天然纤维复合材料推动汽车的可持续性

作者:Composites Technology Peggy Malnati 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-05-22
一辆汽车,更不用说是一个汽车部件,因拯救一个村庄而受到赞赏的事情并非常有,但这种情况却发生在了福特汽车公司2012款Focus Electric车的行李箱承重底板上,Focus Electric车是该汽车制造商的首款全电动汽车。

作为福特首款全电动汽车,Focus Electric拥有许多绿色元素,其中之一是位于后行李箱中的承载底板,它含有可回收和可再生的天然纤维材料(图片来自SPE汽车部门)

作为福特首款全电动汽车,Focus Electric拥有许多绿色元素,其中之一是位于后行李箱中的承载底板,它含有可回收和可再生的天然纤维材料(图片来自SPE汽车部门)

这一复合材料的部件采用椰壳纤维进行增强。这是一种不值钱的农业废弃产物:它不会轻易燃烧,不适合做牲畜饲料或种植花草,而且其生物降解缓慢,不能很快发挥农业土壤改良剂的作用。但是,这种材料却供应充足。在从北回归线到南回归线的许多村庄中,它被堆放在椰子加工厂的附近,因为这些地区没有必要的资源来帮助消耗这些椰壳。这促使位于美国德克萨斯州College Station的Essentium 材料公司找到了一种可以利用这种生物废料的方法,以将其转变成有用的产品,并因此而为发达国家的制造商提供了来自可再生资源的产品,从而为发展中国家的农民带来了附加收入。这些来自可再生资源的产品,其价格不会受到石油原料或市场波动的影响。

非同寻常的有用性能

该扫描电子显微照片从纵向显示了从椰子外壳中获得的椰壳纤维,它拥有比传统的天然或合成纤维更大的直径,因而具有固有的刚性和韧性(图片来自Essentium材料公司)

该扫描电子显微照片从纵向显示了从椰子外壳中获得的椰壳纤维,它拥有比传统的天然或合成纤维更大的直径,因而具有固有的刚性和韧性(图片来自Essentium材料公司)

椰壳纤维从椰子外壳中提取。“平均直径为250µm的椰壳纤维,要比大多数其他的天然纤维或合成纤维大得多。”Essentium 材料公司的工程师Ryan Vano指出,“这就意味着它在弯曲时具有固有的刚性,其横截面就像一捆稻草,同时具有很好的强度和韧性。”除了具有良好的弯曲模量外,在所有的天然纤维中,椰壳纤维的木质素含量最高,这有助于使其具备阻燃性(这对于汽车内饰应用至关重要)、抗细菌侵蚀(抗异味和霉变)以及与许多天然纤维相比而不易吸收水分和膨胀。此外,椰壳纤维在被弄湿后,无需浪费很多能源来干燥它,这对于包装、发运前的提取和加工过程都是有利的。“另一个重大优势是其广泛的可利用性。”Vano指出,“每年长出的椰子是500亿个。”

椰壳纤维还表现出了性能的一致性,而无论椰子品种、原产国、土壤和气候条件以及收获的时间如何。这一点已于2008年得到Walter Bradley博士及其带领的Baylor大学(美国德克萨斯州Waco)研究团队的证实。“在生产商业上可行的产品的同时,我们如何才能帮助穷人并更好地管理我们的地球资源呢?”其答案引发了Whole Tree公司的组建,随着成长,该公司更名为Natural Composites公司,之后于2013年被Essentium材料公司收购。

Essentium材料公司在菲律宾与当地的合作伙伴一起,在原生食品加工厂附近提取纤维,这些食品加工厂事先将椰奶和椰肉从椰壳中取出。在印尼,Essentium材料公司拥有其自己的加工厂。

该扫描电子照片从纤维的端部(横断面)显示了椰壳纤维。高木质素含量使其抗燃烧、抗微生物的侵蚀以及抗吸湿、抗膨胀(图片来自Essentium材料公司)

该扫描电子照片从纤维的端部(横断面)显示了椰壳纤维。高木质素含量使其抗燃烧、抗微生物的侵蚀以及抗吸湿、抗膨胀(图片来自Essentium材料公司)

通过采用一种正在申请专利的所谓“mostly mechanical”工艺,纤维被从这些椰壳和其他的成分中提取出来,该工艺不使用化学物质。随后,纤维得到加工,然后被运往世界其他地方,由几家非织造合作伙伴公司将其加工成纤维毡。

尽管拥有许多优点,但椰壳纤维却不能单独使用。这种极硬的纤维抗缠绕,即使是在X轴和Y轴方向上,更不用说Z轴方向了。为了改善其缠绕性,椰壳纤维需要与热塑性的聚丙烯纤维相混合,混合比例为50:50。这种聚丙烯纤维来源于工业化后的回收材料,由Drake Extrusions公司(美国弗吉尼亚州Martinsville)提供。混合好的纤维在经过梳理后被缝编成纤维毡,然后该纤维毡呈卷状被发运给制造最终产品的供应商们。

绿化一辆绿色汽车

福特Focus Electric电动汽车的承载底板

福特Focus Electric电动汽车的承载底板

福特汽车公司(以下简称“福特”,美国密歇根州迪尔伯恩)“Advanced Green Projects”项目的产品开发工程师Elizabeth Johnston回忆说:“我们已经开始采用椰壳纤维从事研究工作,而且已经认识到了这种纤维所拥有的优点是如此之多,这将使其成为一种令人感兴趣去研究的材料。然而,当考虑到社会内涵时,就像是Essentium 材料公司及其产品所真正涵盖的如此多的内容一样,而这些正是福特所看重的。”

