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       四川長盛新材料科技有限公司

      四川長盛新材料科技有限公司SICHUAN CHANGSHENG NEW MATERIAL TECHNOLOGY CO., LTD

      專注竹原纖維產業化

      從事竹材研究和竹材精深加工及下游產品開發

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      【聚焦】低碳竹纖維復合材料在汽車上的應用

      日期:2021-06-24
      信息摘要:

      汽車工業常用的竹纖維為竹原纖維,是從竹子莖部取得的韌皮纖維,采用機械物理分絲、化學或生物脫膠、開松梳理相結合的方法直接從竹材分離制取的天然纖維。竹原纖維是一種新型的植物纖維,不同于竹漿纖維、竹炭纖維等化學粘膠再生纖維素纖維。

      低碳材料竹纖維

      所謂低碳材料,即為獲取和加工過程中能源和輔料消耗更少的材料。汽車工業常用的竹纖維為竹原纖維,竹原纖維是以物理機械和生化工藝,自然獲取束狀、絲狀或絮狀竹纖維單元,包含竹子的單根纖維細胞或多個纖維細胞集合體,其竹質的天然物理性能和生化特性得到有效保持,因其特性和品質與黏膠竹纖維(再生纖維)有很大區別。是采用機械物理分絲、化學或生物脫膠、開松梳理相結合的方法直接從竹材分離制取的天然纖維,是繼棉、毛、絲、麻之后的世界第五大天然纖維。

          研究發現,以天然環保新材料的竹纖維為增強材料,制備的竹纖維復合材料具有密度小、模量與強度高特點,非常適合汽車部件的輕量化。與傳統的復合材料相比,竹纖維復合材料質量更輕,生產能耗更少,在產品的整個生命周期階段,碳排放量非常少,更符合現代社會“綠色環保和低碳化”的要求。

      一、竹纖維在汽車復合材料上的產品與性能

      1、汽車用竹纖維增強熱塑性復合材料

      中國有關院校和企業合作進行了相關研究,采用非織造工藝和熱壓工藝制備了汽車用竹纖維增強聚丙烯復合材料,分別研究了竹纖維含量、制作結構和改性處理對復合材料力學性能、吸濕性能的影響,并通過層間混雜結構和竹纖維表面性能對復合材料性能作用機理的研究,探索了2種優化方式對復合材料濕熱穩定性的影響。

      復合材料力學性能研究表明,當竹纖維/聚丙烯質量比為60/40時,復合材料具有最.優力學性能,其彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為51.64MPa、3.97GPa、38.72MPa、4.36GPa,混雜結構對復合材料的力學性能均有不同程度提高。其中,“50/50+70/30”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為59.50MPa、4.86GPa、40.60MPa、5.18GPa,較普通結構,各項力學性能指標分別提高了15.21%、22.42%、4.85%和18.76%;“50/50+80/20+50/50”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為54.29MPa、4.01GPa、41.83MPa、4.86GPa,較普通結構,各項力學性能指標分別提高了5.12%、1.00%、8.02%和11.40%。

      采用堿處理和偶聯劑處理竹纖維均能有效提高竹纖維/聚丙烯復合材料的力學性能,當NaOH質量分數為5%時,竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為67.04MPa、4.18GPa、51.53MPa、5.41GPa,較處理前,各項性能分別提高了29.81%、5.29%、33.08%和24.19%;當偶聯劑的質量分數為3%時,竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為73.99MPa、6.07GPa、56.57MPa、6.17GPa,相比處理前,復合材料的各項性能分別提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%。

      竹纖維/聚丙烯復合材料的吸濕規律符合Fick吸濕定律,經過堿處理或者堿-偶聯劑處理后,竹纖維/聚丙烯復合材料耐濕熱老化性能有較明顯的提升效果,綜合考慮濕熱老化后復合材料的性能,堿-偶聯劑處理后復合材料耐濕熱老化性能**,當濕熱老化60d后,復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為60.55MPa、3.91GPa、33.10MPa、3.58GPa,較未處理分別提高了49.51%、64.7%、18.06%、7.28%。竹纖維的質量分數為40%時,復合材料的力學性能較.佳。

