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【聚焦】低碳竹纤维复合材料在汽车上的应用

日期:2021-06-24
信息摘要:

汽车工业常用的竹纤维为竹原纤维,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纤维。竹原纤维是一种新型的植物纤维,不同于竹浆纤维、竹炭纤维等化学粘胶再生纤维素纤维。

低碳材料竹纤维

所谓低碳材料,即为获取和加工过程中能源和辅料消耗更少的材料。汽车工业常用的竹纤维为竹原纤维,竹原纤维是以物理机械和生化工艺,自然获取束状、丝状或絮状竹纤维单元,包含竹子的单根纤维细胞或多个纤维细胞集合体,其竹质的天然物理性能和生化特性得到有效保持,因其特性和品质与黏胶竹纤维(再生纤维)有很大区别。是采用机械物理分丝、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纤维,是继棉、毛、丝、麻之后的世界第五大天然纤维。

    研究发现,以天然环保新材料的竹纤维为增强材料,制备的竹纤维复合材料具有密度小、模量与强度高特点,非常适合汽车部件的轻量化。与传统的复合材料相比,竹纤维复合材料质量更轻,生产能耗更少,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。

一、竹纤维在汽车复合材料上的产品与性能

1、汽车用竹纤维增强热塑性复合材料

中国有关院校和企业合作进行了相关研究,采用非织造工艺和热压工艺制备了汽车用竹纤维增强聚丙烯复合材料,分别研究了竹纤维含量、制作结构和改性处理对复合材料力学性能、吸湿性能的影响,并通过层间混杂结构和竹纤维表面性能对复合材料性能作用机理的研究,探索了2种优化方式对复合材料湿热稳定性的影响。

复合材料力学性能研究表明,当竹纤维/聚丙烯质量比为60/40时,复合材料具有最.优力学性能,其弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为51.64MPa、3.97GPa、38.72MPa、4.36GPa,混杂结构对复合材料的力学性能均有不同程度提高。其中,“50/50+70/30”结构复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为59.50MPa、4.86GPa、40.60MPa、5.18GPa,较普通结构,各项力学性能指标分别提高了15.21%、22.42%、4.85%和18.76%;“50/50+80/20+50/50”结构复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为54.29MPa、4.01GPa、41.83MPa、4.86GPa,较普通结构,各项力学性能指标分别提高了5.12%、1.00%、8.02%和11.40%。

采用碱处理和偶联剂处理竹纤维均能有效提高竹纤维/聚丙烯复合材料的力学性能,当NaOH质量分数为5%时,竹纤维/聚丙烯复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为67.04MPa、4.18GPa、51.53MPa、5.41GPa,较处理前,各项性能分别提高了29.81%、5.29%、33.08%和24.19%;当偶联剂的质量分数为3%时,竹纤维/聚丙烯复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为73.99MPa、6.07GPa、56.57MPa、6.17GPa,相比处理前,复合材料的各项性能分别提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%。

竹纤维/聚丙烯复合材料的吸湿规律符合Fick吸湿定律,经过碱处理或者碱-偶联剂处理后,竹纤维/聚丙烯复合材料耐湿热老化性能有较明显的提升效果,综合考虑湿热老化后复合材料的性能,碱-偶联剂处理后复合材料耐湿热老化性能**,当湿热老化60d后,复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为60.55MPa、3.91GPa、33.10MPa、3.58GPa,较未处理分别提高了49.51%、64.7%、18.06%、7.28%。竹纤维的质量分数为40%时,复合材料的力学性能较.佳。

目前以竹纤维为增强体,以聚丙烯等热塑性树脂为基体,采用非织造工艺和热压工艺制备的汽车门板、衣帽架、顶棚、后备舱侧板等汽车用内饰材料,产业化应用已经成熟。

2、汽车用竹纤维增强热固性复合材料

国.内产学研合作开展了另一项研究,采用缝合-模压工艺制备了单向连续竹纤维/不饱和聚酯树脂复合材料,首先研究了竹纤维含量对复合材料纵向静态力学性能及动态力学性能的影响。随着竹纤维含量的增加,复合材料静态力学性能呈先增加后减小趋势,当竹纤维含量为50wt%时,复合材料拉伸、弯曲性能最.优,拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量分别达到285.52MPa、16.06GPa、359.80MPa、27.32GPa;复合材料的存储模量随竹纤维含量增加呈先增加后减小趋势,当竹纤维含量为50wt%时,复合材料存储模量**,且随着竹纤维含量的增加,复合材料玻璃化转变温度向低温方向移动,损耗峰变宽。

