叶早萍 张声明 陈建丽
(1.上海纺织科学研究院,上海,200082;2.上海申达股份有限公司,上海,200060)
随着我国经济的稳步发展,汽车产业的发展突飞猛进。2009年,我国汽车产量达到1 379.1万辆,首次成为世界汽车产量第一大国;2012年,我国汽车产量达到1 927.2万辆,已是连续四年保持全球第一(见图1)。
图1 2000—2012年我国汽车产量增长情况
作为产业用纺织品最重要的应用市场之一,汽车产业的进步带动了汽车用纺织品产业的迅猛发展。在汽车制造材料中,除了钢铁、塑料等之外,最主要的材料就是纺织品,主要包括汽车内饰材料和功能性材料。其中,汽车内饰纺织品大约占到汽车用纺织品的70%[1]。汽车内饰材料包括座椅面料、顶篷面料、汽车地毯、铺垫织物、车门内装饰板、行李箱内饰、衣帽架、窗帘、篷盖布等;汽车功能性材料包括安全气囊、安全带、轮胎帘子布、门窗密封材料、轮罩、减震隔声材料、热绝缘材料、过滤材料、软管等。
纺织材料在汽车上的用量不断增加。以乘用车为例,不同车型表面纤维及纺织品用量为20~40 m2,质量为15 ~40 kg[2-4]。根据统计,2010 年我国乘用车地毯的用量约为2 300万m2,座椅面料约为1.1亿m2,行李箱内衬约为1 800万m2,行李架用纺织品约为 760万 m2,车门内板面料约为810万m2,顶篷面料约为2 600万m2,安全带约为9 100万m[5]。中国汽车用纺织品的销售量正在以每年15%~20%的速度递增。按每辆汽车使用20 kg纺织材料计算,2012年仅中国汽车生产所需的纺织品消费量达到38万t。
广阔的市场空间不仅催生了一批国内汽车用纺织品龙头企业,如上海申达股份有限公司、浙江宏达高科控股股份有限公司、江苏旷达汽车织物集团股份有限公司,而且还吸引了大量国外汽车用纺织品生产商跟随整车企业进入中国市场,如美国李尔(LEAR)、德国佩尔哲(PELZER)、德国谢夫勒(SCHAEFFLER)、法国泰佛(TREVES)、瑞典奥托立夫(AUTOLIV)、日本川岛(KAWASHIMA)等世界汽车用纺织品巨头纷纷在中国独资、合资建厂,国内汽车用纺织品市场的竞争日趋激烈。我国车用纺织品企业近年来发展迅速,但整个行业的发展水平与国外相比还有很大差距。
纺织品对于汽车外观、功能性和安全性都起着十分重要的作用。例如,纺织品使汽车座椅更加美观、舒适;汽车地毯和顶篷面料在提供舒适性和装饰性的同时,还起到降噪和减震的重要作用;轮胎帘子线提高了汽车的道路适应性和轮胎耐用性;纺织增强纱应用于汽车高压管和高压带的基材;非织造材料则广泛应用于空气和油的过滤、各类衬垫材料;纤维增强复合材料在替代较重的金属材料方面发挥了重要作用,促进了汽车的轻量化发展;而安全气囊、安全带等安全装置则有助于道路交通安全和拯救生命。
近年来,不管是汽车制造商还是汽车用纺织品生产商都不断调整,使企业能够适应汽车工业的发展变化。汽车制造商对汽车用纺织品提出了很高的要求,并以此作为吸引消费者的重要手段。除了功能性(隔热、吸声、防滑、防污、透气、阻燃、吸水、抗菌、抗老化、防静电、强度高、尺寸稳定、色牢度和耐磨性好)以及装饰性(美观、舒适)之外,更健康、更环保、更安全、轻量化、低成本日益成为汽车用纺织品重要的发展趋势。为迎合新的发展潮流,汽车用纺织品制造商加快了产品研发和技术创新,新产品、新工艺层出不穷。
现代社会,汽车已成为人们生活中不可或缺的一部分。汽车已不仅是运输工具,更已经成为一种生活空间、活动载体甚至休闲场所。人们每天花在车内的时间超过40 min,因此对车内舒适、健康环境的要求越来越高。在色彩、图案和性能等方面的创新,已成为汽车厂商创造产品特色的重要途径之一。汽车纺织内饰材料的设计和性能与车型、风格等因素紧密地联系在一起,成为吸引消费者的重要因素,那些具有防水、防污、抗菌、阻燃等功能的汽车更能吸引消费者的购买欲望。