      目前以竹纖維為增強體,以聚丙烯等熱塑性樹脂為基體,采用非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車門板、衣帽架、頂棚、后備艙側板等汽車用內飾材料,產業化應用已經成熟。

      2、汽車用竹纖維增強熱固性復合材料

      國.內產學研合作開展了另一項研究,采用縫合-模壓工藝制備了單向連續竹纖維/不飽和聚酯樹脂復合材料,首先研究了竹纖維含量對復合材料縱向靜態力學性能及動態力學性能的影響。隨著竹纖維含量的增加,復合材料靜態力學性能呈先增加后減小趨勢,當竹纖維含量為50wt%時,復合材料拉伸、彎曲性能最.優,拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量分別達到285.52MPa、16.06GPa、359.80MPa、27.32GPa;復合材料的存儲模量隨竹纖維含量增加呈先增加后減小趨勢,當竹纖維含量為50wt%時,復合材料存儲模量**,且隨著竹纖維含量的增加,復合材料玻璃化轉變溫度向低溫方向移動,損耗峰變寬。

      利用堿、堿-偶聯劑聯合處理的方式,對竹纖維進行表面改性,經過不同表面的處理之后,將改善單向連續性竹纖維/不飽和聚酯樹脂復合材料的各項性能。當采用5%堿-3%偶聯劑聯合處理時,復合材料綜合性能**,其拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、剪切強度較未處理的分別提高了34.29%、15.95%、11.26%、29.39%;復合材料存儲模量(33℃)較未處理的提高了63.80%,損耗因子有所降低;復合材料24h、720h吸水率較未處理的分別減小了55.35%、27.32%。

      同時,制備了單向連續竹纖維/環氧樹脂復合材料,復合材料的拉伸強度達到了270.30MPa、拉伸模量達到了16.23GPa、彎曲強度達到了276.51MPa、彎曲模量達到了21.99GPa、剪切強度達到了24.08MPa。

      制備的單向連續竹纖維增強熱固性復合材料力學性能優良,有潛力取代玻璃纖維增強樹脂復合材料在汽車材料(汽車外殼、座椅支撐架等汽車承力結構)領域的應用,以竹天然纖維為增強體相對傳統內飾有著顯著的節能環保優勢。

      二、竹纖維復合材料在汽車上的典型應用

      竹纖維復合材料在汽車上的典型應用

      微信圖片_20210624092635.png

      三菱汽車采用竹纖維增強氨基甲酸乙酯樹脂制造車門裝飾板,具有較好的物理、機械性能。福特公司也在積極研究開發竹纖維增強復合材料內飾件,以提升內飾件的硬度。

      微信圖片_20210624092714.jpg

      三、竹纖維在汽車復合材料上的發展前景

      當前國家碳中和碳達峰目標下,人類環保意識在隨著社會的進步也越發強烈,在汽車內飾件領域的應用是竹纖維增強復合材料是重要市場,其具備的諸多優點更是解決了汽車行業的多個難題。

      汽車發生事故時,竹纖維優良韌性將減少車輛損毀,竹子能夠自然優化纖維的分布以使其以最.小的體積具有最.大化的抗彎強度。

      其輕質的特性也將減少車身重量達20%,大大降低油耗及尾氣排放,是替代目前時興的玻璃纖維復合材料的完.美選擇,同時也會對汽車內飾件的綜合性有較大提升。

      此外,在生產過程中竹纖維工藝流程簡單,尤其是能避免化學纖維在生產過程中對生態環境的破壞。

      近年來,世界范圍內也相繼開發應用了多項車用竹纖維復合材料,已經著手研發的產品包括內飾板、衣帽架、座椅背板、頂棚、儀表盤、行李箱、隔熱/音和阻尼材料等。竹纖維增強復合材料作為汽車內外件的一種新型加工原料,必然將成為今后汽車工業的發展趨勢。

