抗静电防辐射、除臭吸附、隔音隔热等十大优异性能。它是一种真正的天然环保新型绿色纤维,自身优异的功能性受到了国内外专家的一致推崇,美国、加拿大、日本、欧洲等许多国家已经明确只有天然竹纤维(竹原纤维)产品才可标名为竹纤维。

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竹纤维取自天然竹子,属于森林资源,不占用耕地,且竹林每年必须对老竹子进行去除处理,否则新竹子的生长会受到影响。竹材资源的开发与利用,不仅能缓解耕地紧张问题,而且给广大竹农带来了更高的回报。

竹纤维作为重点基础材料,是一种性能优异的高分子材料,可广泛应用于纺织、非织造、复合材料、建筑材料、环保材料等生产领域。

源:DT新材料

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