比翱观察丨微米级超细纤维在汽车饰件系统中的应用和发展趋势

千禧年以来，国内消费者越来越重视汽车驾乘的舒适度。2020年J.D.Power发布的《中国新能源汽车体验研究报告》显示，车内异味和噪声两个问题分别跃居汽车行业前20个问题的第一位和第二位。无论是新能源汽车，还是传统动力汽车，这两大问题都是车主抱怨的主要问题。

车内的声学包部件对车内空气质量和噪声有至关重要的影响。作为吸声介质，纤维类非织造材料具有多孔、柔软、轻质、吸收频率范围广、吸声性能优异和资源丰富等特点，在汽车声学包部件领域得到广泛应用。车用非织造材料中常用纤维种类为合成纤维和回收废纺棉。纤维一般较粗，其声学性能一般，主要用在主地毯、行李箱饰板等部位。回收废纺棉为多种纤维的混合物，纤维直径范围分布宽，常被作为垫块，起装配支撑和吸声、隔声作用。纤维越细，吸声性能越好。微米级超细纤维可提供更优的声学性能。

 

本期分享上官文斌和顾灿松发表在<<汽车工业研究>>上的一篇文章“微米级超细纤维在汽车饰件系统中的应用和发展趋势”。

摘要：近年来，汽车车内空气质量和噪声问题成为影响消费者驾乘舒适度的两个主因，车内声学包部件对车内空气质量和静音性起到了主要作用。本文介绍了车内声学包部件VOC和NVH特性的影响因素；阐述了微米级超细纤维在汽车声学包的应用动态，指出了超细纤维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；分析了超细纤维声学包部件的市场需求和前景，在当前汽车电动化背景下，超细纤维材料在声学包部件领域具有广阔的市场前景。近年来，国内消费者越来越重视汽车驾乘时的感官舒适度。2020年J.D. Power中国新能源汽车体验研究报告显示，“车内异味”、“噪声大”两个问题位列行业前20大问题的第一位和第二位，在乘用车领域，车内空气质量和车内噪声等传统燃油车市场问题也是新能源汽车车主抱怨的主要问题。车内的声学包部件对车内空气质量和噪声有着至关重要的影响。纤维类非织造材料作为吸声介质具有多孔、柔软、轻质、吸收频率范围广、吸声性能优异以及来源广泛等特点，在汽车声学包部件领域得到了广泛的应用。车用非织造材料中常用纤维种类为合成纤维和回收废纺棉，纤维直径一般较粗，其声学性能一般。主要用在主地毯、衣帽架、行李箱饰板等部位。回收废纺棉为多种纤维的混合物（包含涤纶、氨纶等化纤和棉纤维），是织物边角料经回收并重新开花所得，纤维直径范围分布较宽，常被作为吸音垫块，起装配支撑和吸、隔声作用。纤维越细其比表面积越大，吸声性能越好，微米级纤维可提供更优的声学性能。回收废纺棉中高占比的棉纤维易滋生霉菌，且生产和回收过程中混入的油剂、染料、脏污是该类材料气味差的来源。超细纤维原材料为天然生长或聚酯原生切片粒子，来源纯净，避免因染料和分散剂、添加剂等化学助剂带来的气味VOC问题。因此，将超细纤维应用在汽车声学包材料中，相比目前广泛使用的回收废纺棉，前者具有更优的气味和声学性能，为“车内异味”和“噪声大”的问题提供了解决方案。本文阐述了车内声学包部件NVH和VOC性能的影响因素，介绍了微米级超细纤维在汽车声学包的应用动态，分析了超细纤维声学包部件的市场需求和应用前景。NVH是Noise（噪音）、Vibration（振动）、Harshness（平顺性）的简称。汽车声学包是指与汽车NVH性能相关的各类吸音、隔音、减震和密封相关部件的总称，其可以在各类噪声源由车外至车内的传递路径上进行密封、阻隔、吸收和衰减，以降低车内噪声，实现车内静音的环境。汽车软内饰是声学包的重要组成部分，主要起到吸声和隔声的作用，主要的产品如下页图1所示。