      來源:竹纖維產業網

      部分圖文轉載自網絡,版權歸原作者所有,如有侵權請聯系我們刪除


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      【聚焦】低碳竹纖維復合材料在汽車上的應用

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      汽車工業常用的竹纖維為竹原纖維,是從竹子莖部取得的韌皮纖維,采用機械物理分絲、化學或生物脫膠、開松梳理相結合的方法直接從竹材分離制取的天然纖維。竹原纖維是一種新型的植物纖維,不同于竹漿纖維、竹炭纖維等化學粘膠再生纖維素纖維。

      低碳材料竹纖維

      所謂低碳材料,即為獲取和加工過程中能源和輔料消耗更少的材料。汽車工業常用的竹纖維為竹原纖維,竹原纖維是以物理機械和生化工藝,自然獲取束狀、絲狀或絮狀竹纖維單元,包含竹子的單根纖維細胞或多個纖維細胞集合體,其竹質的天然物理性能和生化特性得到有效保持,因其特性和品質與黏膠竹纖維(再生纖維)有很大區別。是采用機械物理分絲、化學或生物脫膠、開松梳理相結合的方法直接從竹材分離制取的天然纖維,是繼棉、毛、絲、麻之后的世界第五大天然纖維。

          研究發現,以天然環保新材料的竹纖維為增強材料,制備的竹纖維復合材料具有密度小、模量與強度高特點,非常適合汽車部件的輕量化。與傳統的復合材料相比,竹纖維復合材料質量更輕,生產能耗更少,在產品的整個生命周期階段,碳排放量非常少,更符合現代社會“綠色環保和低碳化”的要求。

      一、竹纖維在汽車復合材料上的產品與性能

      1、汽車用竹纖維增強熱塑性復合材料

      中國有關院校和企業合作進行了相關研究,采用非織造工藝和熱壓工藝制備了汽車用竹纖維增強聚丙烯復合材料,分別研究了竹纖維含量、制作結構和改性處理對復合材料力學性能、吸濕性能的影響,并通過層間混雜結構和竹纖維表面性能對復合材料性能作用機理的研究,探索了2種優化方式對復合材料濕熱穩定性的影響。

      復合材料力學性能研究表明,當竹纖維/聚丙烯質量比為60/40時,復合材料具有最.優力學性能,其彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為51.64MPa、3.97GPa、38.72MPa、4.36GPa,混雜結構對復合材料的力學性能均有不同程度提高。其中,“50/50+70/30”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為59.50MPa、4.86GPa、40.60MPa、5.18GPa,較普通結構,各項力學性能指標分別提高了15.21%、22.42%、4.85%和18.76%;“50/50+80/20+50/50”結構復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為54.29MPa、4.01GPa、41.83MPa、4.86GPa,較普通結構,各項力學性能指標分別提高了5.12%、1.00%、8.02%和11.40%。

      采用堿處理和偶聯劑處理竹纖維均能有效提高竹纖維/聚丙烯復合材料的力學性能,當NaOH質量分數為5%時,竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為67.04MPa、4.18GPa、51.53MPa、5.41GPa,較處理前,各項性能分別提高了29.81%、5.29%、33.08%和24.19%;當偶聯劑的質量分數為3%時,竹纖維/聚丙烯復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為73.99MPa、6.07GPa、56.57MPa、6.17GPa,相比處理前,復合材料的各項性能分別提高了43.28%、52.90%、46.09%和41.70%。

      竹纖維/聚丙烯復合材料的吸濕規律符合Fick吸濕定律,經過堿處理或者堿-偶聯劑處理后,竹纖維/聚丙烯復合材料耐濕熱老化性能有較明顯的提升效果,綜合考慮濕熱老化后復合材料的性能,堿-偶聯劑處理后復合材料耐濕熱老化性能**,當濕熱老化60d后,復合材料的彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度、拉伸模量分別為60.55MPa、3.91GPa、33.10MPa、3.58GPa,較未處理分別提高了49.51%、64.7%、18.06%、7.28%。竹纖維的質量分數為40%時,復合材料的力學性能較.佳。

