國產(chǎn)PET復(fù)合長纖乘用車底護(hù)板性能研究

摘 要：介紹乘用車底護(hù)板輕量化用材發(fā)展情況，對照PP+GF混合纖維闡述PET復(fù)合長纖材料、工藝和特性。通過關(guān)鍵性能對比試驗(yàn)，論證了國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖乘用車底護(hù)板的性能優(yōu)勢和輕量化潛能，并展望未來PET復(fù)合長纖技術(shù)在乘用車上的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：底護(hù)板 PET復(fù)合長纖 國產(chǎn) 性能 輕量化

1 緒論

乘用車底護(hù)板輕量化用材發(fā)展到現(xiàn)在，經(jīng)歷了鋼板-玻纖增強(qiáng)塑料或合金塑料-纖維模壓材料，每一次變化都是材料和工藝技術(shù)的進(jìn)步和革新。

早期的纖維模壓底護(hù)板以LWRT（Lightweight Reinforced Thermoplastic，輕質(zhì)增強(qiáng)熱塑性塑料）為主，由PP（丙綸）纖維和玻璃纖維（GF）混合制成氈材或板材，再模壓成型，其材料密度低，相比塑料底護(hù)板輕30%～50%。不過LWRT雖輕，但韌性不足，在一些比較惡劣的涉水行駛工況，產(chǎn)品有開裂風(fēng)險(xiǎn)。

另一類纖維模壓底護(hù)板，以PET復(fù)合長纖為基材，輕量化同時又具有良好的強(qiáng)度和韌性，不過以前該技術(shù)掌握在少數(shù)外資供應(yīng)商手中，多應(yīng)用于外資或合資車型。目前國產(chǎn)化技術(shù)已經(jīng)起步且發(fā)展迅速，并逐漸應(yīng)用于國內(nèi)自主品牌車型。

2 PET復(fù)合長纖技術(shù)介紹

2.1 PET復(fù)合長纖材料技術(shù)

顧名思義PET復(fù)合長纖是一種復(fù)合纖維，它是由性能不同的兩種PET熔體，在同一噴絲孔噴出成為連續(xù)不間斷的復(fù)合纖維絲，該纖維斷面呈皮芯結(jié)構(gòu)（圖1），低熔點(diǎn)PET為皮層，高熔點(diǎn)PET為芯層，通常低熔點(diǎn)PET占比30%。低熔點(diǎn)PET母料價(jià)格略高，國產(chǎn)化材料將低熔點(diǎn)PET優(yōu)化至10%，大大降低材料成本。

PET復(fù)合長纖氈材加熱時，低熔點(diǎn)PET熔融為高粘度液體，冷卻時固結(jié)纖維網(wǎng)；高熔點(diǎn)PET芯層則保持增強(qiáng)纖維特性，保證纖維網(wǎng)在加熱和拉伸加工過程中的均勻性。

LWRT則以單絲纖維為基材，其中PP纖維為低熔點(diǎn)纖維，GF為高熔點(diǎn)增強(qiáng)纖維。兩種纖維混合制成的氈材加熱時，受熱熔融的PP與50～80mm長的GF粘合（見圖2），但兩者間結(jié)合力遠(yuǎn)低于PET纖維的強(qiáng)力。

2.2 PET復(fù)合長纖工藝技術(shù)

不同于LWRT分纖維、氈材和底護(hù)板三段供貨鏈條，PET復(fù)合長纖企業(yè)擁有紡絲、制氈、模壓成型全套工藝流程，直接實(shí)現(xiàn)終端產(chǎn)品供貨，縮短了產(chǎn)品供應(yīng)鏈，節(jié)省了上下游間流通成本。

2.2.1 紡絲和制氈工藝

熔點(diǎn)不同的PET母?；蚯衅?jīng)干燥后，分別進(jìn)入螺桿擠出機(jī)熔融成PET熔體，經(jīng)過濾后的PET熔體進(jìn)入紡絲裝置，最后從噴絲板細(xì)孔中擠出成絲，與側(cè)吹的冷空氣接觸冷卻成絲束。經(jīng)過紡絲裝置紡出的PET復(fù)合纖維絲，經(jīng)牽引拉伸、鋪網(wǎng)、針刺成氈，整個工藝流程見圖3。