图1：典型汽车声学包部件分布图 声学包部件的NVH性能一般受零件设计、原材料性能和铺层结构影响，而且要结合整车的声学目标进行开发。在设计上，内饰产品需要较大的覆盖率和厚度来实现较高的吸声或隔声性能，与周边环境部件配合时留有足够的搭接量和干涉量，有利于NVH性能；要使隔音垫覆盖尽可能多的区域，比如加强筋上方、通风管道周围、中通道两侧等；减少不必要的孔洞面积；隔音垫厚度尽可能厚且分布均匀。材料选择上，内饰原材料主要分为多孔材料和密实材料。多孔材料有纤维类和发泡类，其中，纤维类材料应用更广，可调空间更大。多孔材料的性能由材料的biot(比翱)参数（密度、孔隙率、流阻率、曲折因子、特征长度、杨氏模量、泊松比、阻尼损耗因子）决定。低密度、高孔隙率的纤维毡具有较好的高频吸声性能；高流阻的纤维毡具有较好的高频隔声性能；纤维毡作为隔音垫时，较低的模量有利于提高低频隔声性能。密实材料有EVA片材、PE薄膜，主要起到阻隔和反射声波的作用，质量越大，性能越好。两类材料可灵活地组合成不同结构，结构的性能由各层的顺序、厚度、材料参数等决定。比如，在吸声型纤维毡表面复合高流阻的纤维面料，可以有效提高低频的吸声性能；在EVA+多孔材料复合结构中，增加多孔层的厚度，可以整体提高隔声性能。车内VOC浓度是表征车内空气质量的重要指标，VOC是挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds）的简称，是指在常压下，沸点为50℃~260℃的各种有机化合物。车内VOC的散发量主要与汽车内饰件有关，包括顶棚、地毯隔音垫、前围隔音垫、行李箱饰件、仪表板、座椅和脚垫等部件。内饰产品的VOC性能主要受材料、工艺、后处理、仓储等方面的影响。 汽车声学包材料主要分为PET纤维、PU发泡、塑料、皮革和橡胶等几大类。其中PET纤维的原料一般分为四种：原生切片、瓶片料、再生料和泡泡料。瓶片料、再生料和泡泡料为回收料，来源不稳定，VOC性能较差。对于牛仔棉类产品，棉毡中回收牛仔棉纤维存在较为刺鼻的染料味，进而带来总成气味刺鼻问题。对于地毯，后处理能有效改善地毯的VOC性能。地毯下线后，放入真空设备，室内空间与零件本身存在巨大的压力差和小分子物质的浓度差；在压力差和浓度差的双重作用下，地毯中的挥发性物质从内部到表面不断向外扩散，进而加快地毯VOC散发。仓储时间对发泡产品VOC性能影响较大。大部分零部件的VOC含量在下线7天内衰减速率较快，7天后衰减速率变缓，有条件的情况下要尽可能延长零部件的存放时间，可有效改善零部件的VOC性能。以主地毯为例，其是车内比较重要的部件，由表层毯面和下层的隔音垫组成，毯面+纤维毡+双阻抗棉毡为最常见结构。在该结构中，由于双阻抗棉毡结构中的硬层棉毡为致密的、高流阻的多孔材料层，其与软层棉毡的阻抗差异较大，形成了双阻抗结构。硬层棉毡和毯面配合，具有较好的吸声性能。硬层棉毡的高流阻对高频隔声性能有利，但由于缺乏较重的隔声层，该结构隔声性能不如毯面+EVA+发泡结构。因双阻抗棉毡中的回收牛仔棉纤维存在较为刺鼻的染料味，进而带来总成气味刺鼻问题。同时该结构中会使用低熔点PET纤维来起粘合和成型作用，但低熔点PET纤维因为生产时后处理的温度较低，导致残留的乙醛含量高，也会带来总成乙醛超标的风险。毯面生产时使用水性胶黏剂，同时延长烘烤时间，可有效降低地毯面VOC浓度。金玉明等人研究了针刺地毯的VOC改善方向，其指出将溶剂型胶黏剂改进为丙烯酸酯共聚乳液的水性胶黏剂，可显著改善针刺地毯VOC特性。总之，目前市场上广泛应用的地毯材料在VOC性能方面仍有较大的改善空间。 超细纤维在汽车上的应用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。 近10年来，随着中国经济的飞速发展，汽车销量已稳定排名世界第一，但在2018年底销量出现负增长，行业遭遇了低谷和寒冬。在中美贸易战带来的不确定性背景下，经济下行压力较大。为此，在汽车销售增长停滞，存量市场的环境下，声学包部件行业将形成更为激烈的竞争局面。 

