天然纤维在汽车制造中的应用

天然纤维在汽车制造中的应用

天然材料成分，回收再利用的材料，近年来，由汽车制造行业开发的汽车零部件产品开始用于汽车零部件。第一种采用这种工艺制作的汽车内饰组件的材料来源于大麻,大麻纤维可以同时抵御潮湿、寒冷、高温和冲击等多种因素。这种用天然生物合成材料制成的汽车零部件刚一问世,就加入到与用钢铁或加强纤维合成材料制成的传统汽车零部件竞争的行列中。目前,在汽车制造行业中,与以皮革和木头为主要原料的汽车内饰组件和以橡胶为主要原料的轮胎制造相比,越来越多地利用天然纤维作为主要原料的生产制造活动开始占据主导地位。鉴于日益紧张的原材料和与日俱增的环境问题,天然纤维生物聚合物显然拥有着极其广阔的前景。除了韧皮纤维植物,如大麻、黄麻和洋麻(木槿属植物)等外,还有一种叶纤维,这种叶纤维主要来源于植物的叶片和果实,西沙尔麻和阿巴卡(香蕉的一种)均属于这种类型的植物。另外,木头也是天然纤维材料的重要来源。一般情况下,汽车生产商将这种天然纤维材料加工成结实的纤维垫,作为承载骨架,然后再用胶合材料进行粘结。这种承载骨架可以由多种不同的材料组成,从丙烯酸盐到酚醛树脂,再到聚氨酯类以及生物聚合物,都是这种承载骨架的来源。所有这些材料都有一个共同的特性,就是随着温度的变化,其分子链聚合成稳固的网状结构,联结成加强纤维。戴姆勒-克莱斯勒汽车公司从2004年开始使用阿巴卡植物制造汽车零部件,他们用从一种香蕉中提取的马尼拉纤维代替玻璃纤维制造汽车轮胎,并将其作为奔驰A级轿车的备用轮胎。用马尼拉纤维制成的纺织物具有抗拉、抗腐蚀等特点,并且是第一个能满足汽车外部零部件使用要求的天然纤维。菲律宾的半成品生产商ManilaCordage将马尼拉纤维加工成纤维半成品(见图1),这种半成品再由供应商Rieter以卷轴的形式供应到瑞士。在那里,将纤维半成品与热塑性聚丙烯混合后,即可加工成成品汽车零部件。“我们的出发点是改善框架结构和提高天然纤维材料在汽车制造行业中的地位,”戴姆勒-克莱斯勒汽车公司结构和传动装置部门的研究负责人Kohler博士满怀信心地说,“我们会将这种可循环使用的原材料继续用在具有经济价值和可行性的汽车配件上。”在2007款奔驰C级轿车上,有27个总质量为17kg的零部件是由天然纤维材料制成的,例如:侧围的内护板是由棉花和聚丙烯制成的,而车厢底板的衬垫则是由蜂窝纸制成的。工程师们还在油箱通风管上使用了一种天然原料,他们用橄榄焦炭作为活性碳过滤器,这种有孔的材料可以吸收油箱挥发出来的碳氢化合物(HC),并在汽车行驶过程中通过过滤器自行还原。对于大众汽车公司的小型轿车FOX而言,它的内部零部件不是由具有加强玻璃纤维的聚氨基甲酸乙酯泡沫构成的,而是用卡罗阿叶有机纤维代替了玻璃纤维。与人造纤维聚丙烯混合材料一样,这种有机纤维原材料可以100%回收再利用。卡罗阿叶有机纤维材料被用于制造FOX轿车的顶篷和后备厢衬板。这种有机纤维材料在加工中只消耗很少的能量,且不受湿度的影响。它的另外一个优点是,与其它天然纤维材料相比,它是无味的。棉纺工业中产生的棉花残料,被宝马汽车公司首先应用于汽车的声学领域。宝马的工程师们将这种棉花残料作为多功能隔音材料,用在宝马5系列和7系列轿车的后备厢中(见图2)。这种棉花残料与棉花或羊毛混合加热后,可以混纺或针织成各种材料。