隨著世界汽車保有量的持續(xù)增加，能源短缺、環(huán)境污染等一系列問題日益突出，節(jié)能、環(huán)保成為世界汽車工業(yè)有待解決的兩大問題。

為應(yīng)對這些問題，世界各國相繼出臺了嚴(yán)格的乘用車油耗與排放標(biāo)準(zhǔn)。面對節(jié)能減排的巨大挑戰(zhàn)，如何降低汽車能耗以及緩解其所造成的環(huán)境污染，已成為汽車行業(yè)必須解決的難題。?

“汽車輕量化”作為解決這一難題的關(guān)鍵技術(shù)之一，是現(xiàn)代汽車技術(shù)的重要發(fā)展方向。

汽車輕量化不僅能減少動力和動力傳動系統(tǒng)的負(fù)荷，提高汽車動力性能，有效降低制動距離，而且能明顯提高汽車行駛平穩(wěn)性和舒適性。另外，車身的輕量化設(shè)計對提高汽車的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和動力性能有重要的現(xiàn)實(shí)意義。權(quán)威研究顯示，汽車整車質(zhì)量若降低 10%，其燃油效率可提高 6%～8%；當(dāng)汽車整車質(zhì)量每減少 100kg，百公里油耗可相應(yīng)降低 0.3～0.6L，二氧化碳排放量亦可減少約 8～11g。

當(dāng)前汽車車身輕量化的重要途徑之一便是采用輕質(zhì)高效的復(fù)合材料零部件。

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同的材料，通過物理或化學(xué)的方式制備而成的具有優(yōu)于自身組成材料特性的新材料。各種材料在性能上相互取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同作用，使最終成型的復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。

目前，市面上有不少廠家采用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等熱固性材料或相關(guān)的注塑成型產(chǎn)品來制作汽車相關(guān)零部件。這類熱固性材料雖然密度小，質(zhì)地較硬，能在一定程度上解決汽車輕量化、隔音降噪、降低能耗等問題，但由于其自身材料特性使得其所制成品皆為一次性成型產(chǎn)品，不具備回收性，對于汽車行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展來說其實(shí)是不利的。

因此，一種性能優(yōu)越、質(zhì)量比較小、可回收利用且成本低廉的熱塑性復(fù)合材料（聚丙烯、尼龍、滌綸、聚氯乙烯、聚碳酸酯、 聚甲醛、聚苯乙烯等）被推廣到汽車應(yīng)用領(lǐng)域的最前沿。

長玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料（PP 復(fù)合材料）作為一種十分典型的熱塑性復(fù)合材料，擁有韌性好、強(qiáng)度高、密度小、保存期長、可回收利用及價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

長玻纖增強(qiáng) PP?產(chǎn)品是一種改性塑料材料。該材料一般為長度 12 毫米或 25 毫米，直徑 3 毫米左右的柱狀粒子。在這種粒子中，玻璃纖維有著和粒子同樣的長度，玻璃纖維的含量可以從 20%?到 70%?不等，粒子顏色可以根據(jù)客戶要求進(jìn)行配色。該粒子一般可以用于注射及模壓工藝，可以生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件或半結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用的領(lǐng)域包括汽車、建筑、家電、電動工具等等。

汽車工業(yè)的應(yīng)用：前端框架、車身門板模塊、儀表盤骨架、冷卻風(fēng)扇及框架、蓄電池托架等，用于替代增強(qiáng) PA 或金屬材料。

由于其較為廣泛的應(yīng)用面，關(guān)于 PP 復(fù)合材料的制作工藝與性能方面的研究工作變得尤為重要。針對不同的性能要求、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝特點(diǎn)等條件，PP 復(fù)合材料的制作要求充滿了多樣性。

一方面，若生產(chǎn)一般性的汽車相關(guān)零部件：下護(hù)板、座椅骨架、儀表盤等，則需要 PP 復(fù)合材料能為產(chǎn)品提供較高的美觀性能和力學(xué)性能。另一方面，若生產(chǎn)汽車發(fā)動機(jī)底護(hù)板等隔音部件時，由于需要部件能夠擁有一定的厚度與孔隙率，以保證底護(hù)板的降噪、隔音性能，則需要 PP 復(fù)合材料能夠在一定程度上有效控制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的孔隙率與疏密程度等。