国内配套市场需求总量及增长率 

在乘用车整车配套市场中，按市场平均水平来估算，吸音、隔音声学包部件的单车价值在2500 元/车左右，按3%年度价格降价估算，近十年来声学包部件的市场需求及增长情况见下页表1及图6。 
在2018年乘用车销量同步转负后，声学包部件的市场需求下滑显著，在2019年市场需求同比下降了12.3%，市场需求量下降为588亿元，和2013年的需求量处于同一水平线。可知在汽车行业低迷期，声学包部件市场面临较为严重的产能过剩的情形，去产能也将变得较为迫切。另外，声学包部件的市场需求主要来自主机厂OEM供货，因为大多数部件为非易损件，在使用生命周期内，更换频次不高，因此，声学包部件的售后市场需求量较少。国内声学包部件的市场前景分析中国汽车行业在政策因素驱动下，伴随着新能源汽车逐步被市场认可，市场在经历2018年至2020年的低谷之后，较大概率迎来未来十年的二次增长期，也可能是存量传统燃油车切换为新能源车型的转换期。在当前低迷的汽车市场环境和产能过剩的背景下，行业竞争激烈愈演愈烈，生产声学包部件的零部件企业也将力所能及地抢占市场分额，将会进一步加大竞争强度。与此同时，整车企业为降低研发成本，提高新车型的研发速度，逐渐放弃传统的分散供货模式，即将声学包部件由多家供应商分散供货的模式，向由单一供应商集成供货的模式转变，因此，这将要求零部件企业承担更多的研发设计工作，需具备整车声学包的集成与设计开发能力。未来，对于已经具备模块化配套供货能力，全球同步研发与系统集成设计能力的零部件企业，无疑是具有更大的竞争优势。而对于目前尚未建立此类能力的，也将是一个严峻的挑战。随着消费者对驾乘舒适度的诉求越来越高，这将促使各大主机厂严格管控车内空气质量和车内噪声品质，也将是汽车声学包部件相关供应链企业的一个新的机遇和挑战。对于集中资金投入基础研发，大力攻关VOC和NVH难题壁垒的技术型零部件企业，在未来可以获得更好的市场竞争格局和行业地位，反之，将难以在这轮汽车周期低谷中走出来，面临被市场淘汰的局面。国际上比较大型的声学包零部件企业有瑞士欧拓、德国博格斯、德国佩尔哲等，国内头部的知名声学零包部件企业有拓普集团、无锡吉兴、上海申达、烟台正海等，其中拓普集团是中国汽车零部件的NVH龙头企业，自企业创立37年以来一直深耕汽车NVH部件研发与制造，长期以来投入了大量的研发费用开展技术和材料创新，练就了以技术创新求生存的企业文化，具备模块化配套供货，全球同步研发与系统集成设计能力，长期来看，此类企业将具备更大的机会从全球的市场竞争中胜出。 总结随着汽车电动化的发展，行业对声学包装材料的重量、环保和静音特性的要求越来越高。在轻量化的同时，还要求材料具有优良的NVH和VOC性能，这将是汽车行业的一个新的机遇和挑战，也将引导内饰零部件和原材料供应商加大研发投入，开发出轻质、低VOC 和优异NVH 性能的声学包部件和材料。

多孔材料与人工结构物理特性表征与验证技术领先者

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