聚氨酯夹层结构聚丙烯/竹纤维汽车内饰构件制备与评价

程海涛，苑之童，李明鹏，李文婷，王翠翠，王巍

[1.国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室，北京 100102；2.奇竹(北京)科技发展有限公司，北京 100162]

联合国于2020 年12 月12 日召开了“气候雄心峰会”，旨在到2030 年实现CO2排放量减少45%、到2050 年实现碳中和；我国也于2020 年9 月提出了“双碳”战略目标，以期有效控制CO2排放量。当前我国碳排放达110 亿t，据中汽中心测算，汽车碳排放占全社会碳排放7.5%左右，占我国交通领域碳排放80%以上；2020 年，汽车使用阶段碳排放约7.2 亿t，约占汽车碳排放90%，可见，汽车节能减排迫在眉睫。世界汽车协会报告指出，汽车质量每减少10%，燃油能耗可降低6%～8%，CO2排放可降低13%。因此，轻量化是汽车节能减排最有效的方法之一，也是政策重点支持的领域之一，如国家发改委在《产业结构调整指导目录(2019 年本)》中提到，将汽车轻量化材料应用列为国家鼓励发展产业，同时中国汽车工程学会在《节能与新能源汽车技术路线图2.0》也指出，到2030 年，汽车减重目标是较2015 年减重35%。

轻量化的技术路径有材料轻量化、结构设计轻量化和制造工艺创新三种，其中材料轻量化是实现汽车轻量化的重要趋势[1]。目前汽车工业应用较为广泛的轻量化复合材料主要有碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料等，然而，其面临着原材料危机、成本高、能耗大、产品难降解等问题。植物纤维增强复合材料由于来源广、密度小、环境友好等特点，更符合“双碳”战略下的绿色环保发展趋势。近年来，以麻纤维(JF)为代表的植物纤维增强复合材料已应用在汽车门板、座椅靠背、顶棚、仪表板等内饰构件上[2-6]。截至2021 年底，全国汽车年产2 608 万辆，按每辆汽车平均使用40 kg 热塑性植物纤维增强复合材料计算，则总需求量可达104.3 万t，合计62.6 亿元，市场规模巨大，应用前景广阔。据统计，2019 年，我国麻类总产量为23.39 万t，远不能满足车用麻纤维的需求，目前主要依赖于进口，而且麻纤维成本也会越来越高；而我国竹材资源十分丰富，第九次森林资源清查结果表明，我国竹林面积为641 万hm2，占全球竹资源面积的20%，竹材年产量约为4 000 万t，仅占竹林可砍伐量的1/4 左右，每年约有1.1 亿t 竹材未被开发利用，可利用空间巨大[7-8]，因此竹纤维(BF)增强复合材料非常适合汽车内饰构件的轻量化。

然而，目前鲜有文献定量表征BF 增强复合材料应用于汽车工业的减碳优势，以及报道夹层结构竹纤维增强复合材料在汽车轻量化领域的应用。因此，为了探究BF 代替JF 应用于汽车内饰件的可行性，笔者基于聚丙烯(PP)/JF 复合材料在汽车工业应用的成熟案例，以PP/BF 复合毡制备的复合板为蒙皮，聚氨酯(PUR)泡沫为芯材，采用夹层结构设计，通过热压成型制备热塑性植物纤维增强复合材料，再通过异型模压成型工艺制备汽车内饰构件，以尺寸稳定性、力学性能、发霉、表观材色等性能为指标，验证其是否满足主机厂关键性能指标要求，并对全过程单位能耗与CO2排放量进行估算，旨在推进汽车轻量化技术的可持续发展，为夹层结构PP/BF 复合材料在汽车内饰构件的应用提供研究思路。

1 实验部分

1.1 主要原材料

BF：平均直径0.18 mm，福建3 a 生毛竹；

JF：平均直径0.087 mm，湘南郴州麻业有限公司；

PP/BF 复合毡：PP 与BF 质量比50∶50，自制；

PP/JF 复合毡：PP 与BF 质量比50∶50，某汽车主机厂；

PUR 泡沫、PP 胶膜：某汽车主机厂。

1.2 主要仪器与设备

热压机：CARVER 3895 型，美国Carver 公司；

万能试验机：CMT6503 型，美特斯工业系统(中国)有限公司；

色差仪：BYK-Gardner 型，德国毕克化学公司。

1.3 试样制备

通过热压成型，将PP/BF 复合毡和PP/JF 复合毡制备成PP/BF 复合板和PP/JF 复合板，作为上下蒙皮，单层厚度约为1.15 mm，热压参数为：温度110～160 ℃，时间5 min，压力2～4 MPa。以PUR 泡沫为芯材，采用夹层结构设计，通过热压成型制备热塑性植物纤维增强复合材料，尺寸为2440 mm×1 220 mm×7.5 mm，热压参数为：温度180～200 ℃，时间10 min，压力0.5～1.5 MPa，工艺流程如图1 所示。然后以PUR 夹层结构PP/BF复合材料为原材料，在200～220℃条件下加热使其软化，后在异型模具内冷成型(室温，压力不小于1 MPa)制备汽车内饰构件，如图2 所示。以PUR夹层结构PP/JF 汽车内饰构件为对照样。

