阻燃纤维在汽车内饰材料中的应用现状

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来源 | AutoNewTech

据统计,截至 2021 年 9 月我国机动车保有量达 3.9 亿辆,已经逐渐成为世界汽车生产和消费的主要国家之一。汽车发展在给人们带来便利的同时,也存在着很多的安全隐患。尤其是频发的交通事故,情况严重时可能会引发火灾,给人们的生命和财产安全带来较大的损失。在产业用纺织材料应用中,车用纺织品一直占据着较大的比重。一辆普通家用轿车的内饰材料大约有 20 kg~40kg,且汽车内部的装饰材料大多为纺织材料,包括座椅套、坐垫、安全带、头枕等,这些材料与驾驶员和乘客关系密切[1]。因此,这类汽车内饰类纺织材料需要具有一定的阻燃性能,可以延缓事故汽车火焰蔓延的速度,能给驾驶员和乘客争取更多的逃生时间。

具有一定功能的阻燃纤维对于汽车内饰材料的应用也变得越来越重要。本研究就目前的阻燃纤维类材料的种类、汽车内饰材料的应用开发进行了综述,并展望了未来阻燃材料技术的发展,为汽车内饰阻燃材料的研究提供新的思路。

1 阻燃纤维的分类


随着科学技术迅速发展,纺织纤维种类不断增加,应用在汽车内饰材料上的纤维种类也随之扩展,纤维的阻燃性能越来越得到了人们的重视。


阻燃纤维是指与火源接触后,纤维不能燃烧或燃烧不充分,仅产生很小的火焰,撤离火源后,火焰能够较快地自行熄灭的纤维。通常用极限氧指数(LOI)来表征燃烧的难易程度,当 LOI 大于 21%时,即表明该物质难以燃烧[2]139。阻燃纤维一般分为两大类:本征阻燃纤维和改性阻燃纤维。

1.1 本征阻燃纤维


本征阻燃纤维是指该纤维本身就具备阻燃性能,离开火源后能迅速自熄且较少释放有毒烟雾。主要包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩纤维、PBI 纤维等。聚酰胺纤维和聚酯纤维等一类纤维属于热塑性合成纤维,此类纤维的阻燃机理是物理作用的,在加热时发生收缩熔滴,与空气的接触面积减少,并可发生熔滴下落而离开火源,达到阻燃的效果。玄武岩纤维是以天然玄武岩拉制的连续纤维,具有强度高、耐高温和永久阻燃性等优点。PBI纤维是一种具有优良耐热性能的纤维,在空气中不能燃烧,也不熔融或滴落,极限氧指数高,是具有防火用途的优良纤维材料。

1.2 改性阻燃纤维


改性阻燃纤维是指纤维本身不具有阻燃性能,而是将具有阻燃功能的阻燃剂通过聚合物共聚、共混、复合纺丝法、接枝法等加入到纤维中或是用后整理方法将阻燃剂涂在纤维表面或纤维内部。主要包括阻燃涤纶纤维、阻燃锦纶纤维、阻燃粘胶纤维、阻燃丙纶纤维等。


1.2.1 阻燃涤纶纤维


德国 Hoechst 公司、意大利 Snia 公司和日本 Unitika 公司均采用共聚法制得;日本东洋纺公司利用DOPO阻燃剂和PET单体共聚制造的HEIM系列阻燃PET纤维产品,极限氧指数高达28%[3]。中国科学技术大学的学者合成的次磷酸改性壳聚糖阻燃剂和支化聚乙烯亚胺薄膜沉积在涤纶棉混纺纱上,采用分层黏合技术制备的阻燃涤纶纤维织物经高温氧化后的热稳定性得到提高[4]。徐凯等[5]采用共混法将阻燃涤纶与海藻酸钙纤维共混,制备的阻燃涤纶/海藻酸钙纤维(质量比 40:60)复合材料具有较低的热释放量,提高了复合材料的稳定性。丁放等[6]以氯磷酸二乙酯、甲基丙烯酰胺合成的磷氮阻燃剂二乙基-甲基丙烯酰胺磷酸酯,采用浸渍法制得阻燃涤纶织物,其极限氧指数达 28.7%。


1.2.2 阻燃锦纶纤维


锦纶纤维其极限氧指数在 21%~22%。陈亚芳等[7]在合成氮-磷阻燃剂的过程中加入乙醇和尿素后制得了新型油溶性尿素磷酸酯阻燃剂,用此阻燃剂制成的制品阻燃效果良好,安全性高。ZHOU等[8]制备了 PA66 和阻燃中间体 FR,制得的 PA-FR 处理织物的极限氧指数 26.4%,具有良好的耐用功能。


