基于麻纤维板材回收再利用的汽车内饰用短纤维增强复合材料性能的研究

采用汽车内饰的黄麻纤维板材回收破碎,通过侧喂料喂入进行共混加工,更佳加工温度为190℃,最终注塑成短纤维增强复合材料｡当纤维含量为20%时,复合材料力学性能与滑石粉/聚丙烯材料的相互媲美,而且密度下降9%左右,满足汽车内饰聚丙烯材料轻量化和绿色化的要求｡基于此,采用*接枝聚丙烯(MAPP)来提高材料力学性能｡当MAPP质量分数为3%时,复合材料拉伸强度､弯曲强度和冲击强度分别达更大值为35.5MPa､58.3MPa和2.9J/m,而拉伸模量和弯曲模量更大值为3452､2797MPa

关键词：可回收麻纤维板材；短纤维增强复合材料；*接枝聚丙烯；力学性能

作者：周楠婷，张 锴，蔡 青

上海普利特复合材料股份有限公司，上海

当前汽车发展的主要趋势是绿色环保,主要体现在可回收和轻量化｡我国于2006年也提出了2017年起所有国产及进口汽车可回收利用率达到95%左右的技术政策,其中材料的可再利用率不低于85%｡从20世纪90年代,麻纤维板材已经成为全球绿色技术的研究与开发热点,具备密度低､模量高､易成型和隔音隔热的优势,被广泛应用于欧洲､日本和美国汽车上,具体产品包括内衬件､标志板､座椅后背､货架以及音响板材｡尤其是德国汽车制造商麻纤维板材的用量也在不断攀升,宝马和奥迪公司平均在每辆车上使用7~10kg这种材料[1]｡而国内麻纤维板材的研究起步较晚,但发展迅速,特别是近年来取得了很大的进展,不断实现产业化[2]｡

相比基于热压工艺的麻纤维板材,麻短纤维增强复合材料由于适应于制备形状复杂的小零部件而成为研究热点之一,但是受到较多技术限制,其中较为关注的是麻纤维下料困难｡下料时,麻纤维杂乱无章,部分容易纠缠一起,而且密度比塑料粒子小,导致下料不通畅｡目前,国内这方面的研究刚刚起步,很多高校和研究院大部分采用混炼机将麻纤维和聚合物进行混合,再冷却造粒,无法满足工业化生产[3]｡

此外,在研发不同类型产品的同时,极少研究关注麻纤维复合材料的回收再利用问题｡Bourmaud和Baley[4]开展了关于黄麻和剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的回收性能研究,结果表明,经过7次机械粉碎和螺杆挤出之后,材料力学性能和纤维长度大幅度降低,黄麻纤维复合材料的拉伸模量降低了0.66%,屈服强度和断裂强度分别提高了1.81%和22.3%;而剑麻纤维复合材料的拉伸模量和屈服强度分别降低了10.1%､17.2%,断裂强度提高了8.9%｡由此可见,经过回收再利用之后,麻纤维复合材料力学性能虽然有所降低,但是在非承载结构的应用上具有一定的适应性｡基于此,本文以黄麻纤维板材破碎料为原料,通过注塑成型工艺进行加工,最终获得可应用于汽车内饰件的优异性能｡该研究不仅可以充分利用麻纤维板材废料,达到减少成本､环保节能的目的,而且解决麻短纤维增强复合材料下料难的问题,便于实现双螺杆挤出工艺｡

实验部分

主要原料

聚丙烯/黄麻热压板:某车型门板内衬板如图1,件上取样进行性能测试,结果如表1;木粉:Hylicel,上海同化新材料科技有限公司;滑石粉:Ultra5L,AIHAI-IMI公司,自制成母粒(滑石粉质量分数为75%);均聚聚丙烯:HP840N-Z,中海壳牌石油化工有限公司;抗氧剂:1010,台湾双键化工股份有限公司;*接枝聚丙烯(MAPP):9801型,上海日之升新科技发展有限公司｡

实验仪器

破碎机:EP-150X250,天冠仪器仪表有限公司;双螺杆挤出机:ZEBASIC62,德国贝尔斯托夫公司;注塑机:HTF80X1,宁波海天公司;电子万能强力机:INSTRON5567,美国英斯特朗公司;摆锤冲击试验机:BPI-5.5COMC,德国兹维克公司;纤维长度分布分析测试系统:FiLDAS3E-ECO,德国卡格｡

