竹纤维在汽车复合材料上的应用研究

张 毅

（竹纤维产业网，福建 福州350002）

竹产业是目前绿色经济发展的重点关注产业，有着潜力巨大的经济价值和社会价值。竹产业也是一个可持续性发展产业，对保护环境、促进资源和平衡生态有着重要意义。竹纤维产业化是竹产业创新发展的核心，对竹产业转型升级起到引领作用。

竹纤维指的是天然竹纤维（也称竹原纤维），是直接通过机械物理法从竹材分离制取的天然纤维，也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，是继棉、麻、丝、毛之后的第5大天然纤维。竹纤维采用三级分丝和二次梳理，所得竹纤维密度均较低，因而纤维分离度最高［1］，脱胶处理后纤维直径仅为处理前的近1/5，纤维长径比为处理前的4倍，拉伸强度提高了近27倍［2］。竹纤维具有优异的产品功能，竹纤维及其制备的复合材料具有如下性能特点：强度高、韧性好、质量轻；抗菌、抗紫外线性能突出；原料来源广、可再生；生产操作安全、低污染、低能耗；应用领域广；用后可自然降解；绿色、环保等。

竹纤维作为一种性能优异的基础材料，可广泛应用于纺织、非织造、建筑材料、汽车材料等复合材料生产领域。当前，中国率先在国内大力推进竹纤维产业化，致力于解决人类日益增长的天然纤维需求和可持续发展问题，将中国竹资源转化为国家经济竞争力，促进更多制造企业加快产业转型和产品创新，提升中国在材料领域的国际竞争力。

1 天然纤维在汽车复合材料上的产品现状

汽车内饰是指汽车内部所用到的汽车产品，涵盖到汽车车身内的各个部位，如转向盘防护套、脚踏地垫、防滑垫、座椅垫、顶棚等都是内饰产品。国外很早就将天然纤维作为汽车内饰材料研究重点，由于化学纤维特别是玻璃纤维燃烧时会释放大量有毒气体，被称为火灾“第一杀手”。因此，天然纤维替代化学纤维是汽车内饰材料市场发展的必然趋势。采用天然纤维开发的汽车内饰产品，不仅安全性大幅提高，而且具有负离子发射、抗紫外线、环保、吸音性能好的特点［3］。

国外对天然纤维复合材料及其制品的研究开发工作开展较早，自20世纪60年代起，国外就将亚麻、剑麻、洋麻、椰壳纤维和大麻等天然纤维用于汽车内饰产品中。其中，亚洲天然复合材料研发以日本、印度等国为主。黄麻原产于印度，种植范围广且产量巨大，使之在黄麻纤维复合材料的研究一直处于世界前列。重点研发领域是将亚麻、剑麻、黄麻等天然纤维作为增强材料，或者将橡胶与黄麻构成新型复合材。随着科技的不断进步，相关产品已经逐步推向市场，并且广泛运用于汽车内饰中。

欧洲国家对于天然纤维在汽车内饰方面的研究力度颇大，尤以德国、丹麦、意大利、英国为甚。BASF公司是德国一家世界知名的化工公司，其采用的以天然纤维诸如黄麻、亚麻等作为增强材料，与聚丙烯等热塑性材料复合，制备出麻纤维增强热塑性复合材料。该材料具有质轻、环保、价廉等特点，各项性能突出。其重量范围在500 g·m－2～1 800 g·m－2之间，厚度在2～3 mm之间，比玻璃纤维增强热塑性材料轻17%。Bayer与其子公司通力合作，研发出了一种利用亚麻纤维增强聚氨基甲酸酯生产汽车装饰物的技术，该技术采用树脂传递模塑工艺，利用天然纤维垫生产出壁厚仅1.5～2.0 mm的部件，产品比传统注塑材料约轻45%［4］。纤维含量越高，材料的降解速率越快。汽车行业对于麻类纤维增强复合材料的应用在德国处于领先地位，如奔驰、宝马等公司。

