超细纤维在汽车上的应用

李先森

近年来对纤维类多孔材料的声学性能研究主要集中在非织造布的总表面积、纤维直径、纤维截面、特殊制造工艺、填充密度和厚度等因素方面。纤维比表面积是影响零部件声学性能的关键因素之一。同异形度时，纤维越细，吸声性能越好，业内通常使用单位旦来描述纤维直径，其数值为9千米长度的纤维对应的重量克数。

2015年，Youngjoo Na等人测试了超细纤维制作的织物的吸收系数，其结果表明所用纤维越细，毡体内部纤维界面和孔隙越多，声波在毛毡中的传播路径阻力越大，对声能的耗散越多，从而吸声性能也越优,实现了更少的原材料达到了相同的吸声水平，也有利于生态环境。

木棉纤维直径约18~45微米，是一种天然的微米超细纤维，其高中空率（中空率高达80~90%）目前尚难人工复制。该结构具有良好的声学阻尼性能，是可被应用在汽车声学部件上的轻质环保型吸声材料。2015年Xuet?ing Liu等人研究了木棉纤维无纺布的垂直入射声波下的100~1100Hz下的吸声特性。研究表明，木棉纤维的气孔直径、孔隙率和背部空腔对研究频段的吸声系数影响较大，采用双层结构的铺层材料能够显著提升吸声性能。因此，将超细纤维应用在汽车声学包部件，为更优的声学要求提供了解决方案。

传统汽车声学零部件中使用较为普遍的回收废纺棉，尤其是具有代表性的牛仔棉（由牛仔布边角料回收而得的纤维），存在纤维旦数分布宽、吸声性能一般，以及棉霉味、染料味等气味差的问题。超细纤维比表面积大、声学性能优异，且原材料来源纯净，避免因染料和化学助剂带来的气味VOC问题。超细纤维替代回收废纺棉应用在汽车声学包材料成为未来趋势。

随着电动化趋势的发展，具备轻量化、低VOC低气味的超细纤维毡材料的应用前景较好。目前，超细纤维已开始被应用在一些中高端车型的声学包部件上，主要应用部位有：主地毯隔音垫、内前围隔音垫、中通道隔音垫、备胎舱隔音垫，以及贴棉垫块等声学包部件，如图2所示。


图2：微米级超细纤维在汽车声学包部件的应用

宁波拓普集团股份有限公司的杨杉苗等人在专利（专利号202010127916.9）中采用超细的、低VOC的PET纤维，开发了多层复合结构的超细纤维隔音垫材料方案，该材料同时具有低气味、低VOC、优异的吸、隔声特性以及质轻等优点。

单层超细纤维毡吸声性能
单层纤维毡主要起到吸声的作用，鉴于目前回收牛仔棉纤维已经在汽车声学包领域得到了大量使用，因此，使用牛仔棉纤维和超细0.89dtexPET 纤维分别制成克重1000g/m2、厚度20mm的单层的牛仔棉纤维毡和超细纤维毡，测试其随机入射吸声系数，测试标准ISO354。吸声性能对比结果见下页图3，相同克重、厚度下，超细纤维毡的吸声系数优于牛仔棉纤维毡。


图3：相同厚度、克重的单层毡吸声性能对比

多层复合超细纤维毡隔声性能
多层复合的汽车声学部件主要起到隔声的作用。以牛仔棉纤维和0.89dtex PET纤维为原材料，分别制成牛仔棉多层复合毡和超细PET纤维多层复合毡（以下分别简称为牛仔棉复合毡和超细复合毡），两者总克重2200g/m2、总厚度（15mm）以及各层级的克重、厚度均相同，如下页图4所示。


图4：多层复合毡结构示意图

对以上材料进行插入损失测试（参考测试标准ASTM E2249）。由图5对比结果表明，超细复合毡的隔声性能比牛仔棉复合毡的更高。


图5：相同克重、厚度的多层复合毡隔声性能对比


超细纤维材料气味/VOC性能
对以上制得的超细纤毡和牛仔棉毡进行VOC测试（参考测试标准Q/JLY J7110274B）和气味性评价（参考测试标准VDA 270）。VOC结果显示，超细纤毡与牛仔棉毡对比，VOC性能两者相当，二者VOC问题主要体现在起粘合、成型作用的低熔点纤维生产后处理中乙醛残留量的批次稳定性。牛仔棉毡常温下有棉霉味、染料味和油剂味，超细纤毡常温下无明显气味。气味评价结果显示，相同实验温度下，超细纤毡比牛仔棉毡气味优1~1.5个等级。

综上所述，超细纤维应用在汽车内饰件中，相比已广泛使用的牛仔棉，声学性能更优的同时，也具有较好的VOC性能和优异的气味性，其应用与车内声学包部件，可提升车内乘驾人员的感官舒适度。