图1 夹层结构热塑性植物纤维复合材料的制备工艺流程

图2 某汽车主机厂PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件

1.4 性能测试与表征

(1)汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/BF 复合材料。

①滚筒剥离强度。

参考GB/T 1457-2005，采用万能试验机测试蒙皮与芯材分离时单位宽度上的抗剥离力矩，测试装置如图3 所示，滚筒直径和凸缘直径分别为100 mm 和125 mm，试样宽度为60 mm，加载速度为25 mm/min，通过载荷-剥离距离曲线获得抗力载荷和平均剥离载荷，根据式(1)计算平均剥离强度。每组有效试样均为3 个，结果取平均值。

图3 滚筒剥离强度测试图

Pb，P0——分别为平均剥离载荷和抗力载荷，N；

D——滚筒凸缘直径，mm；

d——滚筒直径，mm；

b——试样宽度，mm。

②弯曲性能。

参考GB/T 1449-2005，采用万能试验机测试PUR 夹层结构PP/BF 复合板的弯曲性能，试样尺寸为150 mm×15 mm×7.5 mm，跨距为厚度的16倍，测试速度为5 mm/min，每组有效试样均为6 个，结果取平均值。

(2) PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件。

①尺寸稳定性。

参考某汽车主机厂的测试标准，将试样依次在90℃/3 h→冷却/1 h→-40℃/3 h→过渡/1 h→55℃，相对湿度95%/15 h→过渡/1 h 下保持24 h，此为1 个循环，共进行4 次循环试验。试验结束后，测量每个试样的质量和尺寸(长度、宽度、厚度)，并分别计算质量变化率，以及长度、宽度和厚度方向的尺寸变化率。每组有效试样均为3 个，结果取平均值。

②表观材色。

参考国际照明委员会(CIE)于1976 年提出的L*a*b*颜色空间系统，采用色差仪测试试样表面的材色，通过式(2)～式(5)计算色差，平行测试5 次，结果取平均值。

ΔE*——色差；

ΔL*——亮度差；

Δa*——红绿指数差；

Δb*——黄蓝指数差。

③发霉测试。

在汽车内饰构件上裁取试样，置于装有200 mL 去离子水的密封容器中，试样下边缘距水面15 mm 以上，每5 d 观察一次，直至出现发霉现象，记录发霉时间。

④汽车内饰构件生产全过程单位能耗及CO2排放量测算。

基于中国能源研究会能效与投资评估专委会对竹缠绕复合管生产全过程能耗计算方法学的研究成果[9]，并参考文献[10]计算PUR 夹层结构PP/植物纤维汽车内饰构件的生产全过程能耗。PUR 夹层结构PP/植物纤维汽车内饰构件的单位能耗为生产该产品所需每种原料的单位能耗与生产该产品的单位能耗之和，其中，单位能耗数据为某汽车主机厂生产某汽车零部件全过程的用电量(0.6 元/度)和用气量(2.5 元/m3)的数据统计，CO2排放量基于各能量源的碳排放系数[11-12]计算得出。

2 结果与讨论

2.1 汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/BF 复合材料分析

(1)滚筒剥离强度。

表1 为汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/植物纤维复合材料的滚筒剥离强度。由表1 可以看出，汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/BF 复合材料的平均剥离载荷为69.70 N，平均剥离强度为13.58 (N·mm)/mm，分别较汽车内饰构件用PUR夹层结构PP/JF 复合材料提高4.01%和38.15%，满足某汽车主机厂中规定的平均剥离强度≥10 (N·mm)/mm 的要求。

表1 汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/植物纤维复合材料的滚筒剥离强度

(2)弯曲性能。

表2 为汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/植物纤维复合材料的弯曲性能。由表2 可以看出，汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/植物纤维复合材料的密度均处于0.2 g/cm3水平，汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/BF 复合材料的弯曲弹性模量和弯曲强度比PUR 夹层结构PP/JF 复合材料低，但其弯曲性能满足某汽车主机厂对轻质化材料规定的弯曲弹性模量≥180 MPa、弯曲强度≥2 MPa 的要求。

表2 汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/植物纤维复合材料的弯曲性能

2.2 PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件

(1)尺寸稳定性。

对于汽车内饰构件而言，尺寸稳定性是需要着重考虑的指标，如果尺寸稳定性差，材料在储存和使用过程中会产生严重变形，影响汽车内饰构件的正常使用。一般汽车内饰构件的尺寸稳定性通过尺寸变化率进行衡量[13]，主机厂不同，测试方法也不尽相同。表3 为PUR 夹层结构PP/植物纤维汽车内饰构件的尺寸稳定性。由表3 可以看出，经过4 次循环试验后，PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件在长度、宽度、厚度三个方向上的变化率分别为0.16%，0.38%和0.12%，即尺寸变化率≤0.38%，质量变化率为0.91%；PUR 夹层结构PP/JF 汽车内饰构件在长度、宽度、厚度三个方向上的变化率分别为0.16%，0.85%和0.65%，尺寸变化率≤0.85%，质量变化率为0.28%。可见，PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件的尺寸变化率比PUR 夹层结构PP/JF 汽车内饰构件小，且在4 次循环试验后并未出现显著的变形、开裂现象，尺寸稳定性满足某汽车主机厂对汽车内饰构件规定的变化率为-0.2%～0.4%的要求。