为满足消费者的需求,许多功能性汽车内饰纺织品应运而生,功能性纤维、改性纤维的用量明显增多。例如,能消除车内异味的负离子纤维,能平衡车内湿度的异型截面和中空微孔纤维,能降低车内温度的抗紫外线纤维,极限氧指数大于30%的阻燃纤维,能抑制细菌生长的抗菌纤维等。美国Foss公司通过Fossshield®技术开发的双组分抗菌纤维,可以抑制有害菌类、霉菌和其他病菌的繁殖,消除车内异味。美国Sage公司推出了一款用于索纳塔的名为YES Essentials的面料,不仅可以抑制霉菌和细菌的生长,而且还可以消除异味(包括挥发性的有机物),改善空气质量,同时还具有抗静电性能。国内厂商联畅化纤厂开发的负离子纤维应用于汽车内饰材料,能够释放负离子,有效去除车内异味,改善空气质量,并已在雪铁龙等多个车型上获得应用。除了新型纤维的开发,用于汽车内饰纺织材料的各类功能性整理剂、整理工艺的研究也不断取得进展[6]。
车内空气质量作为重要的健康要素越来越受到人们的关注。车内挥发性有害物质(VOC)、致癌物、致敏物等污染物的控制水平,已经成为消费者对汽车品牌认知度的重要评价指标。汽车内的污染物种类很多,能检测到的有100多种,常见的有30余种,主要包括:苯、甲苯、二甲苯等系列;甲醛、挥发性有机物;重金属以及 NH3、CO、氮氧化物;微生物等[7]。对于车内挥发物和有害气味,发达国家对于车内空气质量有严格的强制标准,Oeko-Tex Standard 100已成为汽车制造商选购车用纺织品的国际标准,我国也开始正式实施《乘用车内空气质量评价指南》。这对汽车纺织内饰的开发提出了更高的标准,例如,使用更加环保的纤维材料,在着色过程中尽可能减少重金属含量,在染色和后整理中避免使用含有甲醛和致癌物质的染化料,在加工过程中使用更加环保的胶黏剂和助剂并尽量挥发完全,执行严格的检测标准等。
在环保日益受到重视的今天,各汽车产业大国纷纷出台相关政策法规。欧盟报废车辆指令(End-of-Life Vehicle)规定,2015年之后,轿车的全部组成部分中至少有95%要求可回收利用;美国《未来报废汽车回收利用指南》规定,到2020年报废汽车回收利用率要达到95%;日本《汽车回收再利用法》规定,汽车生产厂家有义务承担汽车残渣、气囊等指定零部件的回收利用以及处理工作。我国《汽车产品回收利用技术政策》规定,2012年起所有国产及进口汽车的可回收利用率要达到90% 左右,其中材料的再利用率不低于80%;2017年起,所有国产及进口汽车的可回收利用率要达到95% 左右,其中材料的再利用率不低于85%。这些相关的法律法规都鼓励整车和部件制造商在设计产品时,要考虑到再利用和回收事宜,还限制使用铅、汞、镉、铬等特定物质,以及在某些情形下溴化阻燃剂的使用,如多溴联苯醚(PBDE)和多溴联苯(PBB),以降低汽车报废对环境的影响。
这意味着整车和部件制造商要更多地使用环保型汽车材料,并要求在设计之初就要考虑产品寿命结束后的回收问题。虽然目前消费者的认知度和环保条例施加的压力还不高,但是这一趋势促使汽车行业努力提高可回收能力。汽车环保材料发展的方向:一是使用天然纤维或单一合成纤维,以利于生物降解和提高回收能力;二是开发能够使用废旧原料的生产工艺。