试样的制备

聚丙烯/黄麻热压板先破碎成颗粒(图2),然后按比例将配好的物料放入高混机中进行高速搅拌,混合均匀后通过双螺杆挤出机挤出成型,挤出温度为190℃,螺杆转速为500r/min,经冷却后切粒,最后通过注塑机加工成力学性能测试样条｡

测试与表征

密度按ASTMD792-2010测试;拉伸强度和拉伸模量按ASTMD638-2010测试;弯曲强度和弯曲模量按ASTMD790-2010测试;冲击强度按ASTMD256-2010测试;纤维长度分布采用纤维长度分布分析测试系统进行测量｡

结果与讨论

不同加工参数对复合材料力学性能的影响

（１）喂入方式

表2是采用热压板破碎料为原料并通过不同喂入方式(主喂料或侧喂料)制备而成的聚丙烯/黄麻纤维复合材料(黄麻纤维质量分数为20%)的力学性能｡主喂料是指增强或填充材料和基体材料均匀混合后一起下料,而侧喂料是指基料材料喂入后先经过加热熔融之后再与增强或填充材料进行混合｡由表2可知,聚丙烯/黄麻热压内衬板破碎料可用于聚丙烯树脂的增强材料,使得材料模量提高到200%左右｡相比较主喂料,侧喂料制备的材料力学性能要略高些,尤其是拉伸和弯曲模量分别提高约为20%和12%｡这些性能差异与黄麻纤维在聚丙烯树脂里保留长度有着密切的关系,纤维保留长度越长,复合材料性能越优异[5]｡

图3是黄麻纤维在聚丙烯树脂里的分布情况,可以通过纤维长度分布分析测试系统测得纤维保留长度｡由表3可知,相比主喂方式,侧喂方式可以保留更长的纤维长度,但是长度差异也会更大,可能与黄麻纤维在内衬板中保留长度有关｡其主要原因是从主料口喂入时,破碎料与基料颗粒在螺杆剪切作用下发生强烈的物理摩擦,导致纤维长度变短,而侧喂料喂入时,基料颗粒已变成熔体,使得破碎料混合时所受到的物理摩擦较弱,使得纤维长度保留较好｡

(2)注塑温度

图4是不同注塑温度对黄麻纤维/聚丙烯复合材料力学性能影响,其中纤维含量为20%,并采用侧喂料喂入｡如图4所见,随着注塑温度提升到220℃,材料的拉伸强度从32.5MPa下降到31.8MPa,变化小,而弯曲模量从3083MPa下降到2346MPa,下降约24%,也由此说明注塑温度主要是对材料模量有着较大的影响｡对于麻纤维而言,主要成分分为纤维素､半纤维素和木质素[6],它们开始发生热降解的温度分为240､200､250℃[7],因此当更大注塑温度设置为220℃时,这些成分逐渐开始热降解反应,使黄麻纤维力学性能下降,导致材料模量大幅下降｡

复合材料力学性能优化

（１）同类汽车内饰用复合材料的对比

表4是同类汽车内饰用复合材料的力学性能测试结果,填充料质量分数为20%,其中填充料指黄麻､木粉和滑石粉,分别采用黄麻/PP热压板破碎料､木粉和滑石粉母粒通过侧喂料方式进行喂入挤出注塑制备而成｡如表可知,黄麻纤维､木粉和滑石粉对聚丙烯材料都有增强的作用｡除此,PP/黄麻材料综合力学性能与PP/滑石粉的较为接近,而其密度下降9%左右,对于注塑零件而言具有减重效果,满足汽车内饰聚丙烯材料轻量化和绿色化的要求｡PP/木粉材料的力学性能普遍偏低,可能存在两个原因:①该木粉是直接和聚丙烯粒料混料直接喂入,分散不均匀,而其他两个填料是母粒形式,较其多了道分散的工序,分散较为均匀,填料分散越均匀,力学性能较好;②黄麻纤维和木粉表面具有亲水性,而聚丙烯是疏水材料,导致两者相容性较差,使得填充以后的材料拉伸强度和冲击强度有所下降｡因此,为了提高材料力学性能,通过改性聚丙烯来改善界面黏结性能从而提高材料力学性能｡

(2)*接枝聚丙烯对材料力学性能的影响MAPP是麻纤维和聚丙烯树脂复合时较为常用的界面增容剂,不但可以与麻纤维表面发生酯化作用,而且可与聚丙烯树脂相互混合,产生共晶现象,也可将彼此的晶格相互缠结在一起,提高了体系的相容性,有利于提高复合材料力学性能[8]｡