由于熱塑性復(fù)合材料一般都是在加熱后進(jìn)行流動成型的，針對不同的工藝特點(diǎn)，生產(chǎn)過程中成型設(shè)備加熱溫度、設(shè)備保溫溫度、設(shè)備加熱時間、保溫時間以及層合板材的預(yù)熱溫度、預(yù)熱時間、生產(chǎn)過程中的溫降冷卻控制等工藝條件都是充滿著變化的。

因此對于 PP 復(fù)合材料而言，優(yōu)越的半成品制作工藝及成型工藝對于最終產(chǎn)品的制作工作來說，有著特別重大的意義。

由于玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，在汽車輕量化研究方向上十分具有潛力，與車用 PP 復(fù)合材料有關(guān)的產(chǎn)品性能、力學(xué)特性的研究工作也相當(dāng)重要。

由于具有良好的抗沖擊性、吸能性，使得 PP 復(fù)合材料被合理地應(yīng)用到前防撞梁、吸能盒等重要的汽車零部件上，較優(yōu)的拉伸、彎曲性能可有效提高儀表盤、座椅骨架、尾箱等車用零部件的安全可靠性，合理的板材疏密程度與較大的孔隙率能使汽車發(fā)動機(jī)底護(hù)板獲得更好的隔音、降噪性能。?

長玻纖增強(qiáng)PP

01

的國內(nèi)研究

作為一種新型復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展起源于上世紀(jì) 80 年代，主要分為長纖維增強(qiáng)粒料（LFP）、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（GMT）、連續(xù)纖維增強(qiáng)預(yù)浸漬帶 （MITT）等。

我國針對熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究起步相對較晚，開始于 20 世紀(jì) 80 年代末期，而到上世紀(jì) 90 年代中期，國家才開始將汽車用 GMT 復(fù)合材料的研究應(yīng)用列為國家級相關(guān)的高科技計劃項(xiàng)目。

自 2003 年以來，國內(nèi)先后有多家科研院所、科研單位及企業(yè)開始進(jìn)行 GMT 板材制備工藝的研究工作，其中華東理工大學(xué)以及個別企業(yè)的研究最為前列，其相關(guān)研究與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品已部分成功投產(chǎn)或得到實(shí)踐應(yīng)用。

總體來說，我國在熱塑性復(fù)合材料領(lǐng)域的研究工作尚未取得顯著性突破，與發(fā)達(dá)國家之間仍存在一定的差距。

長玻纖增強(qiáng)PP

02

的發(fā)展現(xiàn)狀

作為應(yīng)用最為廣泛的熱塑性樹脂基復(fù)合材料，玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的發(fā)展也到了相當(dāng)高的成熟階段，最為主要的就是三大類型中的 GMT 復(fù)合材料，GMT 復(fù)合材料最早問世于 20 世紀(jì) 60 年代，并于 20? 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來?，F(xiàn)如今已被各國各行業(yè)，如航空航天、建筑、汽車、醫(yī)療、化學(xué)電子等廣泛地應(yīng)用。

1999 年美國 Azdel 公司開發(fā)出一款新型的 SuperLite 輕質(zhì) GMT 板材，標(biāo)志著輕量化 GMT 板材的真正面世。2003 年，瑞士同樣制作出性能一致的輕質(zhì) GMT 板材 ——Symalite 板材。緊接著，2005 年，Owens-coming（歐文斯科寧）公司也公布了其公司的輕質(zhì) GMT 板材。

就目前而言，市面上品質(zhì)最高、質(zhì)量最好的 GMT 類 材料都以此三大公司生產(chǎn)的為主。我國 GMT 材料的發(fā)展由于起步相對較晚，在基礎(chǔ)材料、工藝方法、設(shè)備研發(fā)上仍然落后于此類發(fā)達(dá)國家。

另外，隨著納米技術(shù)逐漸地引起人們的關(guān)注，與納米技術(shù)有關(guān)的復(fù)合材料研究開發(fā)工作也成為新時代的研究熱點(diǎn)。以納米技術(shù)改性基體樹脂，可使基體樹脂的結(jié)晶形態(tài)和聚集態(tài)發(fā)生一定程度的改變，從而使之產(chǎn)生新的性能，能夠有效克服傳統(tǒng)材料韌性與剛性難以相容的矛盾，同時，也能大大提高材料的綜合性能。