1.2.3 阻燃粘胶纤维


粘胶纤维的阻燃整理制备常采用共混法和后整理法。我国山东海龙公司利用无机、有机高分子 2 种阻燃剂共混制造了阻燃粘胶纤维[9]。江苏省纺织研究所与无锡梁溪毛纺织厂将阻燃粘胶纤维与羊毛混纺,不仅较粘胶纤维纯纺性能好,其极限氧指数还达到了 30%[10]。


1.2.4 阻燃丙纶纤维


其主要用于汽车顶棚和地毯。早期多以卤系阻燃剂为主,燃烧过程中伴随着大量的浓烟和有毒气体。随着环保意识的增强,逐渐研发了以五氧化二磷、季戊四醇和三聚氰胺按比例混合制备的膨胀型阻燃剂。其中以季戊四醇螺环磷酸酯双密胺盐无卤阻燃剂通过共混纺丝,制备的无卤阻燃丙纶纤维,采用低能电子辐照,随着电子辐照量的增大,阻燃丙纶纤维的起始分解温度增加,燃烧形成了连续致密的炭层[11]。

2 阻燃纤维在汽车内饰材料方面的应用


由于车用内饰材料的使用空间上具有一定的局限性,相较于其他阻燃产品,要求在测试时不燃烧或者可以燃烧但是水平燃烧速度或垂直燃烧速度针对车辆的类型和用途有差异,如机动车内饰材料的燃烧速度应不大于 70 mm/min;其次,基于车内环境的安全性能考虑,内饰阻燃材料需考虑烟密度、有害有毒气体的影响,阻燃整理时所用阻燃剂成分应为不易挥发物质,减少雾凇现象;再次,内饰阻燃材料需同时具备防静电性能,使得车内更清洁,也可以避免车内因可能存在汽油蒸汽或烟气而导致火灾的发生。


随着汽车工业的发展,汽车内饰用纺织品材料也随之增长。每辆汽车的耗用纺织品材料达 20~42 m2,纺织材料在汽车制造业方面有着巨大的发展空间。汽车内饰用纺织品主要分为功能性和装饰性两类,近年来随着人们经济水平的提高,对功能性的关注度愈来愈高,特别是汽车内饰材料的阻燃性能关系着生命和财产的安全,使得大家更为注重。


纤维类纺织品[12]应用于汽车座椅面料、气囊、轮胎帘子线、车门内饰板、车顶及隔热、吸声材料等。以聚酯纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、碳纤维等生产的非织造布也应用在汽车内饰上。程博闻等[13]将再生棉纤维经过阻燃处理后制成的阻燃汽车衬垫,各项指标均符合汽车内饰材料要求。马志远[14]在阻燃涤纶针刺汽车内饰材料研究中,以阻燃涤纶纤维和普通涤纶纤维按照不同的比例,制备了阻燃涤纶针刺非织造布,并进行了燃烧性能测试,当阻燃纤维的含量达到 15%时其极限氧指数大于 26%。康雨蒙等[15]同样也发现将普通涤纶纤维和阻燃涤纶纤维通过不同的质量比混合后,当阻燃涤纶纤维的质量比高于 15%时,阻燃涤纶针刺非织造汽车内饰材料即可达到阻燃要求。李维宏等[16]利用涤纶短纤制成的非织造布用浸轧焙烘法进行阻燃整理,采用阻燃剂的体积质量浓度 300 g/L、车速 15 m/min、130%的轧余率,可制得具有较好阻燃性能的汽车内饰用材料,同时透气性好,伸长率和强力也均达标。刘金涛[17]阐述了捷达轿车用装饰布产品,其以涤纶色纺POY 经空气变形后的 ATY 丝为原料,所制备的阻燃涤纶空气变形丝代替了进口产品,证明我国有能力实现汽车内饰纺织品的国产化。胡凤霞等[18]利用十溴二苯乙烷协同三氧化二锑对再生 PET内饰材料进行阻燃处理,当阻燃剂体积质量浓度为 150 g/L,黏合剂体积浓度 20%时,汽车内饰材料的燃烧蔓延时间为 19.4 s,阻燃性能良好。


范慧俐等[19]采用具有协同效应的复合阻燃剂体系和粉末聚丙烯,生产的阻燃聚丙烯纤维具有稳定的阻燃性能,用在汽车电器上效果良好。PLA 纤维的极限氧指数 26%~27%,燃烧时发热量低,只释放轻微的烟雾,易自熄。帝人公司开发的车用耐热 PLA 纤维 Bio front,主要应用在汽车内饰。此外,帝人公司与马自达、Purac(乳酸衍生物生产商)、Nishikawa(橡胶生产公司)合作开发耐热 PLA 纤维与淀粉共混技术,用于生产车用 PLA 纤维[20-21]。高阻燃纤维为营造健康安全、绿色环保的汽车内饰提供了可能。郭光振[2]141 阐述了聚丙烯腈预氧化(POF)纤维,极限氧指数一般在 40%~60%。这种纤维具有优良的阻燃、耐热性能,且耐化学试剂性能也优于一般的合成纤维,主要用于阻燃装饰材料,如汽车的刹车片。