图5是MAPP含量对PP/黄麻纤维复合材料力学性能,其中黄麻纤维质量分数为20%,采用PP/黄麻热压板破碎料为原料并通过侧喂入方式挤出注塑制备而成｡由图可知,使用MAPP的确可以有效地改善复合材料力学性能,与雷文等[9]的研究结果相一致｡当MAPP质量分数为3%时,复合材料的拉伸强度､弯曲强度和冲击强度分别达到更大值35.5MPa､58.3MPa和2.9J/m,比未使用MAPP的材料分别提高了7.9%､7.8%和20%,但是对复合材料拉伸模量和弯曲模量的影响较小｡当MAPP质量分数为5%时,复合材料力学性能却有所下降｡其主要原因是*基团与纤维上的亲水基团通过共价键而发生酯化反应,通过降低纤维表面能来提高纤维和树脂之间的相容性进而改善两者的结合性,材料力学也随之得到提高;当MAPP含量偏高时,会富集于纤维表面,并容易发生自身缠结,导致材料力学性下降[10]｡

结论

用于汽车内饰的黄麻纤维板材可回收进行破碎,用于聚丙烯材料的增强材料｡通过侧喂料喂入进行共混加工,同时利用较低的加工温度,可注塑成力学性能优异的短纤维增强复合材料｡当纤维质量分数为20%时,复合材料力学性能与聚丙烯/滑石粉材料的相互媲美,而且密度下降9%左右,满足汽车内饰聚丙烯材料轻量化和绿色化的要求｡另外,通过MAPP的改性使得材料力学进一步改善,有利于拓展该类材料在汽车内饰件的应用｡

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文章来源：塑料工业 第47卷第８期

基于Abaqus的椰壳纤维/PP复合材料于汽车安全气囊盖板应用的可行性研究

摘要

实验研究了天然椰壳纤维作为增强体的椰壳纤维/聚丙烯（PP）复合材料的物理性能，与纯PP材料的物理性能进行了对比。利用有限元软件Abaqus对其应用于汽车内饰的可行性进行研究。结果表明：椰壳纤维作为增强体与PP复合的增强材料具有良好的力学性能，可以满足汽车内饰材料中安全气囊盖板的性能要求，具有作为汽车内饰材料的可能性。

关键词：椰壳纤维；复合材料；汽车内饰；聚丙烯

作者：牟云涵，李劲松，李佳霖，洪少东，计颖聪

海南大学，海南 海口

纤维增强材料是由纤维作为增强体分散在基体中合成的增强材料。传统纤维增强材料包括玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维等，应用广泛但却存在造价高、污染严重、原材料来源不广泛等问题 [1-2] 。当前，环境友好且容易回收利用的天然纤维增强材料受到研究人员的关注。与传统纤维增强材料相比，天然纤维增强材料具有密度低、易加工、易回收并且制造成本低廉的优点。天然纤维增强材料的原材料为天然纤维，故其原材料来源广泛、生态友好并且可循环再生。不仅如此，天然纤维增强材料具有良好的理化性质，可以满足各工程领域对材料的需求 [3] 。

如今，汽车行业的天然纤维增强材料代替传统复合材料可以带来良好的经济、环境和社会效益。传统汽车复合材料如玻璃纤维和碳纤维等材料在生产过程中不仅耗能大，而且会产生大量危害环境的复合材料废弃物。用天然纤维增强材料代替传统复合材料不仅可以解决以上问题，而且还能拥有与传统复合材料相当甚至更为优良的物理强度、稳定性以及耐腐蚀性等优势 [4] 。如天然麻纤维复合纤维拥有良好的隔热、隔音性能，能有效降低车内噪音，现已经应用于汽车内饰 [5] 。

本研究选用天然椰壳纤维与聚丙烯（PP）来制作椰壳纤维/PP复合材料，测试物理性能，并与纯PP材料进行对比，探索其应用于汽车内饰材料的可能性，并用Abaqus进行仿真验证。