2.2.2 模壓成型工藝

不同于LWRT熱料冷模成型，PET復(fù)合長纖采用冷料熱模工藝（見圖4），取消LWRT的預(yù)加熱環(huán)節(jié)，直接由機(jī)械手將氈料送至模具上方，由被加熱的模具上下夾緊，然后通入高溫蒸汽，保壓到規(guī)定時間開模，機(jī)械手取出零件，冷卻沖切。

冷料熱模工藝，不僅有效保證PET復(fù)合長纖零件的性能的穩(wěn)定性，而且能夠成型更大結(jié)構(gòu)深度（最深約300mm）的制件，提高了零件的設(shè)計(jì)自由度，同時極大的改善了傳統(tǒng)纖維零件的表面光滑度問題，使之更接近注塑級表面，保證制品性能、輕量化同時又貢獻(xiàn)了低風(fēng)阻系數(shù)。

2.3 PET復(fù)合長纖技術(shù)優(yōu)勢

PET復(fù)合長纖產(chǎn)品不僅力學(xué)性能優(yōu)秀，還具有良好的可回收利用和可持續(xù)特性。

PET復(fù)合長纖產(chǎn)品的回收優(yōu)勢，在于同種纖維復(fù)合，方便回收利用。通常底護(hù)板材料利用率70%，邊角廢料占30%，整車底護(hù)板按2.5kg計(jì)，廢料約1kg。1kg廢料在原廠內(nèi)粉碎、重新紡絲，可使整個物料成本大大降低。

PET復(fù)合長纖產(chǎn)品的可持續(xù)特性，在于它可采用回收而來的PET礦泉水瓶粉碎、造粒、拉絲、制氈、成型底護(hù)板產(chǎn)品，完成材料的可持續(xù)應(yīng)用開發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳減排和資源的循環(huán)利用。

PET復(fù)合長纖產(chǎn)品通過材料回收利用、供應(yīng)鏈的縮短，有效降低底護(hù)板產(chǎn)品成本，相比LWRT更有優(yōu)勢。

3 國產(chǎn)PET復(fù)合長纖底護(hù)板性能

目前國內(nèi)PET復(fù)合長纖技術(shù)發(fā)展迅速，下面分別將國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖、同類PET復(fù)合長纖競品、LWRT關(guān)鍵性能進(jìn)行比較。

3.1 國產(chǎn)與外資競品PET復(fù)合長纖性能對比

同克重國產(chǎn)PET復(fù)合長纖板材與行業(yè)競品進(jìn)行力學(xué)性能對比見表1，從數(shù)據(jù)來看，國產(chǎn)化材料在拉伸和彎曲強(qiáng)度都高于行業(yè)競品。

3.2 國產(chǎn)PET復(fù)合長纖與LWRT性能對比

3.2.1 基礎(chǔ)力學(xué)性能

國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖和LWRT板材的靜態(tài)拉伸、彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。數(shù)據(jù)顯示，1200g/m2 PET復(fù)合長纖拉伸強(qiáng)度可與1600g/m2 LWRT相當(dāng)，伸長率是LWRT17倍，體現(xiàn)了PET復(fù)合長纖材料高強(qiáng)高韌特性，為PET復(fù)合長纖底護(hù)板的輕量化設(shè)計(jì)奠定了力學(xué)基礎(chǔ)。而PET復(fù)合長纖模量上的弱勢，可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到補(bǔ)充。

另從數(shù)據(jù)來看，PET長纖板材在橫縱方向力學(xué)性能差異較小，材料鋪層設(shè)計(jì)均質(zhì)化程度較好，而LWRT板材縱橫方向的力學(xué)性能差別較大，主要因?yàn)镻P/GF氈材的梳理工藝使得玻纖取向明顯，導(dǎo)致板材呈現(xiàn)各項(xiàng)異性特征。

3.2.2 撕破強(qiáng)力

撕破強(qiáng)力是考察材料邊緣抵抗撕裂變形的能力，采用同克重國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖板材與LWRT板材分別進(jìn)行撕破強(qiáng)力試驗(yàn)。表3結(jié)果顯示，PET復(fù)合長纖板材橫/縱撕裂力是LWRT的1.6倍以上，說明PET復(fù)合長纖底護(hù)板具有優(yōu)秀的耐撕裂性能。