長玻纖增強(qiáng)PP

03

在汽車上的應(yīng)用

長玻纖增強(qiáng)聚丙烯作為一種熱塑性樹脂基復(fù)合材料，目前在車身上的應(yīng)用現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢。相關(guān)研究者、汽車制造者及立法者已將更多的目光投向輕量化復(fù)合材料在車身零部件上的應(yīng)用。

此前的一些研究針對車身零部件制造，已采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料來取代傳統(tǒng)金屬材料。

早在上世紀(jì) 80 年代，ICI 公司就實(shí)現(xiàn)了長纖維增強(qiáng)熱塑性粒料的工業(yè)化生產(chǎn)，隨后 Ticona、RTP、北歐化 工等公司也開始相繼成為長纖維增強(qiáng)熱塑性粒料的生產(chǎn)商。長纖維增強(qiáng)熱塑性粒料采用注塑成型加工為最終制品，由于其相較于短玻纖復(fù)合材料力學(xué)性能有明顯改善，因此其開始大量應(yīng)用于汽車車身。

Jeep 公司牧馬人系列最早使用長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料作為車門護(hù)板及前端模塊；Rieter 公司提供的長纖粒料應(yīng)用于大眾 PQ35 系列的前端模塊；RKT 公司采用長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料進(jìn)行發(fā)動機(jī)罩、隔音罩及前端模塊的生產(chǎn)。

雷諾及通用汽車公司將一種片狀模壓料應(yīng)用于乘用車的防撞梁中。諸多研究已將玻纖增強(qiáng)聚丙烯廣泛應(yīng)用于汽車零部件中，例如：車門、車身外板、地板、框架部分、電池檢修門及座椅系統(tǒng)，其與傳統(tǒng)金屬部件相比質(zhì)量可減少 40%~60%，與此同時卻顯示出相同甚至更好的性能。

Jeyanthi 等人通過實(shí)驗(yàn)及有限元數(shù)值仿真方法研究了復(fù)合材料防撞梁的碰撞過程，結(jié)果顯示長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料防撞梁在侵入量及能力吸收方面有較好表現(xiàn)。

由于長纖維增強(qiáng)熱塑性粒料的生產(chǎn)成本較高，而且在注塑成型時會造成纖維的嚴(yán)重斷裂導(dǎo)致力學(xué)性能的降低，其應(yīng)用受到了限制。

為了避免上述問題的出現(xiàn)，許多廠商開始對原材料及成型工藝進(jìn)行改進(jìn)。Azdel 公司首先推出中長玻璃纖維 氈增強(qiáng)聚丙烯片材，采用模壓成型工藝以減少成型時纖維的斷裂，來取代粒料進(jìn)行車身制品的生產(chǎn)；Faurecia 公司采用長玻纖聚丙烯片材為標(biāo)致汽車公司生產(chǎn)前端模塊及底盤防護(hù)系統(tǒng)；大眾途安系列采用長玻纖聚丙烯片材作為前端支架及擾流板；我國北京汽車生產(chǎn)的勇士軍車也采用長玻纖聚丙烯材料作為發(fā)動機(jī)罩蓋及左右翼子板。

長玻纖增強(qiáng)PP

04

的制作方法

PP 復(fù)合材料是由 GF 與 PP 樹脂復(fù)合而成的材料，由于 GF 與 PP 種類與結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不同，其混合方法與混合類別有很大的差異，但歸根結(jié)底，其制作工藝主要分為兩大類：干法工藝與濕法工藝。本文主要介紹干法工藝，對濕法工藝不再進(jìn)行贅述。

干法工藝一般也稱為梳理工藝，是借用于無紡機(jī)械工藝發(fā)展而來的，其具體的制作方法主要分為兩大部分：制氈部分和制板部分。

制氈部分主要包括：纖維的開包、開松、混合、梳理、成網(wǎng)、針刺及收卷等。

制板部分主要包括：氈材的表面處理、無紡布的布置與選型、加熱熔融板壓或輥壓及裁邊等。

傳統(tǒng)的制氈部分主要步驟如下：

01

開包。市面上購置的纖維一般為袋裝，且呈壓縮狀，需要經(jīng)過開包機(jī)開包，使大部分的塊狀或團(tuán)狀纖維分解，離散成絮狀或束狀。然后再輸送至下一道工序。