不久后,由天然纤维材料制成的汽车零部件就可以大量自动化生产了。来自德国奥芬巴赫的R+S技术公司发明了一种新材料,它是用两层由天然纤维和羊毛组成的混合纤维将蜂窝纸板夹在中间,使得材料具有必要的结构强度(见图3)。“用以纸、纸板及纸箱板为核心层制成的人造泡沫材料制作凹形空腔件的衬板,可以提高其稳定性和抗潮湿性,与原始的这种材料相比,它具有成本低和强度高等优点。”R+S技术公司的负责人ErnstSpengler这样描述。此外,这种材料还用一种可以回收的人造泡沫作为不透水的表面涂层。FourMotors公司在利用生物材料方面也有新的进展,该公司在2006年首次将植物纤维用做生物柴油赛车车身的主要原料。FourMotors公司与Invent公司和DLR公司合作,在福特野马轿车车身的基础上,生产出了环保概念车(见图4)。这种环保概念车的车身部分是由亚麻和棉花纤维织物加上液态生物聚合材料粘结制成的,其加工工艺是设法利用亚麻的惰性来制作高强度的聚合材料。亚麻纤维具有一定的刚度,棉花则具有一定的弹性,并具有较强的抗冲击能力。DLR公司材料部门的UlrichRiedel博士介绍说:“我们采用树脂注入法来联结织物与基层,使其结合坚固。这样,同时被浸透的纤维材料能够井然有序地凝结。”上述的整个工艺过程在压力热釜中进行(见图5)。值得一提的是,采用上述工艺制成的后备厢,不仅质量很轻,而且具有很高的强度。为了达到这种效果,首先要在芯核上用手工拉伸4层织物,然后再进行涂胶,最后在材料上涂以亮漆。以一个总质量为53kg的车身为例,采用这种材料,其车身质量可以减轻42%。该环保概念车车身的减重情况详见表1。环保概念车的问世,也给天然纤维材料在摩托车上的运用提供了可能。工程师们研究了天然纤维材料的技术特征。他们指出,这种材料具有良好的刚性和硬度,能够承受高强载荷,同时又具有密度小、质量轻等特性。最重要的是,当车辆发生意外事故时,这些纤维组织不会变成带有棱角的碎片,甚至不会开裂。此外,很多天然纤维都是无味的,这一点对于制造商和车主来说,都是相当具有吸引力。但是,目前生物材料在汽车制造行业尚未被广泛应用,人们对于这种材料还存在一个疑问,这就是它是否能满足汽车工业对于材料阻燃性的要求。在Nova研究所进行的一项研究中,研究人员调查了25家汽车制造公司对于天然纤维材料、木头加强纤维和生物聚合物在汽车领域应用前景的看法。Nova研究所的MichaelCarus先生介绍说:“总的说来,成本仍是人们议论的焦点。而且,这种材料的应用对现有的压注机也提出了新的要求。”为了保护生态环境,未来将对二氧化碳(CO2)的排放出台更加苛刻的法规,而采用较轻的天然纤维材料将有利于减少车辆的CO2排放量。汽车制造商们可能要采取必要的措施对现有的车型进行改进,因为从2007年1月1日起,欧盟各成员国已经开始全面执行欧盟公布的代号为“2000/53/EC”的《报废汽车回收指令》。按照该指令的规定,到2015年,各汽车制造商投放到欧盟市场上的新款汽车,其材料回收率至少要占车辆总质量的85%,材料可利用率至少要达到总质量的95%。只有符合上述标准,汽车制造商才能获得市场准入许可证,这就要求汽车制造商们必须尽快找到解决问题的办法。显然,尽可能地采用天然纤维材料是一条切实可行的途径。目前,德国的汽车回收率已接近100%,法国、美国等国家报废汽车的