沈叶龙等[22]采用多聚磷酸铵、三嗪系成炭-发泡剂、抗滴落剂聚四氟乙烯为阻燃剂制备了无卤阻燃聚丙烯复合材料,添加 24 份阻燃剂时,提高镁盐晶须添加量可提高 PP 阻燃性能;刘明昌等[23]在上述无卤阻燃聚丙烯复合材料的基础上制备出无卤阻燃连续玻璃纤维增强聚丙烯复合材料,其极限氧指数为 28.7%,广泛应用于汽车内饰材料上。无卤阻燃研究对提高聚丙烯的产业化进程有重要意义。


顾金丹[24]选用氢氧化镁作阻燃剂对大麻纤维非织造汽车内饰材料进行阻燃整理,使大麻纤维非织造汽车内饰材料获得了较优的阻燃性能,可满足汽车内饰对纤维材料阻燃性能的要求,同时还具有较好的强度、透气性、耐磨性和优良的防紫外线性能。杨学通等[25]以聚磷酸铵(APP)为阻燃剂,对汽车内饰用木纤维/麻纤维/聚丙烯纤维三元复合材料进行阻燃处理,处理后的复合材料的阻燃性能有所改善,燃烧速率降低,成炭率和极限氧指数升高。随着 APP 含量的增加,复合材料的极限氧指数不断提升,分解速率减慢,然而由于 APP 热分解温度低,在一定程度上使得复合材料的热分解温度提前,当板材的增重率达到 43.9%时,板材离火自熄。其中磷酸铵盐、聚磷酸铵[26]等是常用的磷系阻燃剂,具有毒性低、热稳定性好、适用性广、性价比高的优点。


聚酰胺纤维(PA)具有良好的耐磨性、回弹性和强度。其良好的力学性能和耐磨性常用于生产汽车安全带织带,然而由于其 21.7%的极限氧指数,因而需要对其进行阻燃改性才能更好地应用在汽车内饰上。陈林等[27]用新型磷系阻燃剂氨基三亚甲基膦酸铝(NYP3)和二乙基次膦酸铝(BEP-22E)为原料,与 PA66 复配形成阻燃体系。研究表明,添加 4% NYP3、12% BEP-22E,材料的垂直燃烧可达到 V-0 级,极限氧指数达 41.1%,同时材料的机械性能优异。超美斯新材料股份有限公司[28]生产的超美斯芳纶纤维化学结构稳定,具有永久的阻燃性能和良好的热稳定性能,可用于工业环保过滤材料和汽车篷布等。


上述研究表明,车内饰阻燃材料一直是学者们探索的热点。目前无机阻燃剂、卤系阻燃剂、磷系阻燃剂及有机和无机复配阻燃剂等阻燃材料均应用在车内饰上,阻燃材料的种类繁多,研发的车内饰产品代替了进口产品及采用复配协同阻燃剂的阻燃材料性能稳定,说明了阻燃材料方面的研发一直在前进,各种内饰阻燃材料在应用时对阻燃材料的性能更趋向于安全环保,对于更优性能的车内饰阻燃材料也在不断地更新和探索中。但其中所用的材料存在着以下问题:如卤系阻燃材料在高温时会释放出有毒的卤化氢,而磷系阻燃材料分为有机磷系阻燃剂和无机磷系阻燃剂,虽然有机磷系阻燃剂具有低烟低毒的优点,但是无机磷系阻燃剂存在热稳定性差及在高温时易被氧化释放 PH3 有毒气体的缺点。因此未来的车用内饰阻燃材料应综合考虑阻燃材料在燃烧后的有害有毒气体、烟密度等因素,进一步探索环保型、安全型的阻燃材料的制备,以实现阻燃材料在车内饰方面的规模化应用。


3 阻燃纤维在汽车内饰材料方面的研发方向


随着科技的进步发展及人们绿色环保意识的增强,人们对汽车内饰所使用的阻燃纤维的要求也日益提高,除了要求阻燃性能外,还要求价格合理,绿色环保。在追求可持续、绿色环保发展的背景下,未来汽车内饰阻燃纤维材料需要依靠化学技术、高分子材料技术和纺织技术等多学科共同支撑,逐渐开发无卤化、无毒、低烟、稳定性好、协同性好的阻燃纤维,如阻燃吸湿纤维及阻燃抗菌纤维等使纤维功能复合化、生产工艺和操作环境的绿色化和具有独特化学结构的耐高温阻燃特性纤维的高技术化。研究人员要继续总结经验,开拓新思路,加大研发力度,依托纺织学科和材料学科等多学科交叉融合,研发性能高端化、功能定制化的新型阻燃纤维材料,提升内饰纤维材料的综合性能,更好地服务于人们的美好生活。


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