天然纤维,包括汉麻、黄麻、剑麻、亚麻、木纤维、竹纤维、椰壳纤维、香蕉纤维等在汽车产业的应用已经有了大量的研究[8]。天然纤维增强复合材料凭借其高强度、低密度、低成本、可降解、可再生的特点,正逐渐成为一种新型的汽车用工程材料,广泛应用于汽车门板/衬垫、杂物箱/后搁物架、座位靠板、货车车厢地板、备胎板/车身后壁板等,天然纤维含量可达50%。国外汽车业已逐步使用天然纤维制造汽车零部件,并已有很好的技术积累。例如,标致雪铁龙公司承诺,到2015年所使用的1/3塑料聚合物用可循环材料替代,包括使用亚麻和汉麻等天然纤维。戴姆勒克莱斯勒公司除了使用亚麻、汉麻、剑麻作为内饰材料外,在2004年就开始研究蕉麻(又称马尼拉麻)纤维在汽车上的应用,奔驰A级三门轿车底部的备用轮胎外罩中,蕉麻纤维的含量达25%。福特公司在欧洲投放的车型中,有290多种部件采用了天然纤维增强复合材料,在其新款汽车Flex的置物箱所用的材料中,含有20%小麦秸秆纤维。
为了实现对汽车用纺织品完全有效的回收利用,采用单一的合成纤维已成为新的趋势。目前在汽车常用的纤维材料中,聚酯和聚酰胺纤维的用量最大[9]。聚酯纤维作为主要材料,用量约占60%[10]。综合比较各种合成纤维的性能以及回用条件,聚酯纤维有望成为最理想的选择。聚酯纤维不仅容易获得、符合成本效益原则,而且满足汽车用纺织品的高性能标准。日本川岛织物SELKON开发的高强高弹聚酯纤维BANEX,用于汽车座椅、头枕面料时,可以省去衬垫织物,不仅提高了舒适度,而且降低了面料厚度,只需3 mm的厚度即可实现与原来80 mm厚的材料相同的功能。荷兰Colbond BV公司则率先使用回收聚酯生产汽车用地毯基布,其研发的环保型地毯基布 Colback Green,由双组分长丝构成皮芯结构,以消费后回收的PET(聚酯)瓶做芯,回收PA 6(尼龙6)做皮,不但具有很好的热稳定性和机械稳定性,而且其聚酰胺皮层可以用作结合层,与各种染料和涂料有很好的亲和能力。日本帝人公司开发的生物聚酯纤维PLANTPET,是使用甘蔗成分代替乙二醇(EG)原料制成的部分生物聚酯纤维,最近已在量产车型中应用,主要是日产LEAF(聆风)车型的座椅、内饰面料。在绿色环保型合成纤维方面,日本帝人公司开发的可生物降解PLA(聚乳酸)纤维,已在马自达汽车的座椅面料中获得应用。
由德国谢夫勒公司首创的可循环再生型等密度汽车隔声垫,能够利用回收棉、回收化纤、回收PU海绵、废边角料等废旧材料进行加工,而且产品在车辆报废后也可再循环利用。其特殊的制造工艺和技术使产品的粉尘含量极低,产品各部位密度均匀,压缩回弹强度和恢复性能优良,并具有抗霉和阻燃性能[11],产品已在奥迪、宝马等车型中获得应用。该工艺从纤维开松、混和到带型面产品,可以一次成型,具有流程短、速度快、节能降耗的制造优势。2003年,谢夫勒公司已研制出了第四代生产线。国内厂家上海汽车地毯总厂有限公司也引进了全套生产线,并对相关技术进行消化吸收和创新,产生了良好的效益。
伴随频繁发生的交通事故,人们的安全驾驶意识不断提高,相关的法律法规也日趋严格、完善,这也迫使相关企业加强技术研发,不断推出增加汽车驾驶安全系数的产品和应用。在汽车用纺织品中,安全带和安全气囊是汽车被动安全中十分重要的安全系统装置。
安全带对于乘车安全的重要性不言而喻,现在基本上每辆汽车都配备了安全带。正确使用安全带能使汽车撞击的伤害降低60% ~70%,死亡率下降约75%。根据美国国家公路交通安全局(NHTSA)的估算,仅在美国,通过使用汽车安全带每年挽救1.3万人的生命,避免30万起的严重伤害,挽回500亿美元的社会损失。安全带不仅能减少冲击,而且能将使用者固定在合适的位置,这更能发挥安全气囊的作用。安全带经常处于伸缩状态,容易造成磨损。因此安全带不仅要求强度高、不易变形,而且还要有一定比例的伸长,同时还要求表面光滑、色泽与车厢匹配、具有抗紫外线等性能。高强度聚酯纤维能很好地满足这些要求,也因此成为汽车安全带的首选纤维材料。美国Performance Fibers公司开发生产的用于汽车安全带的Securus纤维,是一种PET和E-聚己内酯的嵌段聚合物,与PET纤维制成的汽车安全带相比,能量吸收可增加30%,乘员受到的撞击力可减少30%。