Kafus环境工业公司开发的洋麻增强材料，也被用于汽车工业，洋麻增强材可代替聚合物模板复合材料，如玻璃纤维增强塑料。该公司在欧洲汽车工业的多年开发研究证明，洋麻纤维可与聚合物如聚丙烯结合用来生产汽车装饰部件，如车门面板、座椅靠板、顶棚、行李盘。Kafus公司用洋麻纤维生产的汽车内饰材料已被用于Volvo、Saab、Renault和Ford等知名汽车公司。Kafus公司已投资1亿美元生产洋麻非织造毡、板产品，这些产品首批将应用于北美汽车工业公司［5］。

国内研究天然纤维复合材料起步较晚，但一些汽车厂商也意识到天然纤维复合材料对于汽车行业的巨大冲击，已着手生产和使用天然纤维增强复合材料的汽车内饰件。

2 竹纤维在汽车复合材料上的产品与性能

2.1 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51.64 MPa、3.97 GPa、38.72 MPa、4.36 GPa，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59.50 MPa、4.86 GPa、40.60 MPa、5.18 GPa，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54.29 MPa、4.01 GPa、41.83 MPa、4.86 GPa，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67.04 MPa、4.18 GPa、51.53 MPa、5.41 GPa，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73.99 MPa、6.07 GPa、56.57 MPa、6.17 GPa，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%［6］。

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最优，当湿热老化60 d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60.55 MPa、3.91 GPa、33.10 MPa、3.58 GPa，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［7］。

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。

2.2 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50 wt%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285.52 MPa、16.06 GPa、359.80 MPa、27.32 GPa；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，复合材料存储模量最大，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，复合材料综合性能最优，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24 h、720 h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270.30 MPa、拉伸模量达到了16.23 GPa、弯曲强度达到了276.51 MPa、弯曲模量达到了21.99 GPa、剪切强度达到了24.08 MPa［6－7］。

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）、风电叶片材料、公路防护栏材料、船舶材料等领域的应用，以竹、麻等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［8－9］。

3 竹纤维在汽车复合材料上的发展前景

自复合材料行业诞生以来，产业链上下游不断健全，行业迅速发展壮大，特别值得关注的是，近几年竹纤维产业化随着各项工艺的不断深入与完善，以竹纤维为增强材料的新材料在复合材料领域越发受到行业的追捧及期待，竹纤维应用越来越多出现在人们的视野里。

中国素来就有竹子文化，也是世界上竹资源最丰富、应用最广的国家，种植面积达500多万公顷，世界上1/3的竹类资源在中国，名副其实的“竹子王国”。竹子生长极具特殊性，1－3 a便可投入使用。因此，对竹纤维各项应用的研发与推广颇具现实意义，利用竹纤维及其增强复合材料替换当下的各种化学纤维复合材料也成为了重要课题。

汽车行业的发展必然是匹配人们需求的提升，汽车技术的发展是推动整个行业发展的关键因素，当今汽车行业的发展趋势不仅是追求豪华与舒适，汽车产业轻量化也成为了一大发展趋势，这一趋势对新材料在汽车行业的应用有着特别巨大的推动作用。汽车轻量化本质是保障汽车在各项性能不受损或者略有提升的状况下，减轻车身重量，从而降低油耗、减少噪音等污染。汽车轻量化是推动国家节能减排规划的重要举措，也是轻量化材料产业的巨大发展契机。竹纤维增强复合材料作为轻量化材料产业的重要成员，已经对汽车行业产生重要影响，其具备的轻质、高刚度、高强度等优异性能将受到汽车厂商的追捧。

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［10］，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。

据有关资料显示，2010年在德国汽车工业中，天然纤维增强复合材料应用总量达20万t，每辆汽车所用的天然纤维增强复合材料达17 kg，以此测算，目前全球汽车工业天然纤维复合材料年消耗量约160万t［11］，其中，中国消耗量约46万t，美国消耗量约30万t。按照10%～20%的汽车内饰复合材料采用竹纤维计算，竹纤维复合材料每年潜在的需求量至少达16万～32万t，产值近60亿元～120亿元，其经济效益和社会效益十分显著。

当今社会发展趋势表明，汽车工业的发展将朝着轻量化、电动化、智能化的方向进发。竹纤维增强复合材料是汽车工业领域重要轻质用材，将在一定程度上提升和改善常规材料的力学性能、化学性能及物理性能，并能解决常规材料在工程结构上无法解决的关键性问题。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。