实验部分

主要原料

聚丙烯(PP)，PP-BG2017F，海南钧达汽车饰件股份有限公司；椰壳纤维，海南海口废弃椰壳，粉碎平均长度为5mm。

仪器与设备

电子万能试验机，KQL WD7-5，深圳凯强利实验仪器 有限公司；注射机，EM150-SVP，震德塑料机械有限公司。

椰壳纤维处理

将椰壳纤维粉碎后经蒸馏水多次冲洗以去除杂质，烘 烤后进行辐射固化（UV）。

椰壳纤维/PP材料制备

将处理后的椰壳纤维与PP按质量比3:97、5:95、8:92、 10:90、13:87、15:85均匀混合，投入到注射机中，设定温度215℃、填充时间5 s、周期时间15.0 s、溶胶时间4.47 s、冷却时间16.1 s、射胶终点2.1 mm，进行样品制备并标号，纯PP组样品用同样的方法进行处理并标号。制备好的样品于室温静置24 h后进行测试。

力学性能测试

拉伸性能按GB/T 1040.1—2018进行测试，试样尺寸 170mm×10mm×4mm，试验速度设定为5mm/min，每组5 个试样，结果取平均值。弯曲性能按GB/T 1449—2005进行测试，试样尺寸 80mm×10mm×4mm，试验速度设定为2mm/min，每组5个试样，结果取平均值。

结果与讨论

椰壳纤维含量对复合材料拉伸性能的影响

图1为椰壳纤维含量对复合材料拉伸强度的影响，图2 为椰壳纤维含量对复合材料弹性模量的影响。

从图1可以看出，随着椰壳纤维含量的增加，复合材料的拉伸强度呈下降趋势。当椰壳纤维含量为5%时，拉伸强度为20.275MPa。对比纯PP材料，其拉伸强度损失为10.33%。

从图2可以看出，随着椰壳纤维的添加，复合材料的弹性模量不断上升，这是由于在复合材料被拉伸时，使得部分连接分离，阻碍应力在椰壳纤维与PP之间的传播。随着椰壳纤维含量的增加，这种效应变得更强烈，从而复合材料的刚度得到提高 [6-7] ，当椰壳纤维含量为5%时，其弹性模量为1169.105MPa，比纯PP提高了42.3%。

椰壳纤维含量对复合材料弯曲性能的影响

图3为椰壳纤维含量对复合材料弯曲强度的影响。从 图3可以看出，随着椰壳纤维含量的增加，复合材料的弯曲 强度变化不大，但是都比纯PP略微提高。

图4为椰壳纤维含量对复合材料弯曲模量的影响。从 图4可以看出，复合材料的弯曲模量随着椰壳纤维含量的 增加而提高，但提高并不大。因为椰壳纤维本身具有优良 的弯曲模量，随着椰壳纤维含量的不断提升，复合材料需 要受到更大的应力才能产生同样的变形，故复合材料的弯 曲模量会随着椰壳纤维含量的增加而提高 [8] 。

对于应用而言，5%~10%含量的椰壳纤维/PP复合材料的物理性能是可以满足汽车内饰材料要求的。本研究将 选用5%含量的椰壳纤维/PP复合材料进行仿真验证。

有限元分析

目前，市场上的汽车软塑气囊盖板的弱化槽通常分H 型和双Y型2种，为了分析椰壳纤维材料于汽车内饰材料应 用的可行性，本研究利用有限元软件Abaqus，并选择H型弱化槽模型进行有限元分析。

建立有限元模型

安全气囊盖板位于气囊系统中气囊仪表板下，在气

囊爆破时，仪表板会沿着弱化槽缺口弹开，为了计算方便，使用SolidWorks进行模型建立，并在建立结构模型时对结

构进行优化。图5为模型主体示意图，图6为模型侧面示意图。面板厚度为4mm，由于H弱化槽的深度会影响盖板所受应力，故建立2个模型，其H型弱化槽深度分别为1mm与2mm，其组成材料为椰壳纤维和PP，其中，椰壳纤维含量为5%，PP含量为95%。在模型建立完成后保存为.step格式并导入Abaqus。

材料模型建立与量纲选取

由于Abaqus没有固定的单位制，因此用户需要自行制定所需要的量纲，本研究涉及的弹性模量、时间、强度和长度单位分别为MPa、s、MPa和mm。本研究安全气囊盖板的材料为椰壳纤维/PP复合材料，并不是晶体，因此其表现为各向同性，将5%含量椰壳纤维/PP复合材料的数据在Abaqus中键入，并指派截面到部件。表1为椰壳纤维/PP复合材料性能。