開包機(jī)的特點(diǎn)：開包機(jī)內(nèi)安裝有電子自動磅棉裝置，能將不同的纖維按產(chǎn)品所需比例混合。

02

開松。經(jīng)開包后的纖維只是解除了袋裝中的壓縮狀，纖維整體上還是呈小塊分布的，需經(jīng)過開松工藝，使纖維分散至一定程度，再輸送至下一道工序。開松機(jī)內(nèi)裝有釘耙式刺輥，能將開包后的化纖達(dá)到初步開松的目的，即：從大的纖維塊、纖維團(tuán)或纖維束變成較小的纖維塊或纖維束。

開松的原理：根據(jù)所制氈材的分散度要求，開松一般可分為預(yù)開松與精開松， 預(yù)開松一般采用刀片式（開松錫林上安裝刀片）開松，精開松一般采用梳針釘板 （開松錫林上裝有梳針）開松。

03

大倉混棉。大倉混棉是相對于部分將兩種或兩種以上的纖維混合制氈的工藝而言的重要工序，主要是完成各種纖維原料的混合、開松、儲備等功能，要求在減少對纖維損傷的同時，又要使混合纖維達(dá)到均勻的絮狀，并完成纖維原料的輸送和均勻喂入。設(shè)備為大倉混棉箱。

大倉混棉原理：最簡單的大倉混棉箱主要由平簾、斜簾、限厚輥和剝?nèi)≥伒冉M成，纖維經(jīng)輸入風(fēng)道輸送至大倉混棉箱，自上開風(fēng)口降落至平簾上（風(fēng)道部分擁有一定的混合作用），再經(jīng)斜簾往斜向上方向輸送，由限厚輥限制輸送纖維層厚度，纖維經(jīng)剝?nèi)≥伌騺y、剝離斜簾，沉降于輸出簾，供下一步梳理工序使用。其混合作用主要體現(xiàn)在風(fēng)道中的氣流輸送過程，纖維于倉體中的氣流吹落過程， 斜簾上限厚輥的轉(zhuǎn)動使高于厚度部分的纖維在斜簾上反復(fù)翻滾混合以及剝?nèi)≥伒碾x心力打亂混合作用。

04

梳理。梳理是整個制氈工藝中最為重要的工藝之一，梳理工藝的工藝質(zhì)量直接影響著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。梳理的主要作用是對纖維進(jìn)行進(jìn)一步開松與除雜，將纖維梳理成束狀、單絲狀（單根纖維狀態(tài)），大幅度提高纖維的分散性，梳理過程也能在一定程度上將多種纖維進(jìn)一步混合，提高纖維層的混合均勻性。另外，對于結(jié)構(gòu)上有雜亂不規(guī)則排布要求的纖網(wǎng)，梳理機(jī)還能配置雜亂裝置（一般是雜亂輥），使其滿足相關(guān)要求，雜亂結(jié)構(gòu)的形成對于減小最終產(chǎn)品的縱橫向強(qiáng)力比值差有一定的促進(jìn)作用。梳理后的纖維一般由道夫凝聚，再經(jīng)過斬刀的剝?nèi)∽饔?，?jīng)網(wǎng)簾輸送至下一步成網(wǎng)設(shè)備。

梳理的原理：經(jīng)大倉混棉后的纖維，由平簾輸送至梳理機(jī)喂入羅拉處，經(jīng)羅拉喂入工作錫林，工作錫林上安裝有工作輥與剝?nèi)×_拉（剝?nèi)≥仭瑥?fù)雜形式的開松機(jī)），兩者的綜合作用，能將纖維進(jìn)行進(jìn)一步打亂、分散，形成分散性較高的纖維層，最后經(jīng)道夫輸送至網(wǎng)簾至下一步成網(wǎng)工序。