汽车安全气囊的使用主要是为了尽可能在瞬间均匀地减缓乘员的移动,它与汽车安全带配合以发挥更好的效用。汽车安全气囊的使用近年来大幅增加,除了主、副驾驶室,侧方和车顶也开始使用安全气囊。汽车安全气囊系统中,使用纤维材料的主要是气囊袋,一般为尼龙或聚酯的机织面料。安全气囊系统小型、轻量、高性能化的发展要求,以及特殊的使用环境,要求纺织材料强度优异、耐冲击、环境耐久且强度劣化少、耐高温、轻薄、柔软、可折叠、摩擦阻力小。瑞典AUTOLIV公司最新开发了一种配备气囊的新型座椅安全带,并已被装配于梅赛德斯—奔驰的新款S级轿车上。这种新型安全带将传统的安全带和安全气囊合二为一,能够分散汽车碰撞带来的冲击,有效防止肋骨折断、内伤和瘀伤,尤其适用于儿童和老人。
由于汽车内饰中绝大多数都具有可燃性,阻燃材料的应用也是汽车安全的一个重要方面。与人体直接接触的座椅、地毯、顶棚等汽车内饰材料,以及用于电池隔板、发动机内衬等部位的纺织材料都有着较高的阻燃要求。用于汽车纺织材料的阻燃技术不断发展,阻燃纤维和阻燃整理技术齐头并进。阻燃纤维主要是在纤维原液中加入阻燃性物质或在后整理时加入阻燃整理剂。德国PyroTex公司开发的新型高性能阻燃纤维PyroTex®,是一种本身具有阻燃性质的丙烯腈系纤维,不含卤素和锑等物质,具有较强的阻燃抗热性、抗酸碱性、抗腐蚀性,还可以抵抗紫外线辐射。聚丙烯腈预氧化丝(PANOX)是一种碳纤维制造过程的中间产品,作为一种独立的阻燃纤维新品种,可制成非织造布材料应用于发动机盖隔声隔热垫、发动机仓与驾驶舱之间的隔声隔热垫。
轻量、节能一直是国际汽车工业的主题。面对资源和环境等问题的严峻挑战,推进汽车轻量化以降低油耗显得尤为重要。根据美国最新的汽车能耗政策要求,到2017年美国新出厂轿车的燃油经济性要达到15.3 km/L,以减少汽车尾气污染和达到节能目的。所谓的汽车轻量化,就是在保证汽车强度和安全性能的前提下,尽可能地减轻汽车质量,从而提高汽车动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。碳纤维、玻璃纤维以及其他高强纤维复合材料,是汽车轻量化研究的热点之一。虽然目前纤维材料在汽车所用材料中,按质量计算仅占3% ~5%,但是未来这一数字将不断放大。
玻璃纤维及其复合材料在汽车上的应用十分广泛,尤其是在高端车型上的应用。汽车工业已成为玻璃纤维复合材料最大的市场。玻璃纤维增强复合材料具有质量轻、强度高、刚度大、耐高温、成本低的特点,在汽车上的应用广泛,包括备胎托架、油门和离合器踏板、行李架、门板、仪表板、发动机罩、轮罩、保险杠、座椅骨架、风扇等。现在广泛使用的SMC(Sheet Molding Compound)成型工艺最早就是专为汽车工业开发的,而目前国际上极为活跃的玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)、长纤维增强热塑性复合材料(LFT)也都大量应用于汽车工业。在美国,至少已经有20多种汽车零部件是利用GMT、LFT制成的[12]。在一些新型的概念汽车上,例如法国推出的空气动力车和印度TATA集团研发的空气动力车,车身都是由玻璃纤维制成的。GMT以热塑性树脂为基体(一般为聚丙烯),以短切玻璃纤维或连续的玻璃纤维毡为增强骨架,LFT则含有玻璃长纤维相互缠结形成骨架结构。长玻纤增强聚丙烯材料即使经受100℃的高温也不会产生明显的蠕变,且比短玻纤增强聚丙烯有着更好的抗蠕变性能。福特新嘉年华汽车(Fiesta)的车前门模块就采用了Owens Coring开发的长玻纤增强聚丙烯材料。