网格划分

定义材料属性并指派截面后，需要对模型进行网格划分。Abaqus划分网格主要分3种，结构化网格技术（STRUCTURED）、扫掠网格技术（SWEEP）和自由网格划分技术（FREE）。三者各有优势，其中，FREE最为灵活，几乎可以适用于任何几何形状[8]，本研究模型并不复杂，使用FREE更为方便，在mesh模块的mesh-controls中选择quad[1]dominated，将单元体形状设定为四面体，但在过渡区域允许三角形单元出现。

为使结果更加精确，在模型实例布种时需要控制全局尺寸（Appromiximateglobalsize），越小越精确，但也提升了求解对计算机CPU和内存的需求，本研究设定为3。图7为网格划分结果。

施加载荷与约束

划分网格结束后需要对模型进行载荷与约束的设定。在气囊爆破时，气囊对安全气囊盖板的冲击力约为1 764 N， 起爆压强约为70 kPa [9] 。虽然气囊膨胀过程对于气囊盖板 的冲击力是随时间变化的，但由于气囊爆破过程时间极 短，气囊的膨胀过程是在一瞬间完成的，因此，本研究设定 气囊在爆破瞬间对气囊盖板的冲击力为恒定值。气囊盖 板在断裂前，气囊在腔室内展开，对气囊盖板的冲击面积 近似为盖板的表面积，因此可以将分析模型设定为一个恒 定的压强，作用于气囊盖板的面板上，给气囊四周添加固 定约束。图8为添加载荷与约束。

有限元求解与分析

在对模型施加载荷和设定约束后，创建作业（Job）并提交计算，得到安全气囊盖板在爆破瞬间的应力云图和形变图。两种不同弱化槽深度的应力云图与形变图如图9~12 所示。

从图10和图12可以看出，在安全气囊爆破时气囊盖板会从H型弱化槽中间长横线处凸起，并结合图9和图11可以发现，H型弱化槽的中间部位受到的应力最为集中，并且H弱化槽的深度会影响气囊盖板受到的应力，1mm深度模型的更大应力为22.87MPa，略微大于材料屈服应力，而2mm深度的模型受到的更大应力为26.90MPa，大于材料屈服应力。因此，盖板首先会在H型弱化槽的中间横线区域发生断裂，并沿着弱化槽向两边撕裂，而且H型弱化槽深度越深，H型弱化槽横线中心部位受到的应力越大，当采用深度为2mm的弱化槽时，盖板能够顺利展开。

椰壳纤维增强材料于汽车内饰材料应用的可行性分析

根据仿真结果可以看出，安全气囊爆破时，冲击力大于椰壳纤维/PP复合材料的屈服应力，可以顺利断裂使安全气囊弹出，故椰壳纤维/PP复合材料满足作为汽车安全气囊盖板材料所需的力学性能要求。但根据安全气囊爆破试验标准，安全气囊盖板爆破时不能产生碎片，不能烧熔，故椰壳纤维/PP复合材料制作安全气囊盖板是否能完全符合安全气囊爆破试验标准还需要实际试验进行验证。

汽车内饰材料需要对挥发性有机化合物(VOC)进行严格管控，而椰壳纤维作为天然材料本身具有无污染的特性，若应用于汽车内饰对于降低汽车内VOC具有积极作用，故椰壳纤维增强材料具有应用于汽车内饰的可行性。

结论

椰壳纤维/PP复合材料的拉伸强度比纯PP材料有所 损失，其拉伸强度会随着椰壳纤维的含量增加而下降，但 其弹性模量会得到提升，并随着椰壳纤维含量的增加而提 高。而椰壳纤维/PP复合材料的弯曲强度与弯曲模量比纯 PP材料都有所提升，但提升并不巨大。对于汽车内饰应用 而言，5%~10%含量的椰壳纤维/PP复合材料的物理性能是 可以满足材料性能要求的，同时，仿真结果显示椰壳纤维/ PP复合材料可以作为汽车内饰材料。

但椰壳纤维复合材料依然存在部分问题需要解决：（1）天然椰壳纤维内长纤维与短纤维分布不均，使得复合材 料在受外力时，局部应力可能会太集中，降低复合材料的 力学强度，为保证复合材料的力学稳定性，还需要对椰壳 纤维复合材料的复合方法与加工方法进一步研究。（2）对于大规模应用而言，其处理成本还有待考量。

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文章来源：

计算机辅助技术 塑料科技 Plastics Science and Technology NO.06 2020