环保型汽车用非织造材料的应用现状与发展趋势

湖南工程学院纺织服装学院，湖南 湘潭 411104

中国汽车工业协会发布的数据显示，截至2017年底全国汽车保有量已达2.17亿辆。汽车产量的增长为汽车用纺织品产业发展提供了保障。非织造材料具有成本低、质量轻、易深度模压成型等优势，在汽车用纺织品中的比重越来越大。目前每辆汽车平均耗用非织造材料的质量为15～20 kg，预计2025年将达到40 kg。同时，由于消费者对环保的重视日益提高，生产商越来越倾向采用环境友好型汽车用非织造材料。本文以环境友好型纤维原料为线索，介绍环保型汽车用非织造材料的应用现状，并分析其发展趋势。

1 汽车用非织造材料

非织造材料在汽车行业中的应用优势明显。一方面，非织造材料可进行深度模压成型，满足了研发人员设计汽车零部件不同表面形状时的需求；另一方面，在满足同等指标时，使用非织造材料的质量明显小于其他材料，有利于减少汽车燃料消耗，对环境友好。由于强力较低、耐水洗性能差，非织造材料一般不用作汽车坐椅面料。目前非织造材料一般用作衬垫材料、包覆材料和过滤材料，相关零部件数量已超过40种[1]。

目前，汽车用非织造材料的生产多采用针刺、纺黏、熔喷、热轧等工艺，纤维原料主要为聚酯纤维、聚烯烃纤维、玻璃纤维、天然纤维、再生纤维及碳纤维等。汽车用非织造材料在满足实用性能和加工性能的同时，也需要兼顾经济和环保性能要求，尽量使用可降解的纤维原料。随着汽车工业的发展以及环保法规要求的日趋严格，采用可生物降解、可回收利用的环境友好型纤维原料是汽车用非织造材料的发展趋势[2-3]。

2 植物纤维

2.1 天然纤维素纤维

天然纤维素纤维具有可再生、可降解及隔声隔热的特点[4]，原料来源广泛，可减小汽车工业对不可再生原材料的依赖，因此是环保型汽车用非织造材料的首选[5]。考虑到胶黏性、刚度、防潮和加工成本等因素，天然纤维素纤维非织造材料一般不用在汽车内饰包覆材料上，多用作衬垫材料和汽车内饰件。自20世纪90年代以来，天然纤维素纤维非织造复合材料在汽车内饰件中的应用获得较大发展[4]，如表1所示。通过模压成型、注塑成型等方法，与聚酯、环氧树脂、乙烯基树脂、酚醛树脂等结合，天然纤维素纤维非织造材料能够制备出诸如车门内板、坐椅背板、车顶棚、天窗罩盖、车轮罩及衣帽架等汽车内饰件[6-7]，如图1和图2所示。相较于传统的玻璃纤维增强塑料件，天然纤维素纤维非织造模压件比强度较小、质量更轻，在发生碰撞事故时不会产生锐利碎片，且具有良好的强力、刚性、抗冲击性[8-9]。

表1 天然纤维素纤维非织造材料在汽车上的应用进展

图1 天然纤维素纤维汽车内饰件

图2 奔驰S级轿车中使用的天然纤维素纤维内饰件

2.2 韧皮纤维

韧皮纤维属于可生物降解、可再生的天然纤维，常见的有亚麻、洋麻、苎麻、汉麻、罗布麻等20多种。韧皮纤维不仅吸湿性好、抗菌驱螨，而且刚度大、伸长小，易被黏合剂黏合，能够以较低的制造成本制造出质量轻、隔声性能好的汽车用非织造材料[11]。韧皮纤维非织造材料的加工方法一般为针刺法[12]，即纤维经过梳理成网或气流成网后，再采用针刺法固结。由于韧皮纤维的成网性差，一般还要加入一些易成网的热塑性合成纤维[13]。还有一种是热黏合法，即在韧皮纤维成网时加入一定量的低熔点化纤，纤网冷却后产生黏连作用得到加固。得益于优良的吸湿、放湿作用，韧皮纤维非织造材料用作汽车衬垫材料不仅能够减少异味，还可改善局部微气候，提高乘坐舒适性[12]。

相较于其他天然纤维，亚麻纤维的吸湿散热性好，不易产生静电，是最理想的高档汽车内饰材料，也是目前在汽车上使用最广泛的天然纤维[14]。亚麻纤维的力学性能优异，密度为1 400 kg/m3的亚麻纤维拉伸断裂强力能够达到1 340 MPa，杨氏模量高达54 GPa；而性能相当的E-玻璃纤维(密度约为2 560 kg/m3)，密度较亚麻纤维增加了82.86%[8]。亚麻是中国汽车生产中应用较多的麻纤维原料，多用于汽车内饰板和衬垫材料[15]。