在减轻汽车整体质量的研究中,碳纤维增强复合材料(CFRP)扮演了重要的角色。CFRP的密度不到钢的1/4,但强度却是钢的7~9倍,相较于玻璃纤维复合材料,也可减轻质量 20%以上[13]。CFRP耐疲劳强度优良,热膨胀系数小,冲击吸收能大,并有震动阻尼效果[14];CFRP耐腐蚀性强,比金属材料的寿命更长,不易损坏,安全性良好。因此CFRP是汽车实现轻量化,又能够保证安全性与乘用舒适性等特点的首选新材料,国际上的研究进展很快。
目前碳纤维及其复合材料主要应用于赛车、超级跑车等高端车型,以及电动汽车、混合动力汽车等新型动力汽车。兰博基尼多款车型中都使用了一系列的碳纤维材料部件。在兰博基尼Murciélago替代车型中,全车大量采用了CFRP,尤其是全碳纤维复合材料单壳体车身。在混合动力汽车和电动汽车的研究开发中,质量是限制汽车里程的关键因素,CFRP的应用能有效地减轻汽车质量。日本东丽公司研发的“TEEWAVE”ARI敞篷电动车,车体基本结构、车顶、后备箱盖均采用了碳纤维复合材料,既能实现轻量化又能体现车体的刚性和冲击安全性;德国宝马公司2013年投产的BMW i3和i8型电动汽车,以及新推出的量产特大城市车(MCV),均大量使用了CFRP。
CFRP在汽车产业中的普及应用主要是受碳纤维产量小、成本高,以及碳纤维复合材料连续生产快速成型技术的限制。但是随着各国的政策推动和大批量生产技术的进步,碳纤维及其复合材料在汽车产业中的应用将不断扩大。CFRP快速成型技术的研发不断取得进展,日本的帝人、东丽、三菱丽阳公司掌握着最前沿的技术。日本帝人公司的CFRTP快速成型技术,获得了Frost&Sullivan全球汽车碳纤维复合材料技术创新奖和ICIS(International Chemical Information Service)杂志主办的“ICIS Innovation Awards 2011”最佳产品创新奖,并与美国通用公司合作开发新的CFRP,以大规模应用于通用公司全球生产的汽车上。宝马公司一直致力于碳纤维在汽车轻量化上的研究,并投入了1亿美元用于建设碳纤维工厂,这也是首家由汽车制造商建造的碳纤维工厂。
在汽车轻量化材料的研究方面,一项最新的研究进展就是日本开发的纤维素纳米纤维(CNF),其质量只有钢的1/5,强度却是钢的5倍以上,对于汽车部件轻量化的应用潜力巨大。CNF通过在纸浆中添加特殊催化剂TEMPO,搅拌后分解出来,直径只有4 nm。虽然CNF尚处于样品供货阶段,生产方法和用途有待开拓,但由于在汽车轻量化方面可发挥巨大作用,因此备受关注。日本京都大学的研发团队公开的最新研究成果中,通过向CNF增强PP(聚丙烯)复合材料中添加超临界CO2使其微细发泡,可以提高复合材料的刚性和强度,减轻质量,用于汽车的轻量化设计。
成本控制已日益成为汽车产业的重要课题。汽车制造商持续对其供应商施加压力,要求降低价格,汽车配套供应商因此面临着严峻的成本和竞争压力。目前,国内汽车用纺织品制造商为了从整车厂获得新的项目,有时在投标时就要对老项目进行捆绑降价;而新项目也要有持续的降价承诺,每年都要在现有基础上进行一定幅度的降价。
为了回应整车厂降低成本的要求,汽车用纺织品制造商就必须保持成本优势才能在竞争中胜出。选择更适合的原材料生产替代品,加快技术创新和产品创新,开发高附加值产品,成为汽车用纺织品制造商的必然选择。例如,Foss公司为通用汽车开发的新型车用地毯,是增强型16-20OPSY升级产品,规格更符合当今轻质、低成本的趋势。Eswegee Vliesstoff公司积极研发轻质、低成本材料,推出了用于发动机盖和排气管的低成本耐高温降噪产品。Colbond BV公司开发了用于汽车行业的新型三维衬垫材料Enka-Spacer,主要由PA 6、PET、PP制成,在聚氨酯泡沫注塑或其他树脂传递模塑(RTM)生产过程前使用,可以增强层定位性能。