因为Essentium材料公司首先瞄准了行李箱衬垫的应用,因此这也成为福特项目的最初研究方向。“与传统行李箱材料一样,我们实施了一系列测试方法,以寻找诸如气味和吸湿方面的问题。”福特工程师Gian Carlo Morlet Ugalde回忆说,“当Focus Electric的承载底板被提出来后,我们在上面跳动。我们知道,在一辆全电动汽车上使用天然材料是非常适合的。”该车型较低的产量对于汽车供应商而言是有利的,因为高产量的汽车平台,甚至是汽油驱动的Focus,对于像Essentium材料公司这样的新兴公司而言,都可能是压倒性的。

福特Focus Electric的承载底板隐藏了电动车的电池,并拥有一个可允许接近电池充电电缆的门。它位于汽车的行李箱中,含有可回收和可再生的天然纤维材料(图片来自SPE汽车部门)

福特Focus Electric的承载底板隐藏了电动车的电池,并拥有一个可允许接近电池充电电缆的门。它位于汽车的行李箱中,含有可回收和可再生的天然纤维材料(图片来自SPE汽车部门)

Focus Electric的承载底板通过覆盖电池与行李箱开口之间的空间而在行李箱的前部隐藏了电池组,而且它为存放物品提供了一个水准面。车主可通过承载底板上的一个小门接近汽车的充电电缆,并有助于防止路面噪声传到乘员室中。

在项目目标确定后,试验过程进入高速运行阶段。“我们对承载底板提出了一些完美而具有挑战性的要求。”福特内饰产品管理人员Bhavani Thota解释说,“在应用中,该底板必须能放平而且安装要恰到好处。虽然车身金属板绕周边为其提供了很好的支撑,而承载底板的中间部分却没有得到支撑,但它必须毫无下沉地支撑载荷。”为了确认这一点,福特的工程师们将两个23kg的沙袋彼此相邻地放在跨度的中间,并将温度提高到100℃,以检查是否有偏斜。

“后面的行李箱盖玻璃令更多的日光照到了行李箱中的物品上,因此热量可能是一个问题,所以我们在这些部件上做了广泛的试验。”Thota 补充说,在另外的测试中,两个沙袋在周边得到支撑的承载底板的中间被堆叠在彼此的顶部,然后使其连续5天承受100~-30℃的极端温度的循环考验。“我们寻找蠕变和分层。”他解释说,“我们测量了测试过程中的偏移,然后在测试完成24h后确认没有出现永久变形,该底板必须回复到其原始形状,正负公差为5mm。”在一个分布的载荷下(即在所有的4个角及中央分别加载)完成的额外测试则评估了偏移值。为了检测抗磨损和抗刮擦性,将行李箱沿该部件的毯状表面拖拉过来,该椰壳纤维增强的承载底板均成功地通过了测试。

值得一提的是,在此所介绍的这一承载底板起初的设计并没有考虑采用椰壳纤维毡,而是准备采用一种再生棉材料,它含有一些生物成分的聚脂树脂,外加回收的棉纤维。由于在被纳入到最终部件中以前,再生棉也被压制成一种毡垫,因此在椰壳纤维通过测试后,这种材料的转换就显得比较容易。

上述非织造合作伙伴中的一家公司在生产出这种混合的椰壳纤维/PP毡后,将其发送给二级供应商AFTECH Advanced Fabricating Technology 公司(美国密歇根州Rockford)进行冲切。然后,这一预切好的纤维毡被发送给一级加工商Autoneum 北美公司(美国密歇根州Farmington Hills)。Autoneum北美公司对这些预切好的材料进行叠放:A级表面(回收的地毯)被表面朝下地铺放到模具的表面上,然后是苯乙烯嵌段共聚物(SBC)热熔体压敏粘合剂(PSA)的喷涂层,它由Bostik公司(美国威斯康星州Wauwatosa)提供;接着施加更多的粘合剂,随之一起铺放的是压板/压制的层压材料,它也由回收纤维制成;随后,施加更多的粘合剂并铺放椰壳纤维/PP 毡;最后,再施加一层粘合剂,并铺上B表面,即一种非织造布。该粘合剂可在冲切前将这些铺层钉在一起。

按照是否需要更高的刚性或者部件是否需要更薄的要求,通过添加或取消压板而使部件的整个跨度具有不同的密度和厚度。这种多孔的椰壳纤维芯层不会被压缩,因此它提供了噪声、振动和不平顺性(简称“NVH”)功能。

在中央切开一个电缆检修孔,在后处理操作中,将带有把手(模内成型)的小门安装在检修孔上。该门被单独制成,其大部分的结构相同,只是用硬板取代了压板以获得更大的刚性和耐久性。这个门与底板表面齐平安装,因此当重物拖过底板时,不会对此门造成破坏。该底板/门的厚度是10~11mm。

未来之门

在两年的生产中,该底板已经很好地应用在被销往欧洲的大约600辆Focus Electric车上以及大约3000多辆被销往北美的Focus Electric车上,而且它已为所有同行提供了很好的学习经验。“我们不想让这项技术昙花一现。”福特产品开发分析专家Rose Petrella说,“因此,我们一直在对它进行评估,以发现它还能够应用在何处。”实际上,第二个应用已使该技术首次出现在了2012款的福特小型卡车上,一个椰壳纤维/生物再生结构的防护部件在一种热塑性弹性体材料中被注塑成型。

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