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纖維強化樹脂的增強材料正在不斷「綠色化」。豐田在2.5L新款「Lexus GS250」的引擎蓋(V-Bank Cover)材料中採用了使用天然纖維強化的樹脂。這就是使用甘蔗纖維的「Bagasse Composite」材料。負責引擎蓋成型的小島沖壓工業旗下公司內化成表示,「豐田積極加大了對植物樹脂的採用度」。
(a)豐田的「Lexus GS250」與(b)Lexus GS250的引擎蓋
使用蔗渣纖維強化PP成型的引擎蓋已被LexusGS250採用(b)。與滑石粉纖維填充型PP相比,重量輕兩成,彎曲彈性模量高一成。而且成本低兩成。
天然纖維強化樹脂的優勢並不僅僅在於減輕環境負荷。與現行滑石粉填充型樹脂相比,既有耐熱性高、可與玻璃纖維強化樹脂匹敵的實力,又具有輕量化效果。最重要的是有望降低成本。
「一舉四得」的天然纖維強化樹脂是從7-8年前開始研發的。但是,儘管比較容易確保特性,但卻很難確立量產工藝。最近,內化成克服了阻礙實用化的難題。
使用甘蔗渣
內化成從甘蔗渣中提取出纖維(蔗渣纖維),並將其用作聚丙烯(PP)的增強材料。首先,將甘蔗渣的纖維塊分解成長10~15mm、寬(直徑)1mm左右的蔗渣纖維。再將其染成黑色,然後與PP混合製成顆粒。最後使用注射成型機和模具對其成型,經過塗裝後製成引擎蓋。
蔗渣纖維
從甘蔗渣中提取纖維,統一長度和寬度之後染成黑色。將其與PP混合製成顆粒。
據內化成介紹,PP材料中蔗渣纖維的重量比達到40%時,其強度指標——彎曲彈性模量為2750MPa,比滑石粉填充型PP的2500MPa高10%,重量則減輕了20%。不僅耐熱性出色,被Lexus GS採用時,高頻隔音效果也獲得了好評。
而且,成本也比滑石粉填充型PP「低兩成」。這是因為使用了廢棄的甘蔗渣。因為是廢料,所以能夠低價採購。
實用化難題有兩個。一個是氣味。甘蔗渣中含有糖分,直接成型的話,零組件會像糖燒糊了一樣發出難聞的氣味,因此無法實現商品化。內化成透過去除糖分的技術解決了這一問題。
另一個難題是染色不均。蔗渣纖維中存在微孔,而且纖維直徑不均。因此很難均勻染色。儘管內化成並未透露相關技術,但稱使用的顏料與樹脂染色使用的普通顏料不同。
今後,內化成還爭取將這種材料應用到汽車零件上。具體而言,將用於引擎的輔機類外板、裙板、下部護板和擋泥板內襯等部分。
利用廢棄竹子的纖維
從事表面處理及樹脂成型等業務的石川金屬工業著眼於汽車的中控臺及後行李廂等內飾材料,力爭2014年度實現量產。該公司與九州工業大學、北九州產業學術推進機構共同開發出了以竹纖維來增強的PP。將憑藉可減輕環境負荷、成本低且耐熱性高的優勢,瞄準玻璃纖維強化PP的替代用途。
使用竹子的纖維強化PP樣品(近處的黑色成型品)
遠處為烘乾後的竹子和粉碎並分級後的竹纖維。
將竹子晾幹並烘烤之後,分兩個階段進行粉碎。然後,經過統一長度的分等級處理,得到長度小於250μm的竹纖維。再將其與PP混合製成顆粒,使用注射成型機加工成產品。目前,石川金屬工業正在開發量產工藝。據該公司介紹,這種材料的實用化難題是降低竹子粉碎及分等級處理的成本,並尋找不會被竹子中含有的樹脂成分腐蝕的注射成型機元件材料。
混入PP中的竹纖維重量比達到50%時,耐熱性可達到玻璃纖維強化PP的同等水準,是沒有經過纖維增強的普通PP的兩倍。比玻璃纖維重量比同樣達到50%的PP輕20%。但拉伸強度基本與普通PP相等,小於玻璃纖維強化PP。石川金屬工業表示「目前正在為提高強度推進開發」。據該公司介紹,如果能夠提高強度,還將考慮應用到水箱罩等汽車外裝材料上。
另據石川金屬介紹,這種PP的成本有可能比玻璃纖維強化PP降低40%。這在很大程度上同樣是因為幾乎可以免費得到作為材料的竹子。
北九州市目前存在廢棄竹林逐年擴大的問題。雖然已作為竹炭及竹醋酸等實現商品化,但處理成本高,供貨規模也很小。為了解決這一問題,該市摸索出了用作工業材料的用途,發現了竹子作為樹脂增強材料的可能性。因為是廢棄材料,而且有望促進地方經濟發展,因此材料成本「僅為砍伐竹子所需要的人工費」。
但由於強度低於玻璃纖維強化樹脂,估計會主要用於替代滑石粉纖維填充型樹脂的用途。(記者:近岡 裕,《日經製造》)
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