      目前以竹纖維為增強體,以聚丙烯等熱塑性樹脂為基體,采用非織造工藝和熱壓工藝制備的汽車門板、衣帽架、頂棚、后備艙側板等汽車用內飾材料,產業化應用已經成熟。

      2、汽車用竹纖維增強熱固性復合材料

      國.內產學研合作開展了另一項研究,采用縫合-模壓工藝制備了單向連續竹纖維/不飽和聚酯樹脂復合材料,首先研究了竹纖維含量對復合材料縱向靜態力學性能及動態力學性能的影響。隨著竹纖維含量的增加,復合材料靜態力學性能呈先增加后減小趨勢,當竹纖維含量為50wt%時,復合材料拉伸、彎曲性能最.優,拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量分別達到285.52MPa、16.06GPa、359.80MPa、27.32GPa;復合材料的存儲模量隨竹纖維含量增加呈先增加后減小趨勢,當竹纖維含量為50wt%時,復合材料存儲模量**,且隨著竹纖維含量的增加,復合材料玻璃化轉變溫度向低溫方向移動,損耗峰變寬。

      利用堿、堿-偶聯劑聯合處理的方式,對竹纖維進行表面改性,經過不同表面的處理之后,將改善單向連續性竹纖維/不飽和聚酯樹脂復合材料的各項性能。當采用5%堿-3%偶聯劑聯合處理時,復合材料綜合性能**,其拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、剪切強度較未處理的分別提高了34.29%、15.95%、11.26%、29.39%;復合材料存儲模量(33℃)較未處理的提高了63.80%,損耗因子有所降低;復合材料24h、720h吸水率較未處理的分別減小了55.35%、27.32%。

      同時,制備了單向連續竹纖維/環氧樹脂復合材料,復合材料的拉伸強度達到了270.30MPa、拉伸模量達到了16.23GPa、彎曲強度達到了276.51MPa、彎曲模量達到了21.99GPa、剪切強度達到了24.08MPa。

      制備的單向連續竹纖維增強熱固性復合材料力學性能優良,有潛力取代玻璃纖維增強樹脂復合材料在汽車材料(汽車外殼、座椅支撐架等汽車承力結構)領域的應用,以竹天然纖維為增強體相對傳統內飾有著顯著的節能環保優勢。

      二、竹纖維復合材料在汽車上的典型應用

      竹纖維復合材料在汽車上的典型應用

      微信圖片_20210624092635.png

      三菱汽車采用竹纖維增強氨基甲酸乙酯樹脂制造車門裝飾板,具有較好的物理、機械性能。福特公司也在積極研究開發竹纖維增強復合材料內飾件,以提升內飾件的硬度。

      微信圖片_20210624092714.jpg

      三、竹纖維在汽車復合材料上的發展前景

      當前國家碳中和碳達峰目標下,人類環保意識在隨著社會的進步也越發強烈,在汽車內飾件領域的應用是竹纖維增強復合材料是重要市場,其具備的諸多優點更是解決了汽車行業的多個難題。

      汽車發生事故時,竹纖維優良韌性將減少車輛損毀,竹子能夠自然優化纖維的分布以使其以最.小的體積具有最.大化的抗彎強度。

      其輕質的特性也將減少車身重量達20%,大大降低油耗及尾氣排放,是替代目前時興的玻璃纖維復合材料的完.美選擇,同時也會對汽車內飾件的綜合性有較大提升。

      此外,在生產過程中竹纖維工藝流程簡單,尤其是能避免化學纖維在生產過程中對生態環境的破壞。

      近年來,世界范圍內也相繼開發應用了多項車用竹纖維復合材料,已經著手研發的產品包括內飾板、衣帽架、座椅背板、頂棚、儀表盤、行李箱、隔熱/音和阻尼材料等。竹纖維增強復合材料作為汽車內外件的一種新型加工原料,必然將成為今后汽車工業的發展趨勢。

      來源:竹纖維產業網

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