05

成網(wǎng)。傳統(tǒng)的成網(wǎng)工藝主要分為四簾鋪網(wǎng)、立式鋪網(wǎng)等，其主要作用都是將梳理工序形成的纖維，均勻等厚地鋪設(shè)成一定克重的纖維網(wǎng)層，再輸送至下一道針刺工序。這一類的成網(wǎng)工藝應(yīng)用得最為成熟與廣泛，梳理機(jī)輸出的纖維層是呈單方向分布的，四簾鋪網(wǎng)與立式鋪網(wǎng)都是直接將梳理機(jī)輸出的纖維層往復(fù)式的鋪設(shè)在成網(wǎng)簾上，所以所制纖維網(wǎng)一般縱橫向力學(xué)性能相差較大。設(shè)備為四簾鋪網(wǎng)機(jī)和立式鋪網(wǎng)機(jī)。

06

針刺。經(jīng)成網(wǎng)機(jī)成網(wǎng)后的纖維網(wǎng)是處于一種蓬松的大厚度狀態(tài)，整體結(jié)構(gòu)孔隙率大，需要對其進(jìn)行機(jī)械加固以獲得擁有一定強(qiáng)度的氈材。而最為常用的機(jī)械加固手段就是針刺，針刺一般是利用帶有倒鉤的刺針，將纖網(wǎng)中水平分布或斜方向分布的纖維利用倒鉤刺入纖維層中心，使纖維改變原有的狀態(tài)，纖維之間相互靠攏、纏繞。通過對纖網(wǎng)進(jìn)行多次反復(fù)的機(jī)械針刺加固，使纖維與纖維互相緊密纏結(jié)而產(chǎn)生較大抱合力，并使纖網(wǎng)的密度提高，纖網(wǎng)的整體厚度也因此被壓縮，形成既結(jié)實(shí)又有強(qiáng)力的基體材料。設(shè)備為針刺機(jī)。

07

切邊收卷。將針刺后的基氈切除邊角料并計量，按幅寬要求收卷成具有一定長度與重量的基氈。設(shè)備為收卷切邊機(jī)。

氈材經(jīng)收卷后即為完成了制氈部分的工藝。

另一部分為制板部分，傳統(tǒng)的制板部分主要是三明治結(jié)構(gòu)制板，即：將純玻璃纖維按制氈部分工藝制作成玻璃纖維針刺氈（玻璃纖維針刺氈具有耐腐蝕、耐高溫、減震、降噪、吸音、阻燃、尺寸較為穩(wěn)定、伸長收縮率極小、強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但其運(yùn)行阻力高于一般的化纖高溫濾材。玻璃纖維針刺氈現(xiàn)階段主要是作為制造聚丙烯片材(GMT)和熱塑性片狀模塑料的增強(qiáng)材料），經(jīng)一定的壓力與溫度的條件下，按所需玻璃纖維比例，復(fù)合樹脂（PP 樹脂）片材，壓制成具有較高強(qiáng)度的復(fù)合式板材。

現(xiàn)階段國內(nèi)很多科研院所、高校以及生產(chǎn)廠家對干法工藝都做了一定的改進(jìn)工作，但大體都不離開這兩部分工藝。

長玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料作為當(dāng)今玻璃纖維增強(qiáng)材料的一個發(fā)展趨勢，受到了國內(nèi)外各大塑料改性生產(chǎn)廠商的高度重視，特別是長玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料，由于其很高的性價比優(yōu)勢，更被業(yè)界所廣泛看好。

目前這些廠商紛紛投入大量的人力、物力進(jìn)行該類型材料的生產(chǎn)研發(fā)和市場開拓的工作。

綜上所述，當(dāng) PP 復(fù)合材料應(yīng)用于汽車行業(yè)時，一方面要求其能滿足汽車相關(guān)零部件的強(qiáng)度、剛度、模量、安全及質(zhì)輕等性能方面的要求和相關(guān)的法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)，另一方面考慮到成本控制，又要求其能在一定程度上簡化、優(yōu)化相關(guān)的半成品、成品的生產(chǎn)工藝。

因此，對于 PP 復(fù)合材料相關(guān)制作工藝及力學(xué)性能的相關(guān)研究工作相當(dāng)重要，而對于其在汽車零部件上的應(yīng)用也迫在眉睫。來源：第八元素塑料版

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