在降低成本方面,非织造材料具有明显的优势,故在汽车领域的应用日益增长,呈现出对传统织物持续的替代趋势。汽车制造商正在用非织造布代替过去使用的经编布,例如顶篷面料,国内非织造材料的应用量逐年增加,尤其是在中低端车型上。除了成本效益优势外,非织造材料比机织、针织材料更易于进行工程化设计;可以深度模压成型,能满足汽车内饰件复杂表面形状的要求,模压成型后的外观均匀;作为汽车内饰材料,在车舱内各个部位均可使用,可获得一致的色彩和结构形态[15]。目前,针刺、缝编、纺黏、热黏等非织造材料在汽车内饰件上都有应用,包括地毯、顶篷、座椅、立柱、门板、发动机衬套、后备箱、轮罩等,以及绝缘、隔热、吸声、隔声等部件。
非织造材料在汽车产业中的应用,最引人瞩目的是隔声材料的发展。从行李箱壁、驾驶室内衬到发动机罩、轮罩等,非织造隔声材料在汽车上的应用广泛。在汽车声学领域,非织造材料可以满足轻质、音频调谐和用作衬垫的要求,正在取代更重的EVA(乙烯—醋酸乙烯共聚物)隔声材料。德国Sandler公司开发的轻型吸声非织造布Sawasorb系列,应用范围覆盖了汽车所有的隔声部件,已在全球50多款车型上获得应用。Sawsorb Exterior材料是一种基于聚酯的高效非织造吸声材料,质轻且可回收利用,具有吸水性低、速干、尺寸稳定、低燃烧特性,用于发动机顶罩时,能够最大限度地降低发动机噪声;用于轮罩护板时,不但能够降低路面噪声,而且吸声性能不受外部天气变化和潮湿环境的影响。美国Lydall公司开发的DbCore(梯度密度)隔声材料,具有高效的降噪功能,可以消除特定目标的噪声,同样具有质轻、可回收的特点。德国Textilgruppe Hof公司开发的Zetajet系列水刺非织造布吸声材料,采用了特殊的纤维取向技术,材料质量轻,面密度范围为35~250 g/m2,已得到汽车制造商的认可,并将在新车型中获得应用。加拿大Texel公司的专利产品ThermoFit,使用独有的热塑性和非热塑性纤维混合制造而成,具有良好的吸声性和透气性,并能起到减震作用,特定的纤维取向技术使产品在纵横两个方向均可获得较高的强力和断裂伸长,特别适用于模压成型的汽车部件。
非织造材料对车用泡沫塑料和PVC薄膜的替代趋势也很明显。德国Eswegee Vliesstoffe公司生产的热熔层压复合非织造布可替代传统的泡沫层压材料,而且可以完全回收再利用。该公司位于Mittweida的Techtex缝编生产线生产的Multiknit和Kunit非织造布,可以替代厚度达8 mm的泡沫。德国Textilgruppe Hof公司开发的新型Malivlies缝编非织造布产品,可替代汽车行李箱盖上的PVC膜,产品成本低、扬尘少并具有良好的织物表面。
技术进步是企业核心竞争力和持续发展强有力的保障。汽车产业的发展、消费者需求的变化和激烈的市场竞争,对我国汽车用纺织品制造商提出了越来越高的要求。要获得竞争优势,不但要有设备优势、规模优势、成本优势,更重要的是要有研发和技术优势。我国汽车用纺织品制造商起步晚,专业化水平低,与国际先进企业之间还有较大差距,所以必须要积极学习国外专业公司成熟的产品设计、先进的生产与服务流程、精湛的企业运营及管理水平等,以缩短与国际先进企业之间的距离;要不断提升技术能级,与整车厂紧密合作,参与整车厂新产品的全球同步研发,这样才能开发出适应新车型的产品,争取更大的市场份额。
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