利用碱、碱-偶联剂联合处理的方式,对竹纤维进行表面改性,经过不同表面的处理之后,将改善单向连续性竹纤维/不饱和聚酯树脂复合材料的各项性能。当采用5%碱-3%偶联剂联合处理时,复合材料综合性能**,其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、剪切强度较未处理的分别提高了34.29%、15.95%、11.26%、29.39%;复合材料存储模量(33℃)较未处理的提高了63.80%,损耗因子有所降低;复合材料24h、720h吸水率较未处理的分别减小了55.35%、27.32%。

同时,制备了单向连续竹纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的拉伸强度达到了270.30MPa、拉伸模量达到了16.23GPa、弯曲强度达到了276.51MPa、弯曲模量达到了21.99GPa、剪切强度达到了24.08MPa。

制备的单向连续竹纤维增强热固性复合材料力学性能优良,有潜力取代玻璃纤维增强树脂复合材料在汽车材料(汽车外壳、座椅支撑架等汽车承力结构)领域的应用,以竹天然纤维为增强体相对传统内饰有着显著的节能环保优势。

二、竹纤维复合材料在汽车上的典型应用

竹纤维复合材料在汽车上的典型应用

微信图片_20210624092635.png

三菱汽车采用竹纤维增强氨基甲酸乙酯树脂制造车门装饰板,具有较好的物理、机械性能。福特公司也在积极研究开发竹纤维增强复合材料内饰件,以提升内饰件的硬度。

微信图片_20210624092714.jpg

三、竹纤维在汽车复合材料上的发展前景

当前国家碳中和碳达峰目标下,人类环保意识在随着社会的进步也越发强烈,在汽车内饰件领域的应用是竹纤维增强复合材料是重要市场,其具备的诸多优点更是解决了汽车行业的多个难题。

汽车发生事故时,竹纤维优良韧性将减少车辆损毁,竹子能够自然优化纤维的分布以使其以最.小的体积具有最.大化的抗弯强度。

其轻质的特性也将减少车身重量达20%,大大降低油耗及尾气排放,是替代目前时兴的玻璃纤维复合材料的完.美选择,同时也会对汽车内饰件的综合性有较大提升。

此外,在生产过程中竹纤维工艺流程简单,尤其是能避免化学纤维在生产过程中对生态环境的破坏。

近年来,世界范围内也相继开发应用了多项车用竹纤维复合材料,已经着手研发的产品包括内饰板、衣帽架、座椅背板、顶棚、仪表盘、行李箱、隔热/音和阻尼材料等。竹纤维增强复合材料作为汽车内外件的一种新型加工原料,必然将成为今后汽车工业的发展趋势。

来源:竹纤维产业网

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【聚焦】低碳竹纤维复合材料在汽车上的应用

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汽车工业常用的竹纤维为竹原纤维,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纤维。竹原纤维是一种新型的植物纤维,不同于竹浆纤维、竹炭纤维等化学粘胶再生纤维素纤维。

低碳材料竹纤维

所谓低碳材料,即为获取和加工过程中能源和辅料消耗更少的材料。汽车工业常用的竹纤维为竹原纤维,竹原纤维是以物理机械和生化工艺,自然获取束状、丝状或絮状竹纤维单元,包含竹子的单根纤维细胞或多个纤维细胞集合体,其竹质的天然物理性能和生化特性得到有效保持,因其特性和品质与黏胶竹纤维(再生纤维)有很大区别。是采用机械物理分丝、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纤维,是继棉、毛、丝、麻之后的世界第五大天然纤维。

    研究发现,以天然环保新材料的竹纤维为增强材料,制备的竹纤维复合材料具有密度小、模量与强度高特点,非常适合汽车部件的轻量化。与传统的复合材料相比,竹纤维复合材料质量更轻,生产能耗更少,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。

一、竹纤维在汽车复合材料上的产品与性能

1、汽车用竹纤维增强热塑性复合材料

中国有关院校和企业合作进行了相关研究,采用非织造工艺和热压工艺制备了汽车用竹纤维增强聚丙烯复合材料,分别研究了竹纤维含量、制作结构和改性处理对复合材料力学性能、吸湿性能的影响,并通过层间混杂结构和竹纤维表面性能对复合材料性能作用机理的研究,探索了2种优化方式对复合材料湿热稳定性的影响。

复合材料力学性能研究表明,当竹纤维/聚丙烯质量比为60/40时,复合材料具有最.优力学性能,其弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为51.64MPa、3.97GPa、38.72MPa、4.36GPa,混杂结构对复合材料的力学性能均有不同程度提高。其中,“50/50+70/30”结构复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为59.50MPa、4.86GPa、40.60MPa、5.18GPa,较普通结构,各项力学性能指标分别提高了15.21%、22.42%、4.85%和18.76%;“50/50+80/20+50/50”结构复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为54.29MPa、4.01GPa、41.83MPa、4.86GPa,较普通结构,各项力学性能指标分别提高了5.12%、1.00%、8.02%和11.40%。