表3 PUR 夹层结构PP/植物纤维汽车内饰构件的尺寸稳定性

(2)表观材色。

BF 表面有大量亲水基团，由其制成的复合板材吸湿后其材色会发生改变，而对于汽车内饰构件来说，材色的变化影响其美观性，导致板面颜色深浅不一，难以迎合消费者的审美需求。一般来说，CIE1976 中的ΔL*，Δa*，Δb*及ΔE*可以定量反映PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件的材色变化情况。表4 为4 次循环试验前后PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件的表观材色，由表4 可得，经4次循环试验后，某汽车主机厂PUR 夹层结构PP/BF汽车内饰构件的亮度(L*)，红绿指数(a*)和黄蓝指数(b*)均呈减小趋势。

表4 4 次循环试验前后PUR 夹层结构PP/BF汽车内饰构件的表观材色

表5 为4 次循环试验后某汽车主机厂PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件的ΔL*，Δa*，Δb*以及色差计算结果ΔE*，由表5 可得，某汽车主机厂PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件ΔL*为负数，即亮度降低，说明BF 吸水之后导致复合板材颜色加深，ΔE*为2.69，但并未出现显著变色等异常现象，在特定应用中可接受[14-15]，满足主机厂对汽车内饰构件材色变化的要求。

表5 PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件的ΔL＊，Δa＊，Δb＊及ΔE＊

(3)发霉测试。

汽车内饰构件出现发霉现象主要与材料的吸水性有关，而BF 表面有大量羟基，赋予其良好的亲水性，但这一特性导致的汽车内饰构件防腐抗菌性能下降会加快其老化速度[16]，进而影响其正常使用。图4 为某汽车主机厂PUR 夹层结构汽车内饰构件发霉试验结果的照片。由图4 可以看出，在发霉测试的第25 d，PUR 夹层结构PP/BF 和PP/JF 汽车内饰构件开始出现发霉现象，呈“星星点点”状散列分布；在第40 d 时，发霉状态与第25 d 类似；在第60 d 时，发霉现象加剧，呈“珠粒”状紧密分布，此时霉味明显。由上述结论可得，PUR 夹层结构PP/BF 和PP/JF 汽车内饰构件均在发霉测试的第25 d 时表现出较好的防霉性，可满足某汽车主机厂规定的20 d 内无发霉现象产生。鉴于BF 天然变异性大，为满足汽车内饰构件将来更严苛的适用环境，可考虑进行防霉处理。

图4 不同测试时间PUR 夹层结构PP/植物纤维汽车内饰构件发霉试验结果的照片

(4)生产能耗及碳排放。

表6 为PUR 夹层结构PP/植物纤维汽车内饰构件的单位能耗及CO2排放量，由表6 可知，PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件的单位能耗为30.65 MJ/kg，与PUR 夹层结构PP/JF 汽车内饰构件的能耗相比，降低了16.80%，说明相比于汽车工业目前主要采用的轻量化材料，PP/BF 复合材料在能耗和减排方面具有优势，对汽车内饰件的可持续发展具有推进作用。

表6 PUR 夹层结构PP/植物纤维汽车内饰构件的单位能耗及CO2 排放量

1 hm2毛竹林年固定CO2量可达24.3 t，相当于25 辆小汽车1 a 的CO2排放量，一些学者估算，我国竹林年净固定CO2量为1.129 亿t，生态系统碳储量大约为780.16×106t，占我国森林总碳储量的9.28%[17-18]，并以54.81×106t/a 的平均积累速率递增[19]，通过全程跟踪竹林产品碳转移发现，我国竹子采伐后每年有效转移至竹产品中的年储碳量约为1 340 万t[17]，可见，竹子快速增长速率，暗含着较高的固碳速率。与PUR 夹层结构PP/JF 汽车内饰构件的CO2排放量相比，PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件的CO2排放量减少0.55 kg/kg，这也是其替代传统轻量化材料用于汽车工业的一大优势。

3 结论

汽车内饰构件用PUR 夹层结构PP/BF 复合材料的平均剥离强度为13.58 (N·mm)/mm，弯曲弹性模量为(205.15±10.04) MPa，弯曲强度为(3.02±0.31) MPa；PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件在4 次循环试验后的尺寸变化率≤0.38%，并未出现明显变色，20 d 内无发霉现象产生，满足某汽车主机厂的判定需求。PUR 夹层结构PP/BF 汽车内饰构件的生产全过程单位能耗和CO2排放量较低，较PUR 夹层结构PP/JF 汽车内饰构件降低了16.80%和0.55 kg/kg，BF 具有明显的减碳优势。因此BF用于替代传统轻量化材料制备汽车内饰件，潜力巨大，应用前景广阔。