汉麻纤维强度高、耐磨、耐腐蚀，宝马公司在汽车上使用了汉麻纤维非织造复合材料。研究表明[13]，得益于汉麻纤维表面不规则形貌给黏着力带来的提升，质量仅为玻璃/PP纤维40%的汉麻/PP纤维非织造复合材料，拉伸断裂强力和模量分别能够达到前者的50%和80%。汉麻纤维在车门内饰板上的应用如图3所示。

图3 汉麻纤维汽车车门内饰板生产及装配流程

黄麻是重要性仅次于棉纤维的天然纤维，产地主要是印度、中国和孟加拉国。其中，孟加拉国的黄麻供应量最大。德国BASF公司曾开发过黄麻/PP非织造复合材料，用于发动机舱隔声板、车轮罩等部件上。中华汽车曾在国内率先将黄麻纤维非织造材料用于车门板上，国内一些汽车零部件供应商也已成功开发出黄麻纤维汽车内饰件。

洋麻(也称为红麻)纤维也是一种性能优异的天然纤维，洋麻纤维非织造复合材料是制造汽车内饰件的理想材料[11]。洋麻纤维非织造复合材料可用作车门板、坐椅靠背、顶棚、行李架等零部件。1998年北美最大的洋麻生产和加工企业Kafus就已经大量生产洋麻纤维汽车用非织造复合材料，用于替代玻璃纤维增强材料[16]，其相关产品具有抗冲击强度较高等优点。

苎麻纤维的主要产地是中国和巴西，被称为“中国草”“洞庭草”，是目前发现的最硬的一种韧皮纤维。相对而言，苎麻纤维的研究和应用最少，这主要是因为其可加工性不好，提纯困难[4]。目前，绝大部分的苎麻纤维都只在产地国消费。

2.3 其他天然纤维素纤维

除韧皮纤维外，常用的天然纤维素纤维还有叶纤维，如剑麻纤维、蕉麻纤维等；种子纤维，如棉纤维、椰壳纤维等；草本纤维，如蔗渣纤维、竹原纤维、秸秆纤维等。其中，剑麻纤维生长周期短，容易种植，是目前应用最广的几种天然纤维之一，可作为复合材料的增强部分。研究表明，蕉麻/PP非织造复合材料的抗弯和抗冲击性能超过黄麻/PP和亚麻/PP非织造复合材料，但较高的气味释放限制了其在车门板等部件上的应用[17]。奔驰汽车公司拥有蕉麻/PP模压成型非织造复合材料专利，相关产品已由Rieter旗下公司生产。竹原纤维属于天然可再生资源，采用竹原纤维制得的汽车内饰件不仅具有抑菌、抗紫外线等功能，而且在遇到碰撞时能够凭借自身的韧性抵抗外部冲击，提升汽车的安全性。

3 可降解化学纤维

3.1 再生纤维素纤维

常见的再生纤维素纤维有黏胶、莱赛尔、人造棉、天丝、莫代尔、竹纤维等。其中黏胶纤维常用于汽车衬垫材料，以及用作轮胎中的补强纤维。在欧洲，使用黏胶纤维增强的轮胎比涤纶增强轮胎更受消费者欢迎。这是因为，一方面黏胶纤维具有高模低伸、收缩率受加工工艺温度影响小的特点，轮胎的圆周性更好；另一方面黏胶纤维在常温下的弹性高、模量变化小、剪切刚性大[18]，有利于提升汽车的驾驶稳定性和乘坐舒适度。

3.2 可降解合成纤维

目前，可降解合成纤维还处在发展阶段，实际应用的产品较少。聚乳酸(PLA)纤维是目前最有前景的可降解热塑性合成纤维，可通过丙交酯开环聚合或乳酸缩聚制得。美国、日本和德国在PLA纤维的研究开发和生产应用方面一直处在领先地位[19]。PLA纤维是最有希望取代石油基材料的可降解纤维，但PLA纤维较脆、韧性差，且降解率较低，这限制了其在汽车用纺织品领域的应用，通过添加催化剂或降低本身聚合度的方法可增加其降解率。

4 发展趋势

未来环保型汽车用非织造材料的发展趋势：

(1) 通过进一步改性研究，获取更好性能的天然纤维。天然纤维的加工温度通常不高于230 ℃，这限制了其应用范围。通过对麻纤维等天然纤维进行结构和表面改性，开发出新工艺，以提升天然纤维的整体性能，扩大其应用范围。

(2) 走价值创新路线，提升竞争力。天然纤维在生产、加工中需耗费较多人力，从而导致成本较高，原有竞争优势被削弱。通过开发特色产品，升级生产工艺技术，可提升天然纤维的竞争力。

5 结语

随着环保法规的日趋严格，以及人们对汽车内环境的舒适性和环保性重视度的提升，未来环境友好型汽车用非织造材料的发展空间将越来越大。通过改进技术降低成本，将进一步促进以天然植物纤维、再生纤维素纤维和可降解合成纤维等为代表的环境友好型材料在汽车上的应用。