采用碱处理和偶联剂处理竹纤维均能有效提高竹纤维/聚丙烯复合材料的力学性能,当NaOH质量分数为5%时,竹纤维/聚丙烯复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为67.04MPa、4.18GPa、51.53MPa、5.41GPa,较处理前,各项性能分别提高了29.81%、5.29%、33.08%和24.19%;当偶联剂的质量分数为3%时,竹纤维/聚丙烯复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为73.99MPa、6.07GPa、56.57MPa、6.17GPa,相比处理前,复合材料的各项性能分别提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%。

竹纤维/聚丙烯复合材料的吸湿规律符合Fick吸湿定律,经过碱处理或者碱-偶联剂处理后,竹纤维/聚丙烯复合材料耐湿热老化性能有较明显的提升效果,综合考虑湿热老化后复合材料的性能,碱-偶联剂处理后复合材料耐湿热老化性能**,当湿热老化60d后,复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度、拉伸模量分别为60.55MPa、3.91GPa、33.10MPa、3.58GPa,较未处理分别提高了49.51%、64.7%、18.06%、7.28%。竹纤维的质量分数为40%时,复合材料的力学性能较.佳。

目前以竹纤维为增强体,以聚丙烯等热塑性树脂为基体,采用非织造工艺和热压工艺制备的汽车门板、衣帽架、顶棚、后备舱侧板等汽车用内饰材料,产业化应用已经成熟。

2、汽车用竹纤维增强热固性复合材料

国.内产学研合作开展了另一项研究,采用缝合-模压工艺制备了单向连续竹纤维/不饱和聚酯树脂复合材料,首先研究了竹纤维含量对复合材料纵向静态力学性能及动态力学性能的影响。随着竹纤维含量的增加,复合材料静态力学性能呈先增加后减小趋势,当竹纤维含量为50wt%时,复合材料拉伸、弯曲性能最.优,拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量分别达到285.52MPa、16.06GPa、359.80MPa、27.32GPa;复合材料的存储模量随竹纤维含量增加呈先增加后减小趋势,当竹纤维含量为50wt%时,复合材料存储模量**,且随着竹纤维含量的增加,复合材料玻璃化转变温度向低温方向移动,损耗峰变宽。

利用碱、碱-偶联剂联合处理的方式,对竹纤维进行表面改性,经过不同表面的处理之后,将改善单向连续性竹纤维/不饱和聚酯树脂复合材料的各项性能。当采用5%碱-3%偶联剂联合处理时,复合材料综合性能**,其拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、剪切强度较未处理的分别提高了34.29%、15.95%、11.26%、29.39%;复合材料存储模量(33℃)较未处理的提高了63.80%,损耗因子有所降低;复合材料24h、720h吸水率较未处理的分别减小了55.35%、27.32%。

同时,制备了单向连续竹纤维/环氧树脂复合材料,复合材料的拉伸强度达到了270.30MPa、拉伸模量达到了16.23GPa、弯曲强度达到了276.51MPa、弯曲模量达到了21.99GPa、剪切强度达到了24.08MPa。

制备的单向连续竹纤维增强热固性复合材料力学性能优良,有潜力取代玻璃纤维增强树脂复合材料在汽车材料(汽车外壳、座椅支撑架等汽车承力结构)领域的应用,以竹天然纤维为增强体相对传统内饰有着显著的节能环保优势。

二、竹纤维复合材料在汽车上的典型应用

竹纤维复合材料在汽车上的典型应用

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三菱汽车采用竹纤维增强氨基甲酸乙酯树脂制造车门装饰板,具有较好的物理、机械性能。福特公司也在积极研究开发竹纤维增强复合材料内饰件,以提升内饰件的硬度。

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三、竹纤维在汽车复合材料上的发展前景

当前国家碳中和碳达峰目标下,人类环保意识在随着社会的进步也越发强烈,在汽车内饰件领域的应用是竹纤维增强复合材料是重要市场,其具备的诸多优点更是解决了汽车行业的多个难题。

汽车发生事故时,竹纤维优良韧性将减少车辆损毁,竹子能够自然优化纤维的分布以使其以最.小的体积具有最.大化的抗弯强度。

其轻质的特性也将减少车身重量达20%,大大降低油耗及尾气排放,是替代目前时兴的玻璃纤维复合材料的完.美选择,同时也会对汽车内饰件的综合性有较大提升。

此外,在生产过程中竹纤维工艺流程简单,尤其是能避免化学纤维在生产过程中对生态环境的破坏。

近年来,世界范围内也相继开发应用了多项车用竹纤维复合材料,已经着手研发的产品包括内饰板、衣帽架、座椅背板、顶棚、仪表盘、行李箱、隔热/音和阻尼材料等。竹纤维增强复合材料作为汽车内外件的一种新型加工原料,必然将成为今后汽车工业的发展趋势。

来源:竹纤维产业网

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