3.2.3 吸水性

吸水性考察纖維模壓底護(hù)板涉水工況吸水后自身質(zhì)量增加程度。將同克重國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖底護(hù)板與LWRT板零件水平分別放置在水下50mm深處浸泡1h、2h、12h、24h，取出垂直放置10秒，然后測量零件的質(zhì)量，計(jì)算吸水率。表4數(shù)據(jù)顯示，LWRT零件 24h最大吸水率大于50%，而PET復(fù)合長纖小于20%，且只有同克重LWRT 吸水率的1/4，大大降低零件吸水后的自重，降低零件失效風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.4 拉脫力

零件拉脫力試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫捏w現(xiàn)底護(hù)板的在整車裝配條件下安裝孔部位的抵抗拉脫的性能。采用同克重國產(chǎn)化復(fù)合長纖和LWRT材料分別成型相同結(jié)構(gòu)的底護(hù)板，然后在零件上截取帶有相同安裝孔結(jié)構(gòu)的規(guī)定尺寸試樣，將螺栓和墊圈穿過試樣的中心孔固定好，分別進(jìn)行平面內(nèi)（X/Y）和平面外（Z）拉脫力試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置見圖5-6。

表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖底護(hù)板固定點(diǎn)Z向拉脫力是LWRT的1.6倍，X/Y向拉脫力分別是LWRT的1.49/1.28倍，充分體現(xiàn)了PET復(fù)合長纖底護(hù)板零件的力學(xué)性能，保證了底護(hù)板零件具有良好的涉水強(qiáng)度。

3.3 整車涉水試驗(yàn)

采用1200g/m2國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖和LWRT板材成型前艙底護(hù)板，分別進(jìn)行兩種工況的整車涉水試驗(yàn)，然后檢查零件的外觀完好性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。其中通常工況（水深150mm、行駛速度30-33km/h）兩類底護(hù)板外觀均表現(xiàn)完好，而在稍微惡劣工況（水深200mm、行駛速度30km/h）試驗(yàn)后，LWRT底護(hù)板呈開裂下垂，PET長纖底護(hù)板則表現(xiàn)完好，充分論證PET長纖底護(hù)板的優(yōu)秀的耐涉水性能。

3.4 總結(jié)

通過以上性能試驗(yàn)對比，說明國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖產(chǎn)品完全達(dá)到外資產(chǎn)品的性能水平，足以支持國內(nèi)汽車底護(hù)板的輕量化開發(fā)。同時可以看出國產(chǎn)PET復(fù)合長纖底護(hù)板力學(xué)性能遠(yuǎn)高于LWRT，可針對不同車型的性能要求，設(shè)計(jì)更低克重PET長纖氈材，實(shí)現(xiàn)底護(hù)板輕量化開發(fā)。

4 國產(chǎn)PET復(fù)合長纖應(yīng)用前景

PET復(fù)合長纖底護(hù)板相比LWRT更具力學(xué)性能和成本優(yōu)勢，在汽車底護(hù)板上具有較大應(yīng)用空間。

另外PET復(fù)合長纖材料并不限于應(yīng)用于汽車底護(hù)板，基于其高性能優(yōu)勢，可替代其他短纖維模壓產(chǎn)品（PP/PET汽車輪罩擋泥板、PP/PET行李箱側(cè)圍飾板、LWRT衣帽架等）、注塑飾板等，實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)外飾產(chǎn)品的輕量化開發(fā)。

綜合以上PET復(fù)合長纖技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合國產(chǎn)化技術(shù)的進(jìn)步，相信國產(chǎn)化PET復(fù)合長纖在汽車上具有廣闊的應(yīng)用前景，為汽車輕量化設(shè)計(jì)發(fā)揮無限潛能。

參考文獻(xiàn)：

[1]頓棟梁，宋發(fā)寶，程康，等.GMT材料的制備工藝及其在汽車輕量化方面的應(yīng)用研究[J].汽車工藝與材料，2015（011）：51-54.

[2]黃保強(qiáng).GMT復(fù)合材料及其在汽車上的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢紡織大學(xué)，2017.

[3]謝德鈺，黃江玲，付丹，等.輕質(zhì)GMT復(fù)合材料在汽車后隔板上的應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2016，33（1）：4.