一种玄武岩纤维增强聚丙烯复合材料在汽车内饰中的应用

Research on the Application of Basalt Fiber Reinforced Polypropylene Composite Materials in Automotive Interior Parts

摘要: 随着汽车产业对轻量化、环保化及可持续发展要求的不断提高，开发新型绿色高性能复合材料已成为研究热点。本文针对汽车内饰件应用，开发了一种玄武岩纤维增强聚丙烯新型材料。通过基础研究表明，该材料在15%的纤维填充比例下，其拉伸强度、弯曲强度及模量等关键力学性能均优于20%玻纤增强聚丙烯，缺口冲击强度等同于对比材料，同时实现了约10%的减重。工装样件验证结果表明，其物性满足标准要求，并通过了气囊点爆等关键安全测试。此外，该材料展现出优异的可回收性，经过粉碎后100%回收再注塑，单次回收性能衰减率低于5%。本研究为玄武岩纤维在汽车内饰领域的大规模应用提供了有力的数据支撑和实践路径。

Abstract: With the continuous improvement of the automotive industry’s requirements for lightweighting, environmental protection and sustainable development, the development of new green high-performance composite materials has become a research hotspot. This paper has developed a new type of basalt fiber reinforced polypropylene material for the application of automotive interior parts. Basic research shows that when the fiber filling ratio is 15%, the key mechanical properties of this material, such as tensile strength, flexural strength and modulus, are all superior to those of 20% glass fiber reinforced polypropylene. The notched impact strength is equivalent to that of the comparison material, while achieving a weight reduction of approximately 10%. The verification results of the tooling sample parts show that their physical properties meet the standard requirements and have passed key safety tests such as airbag detonation. In addition, this material demonstrates excellent recyclability. After being 100% crushed and recycled for injection molding, the performance degradation rate per single recycling is less than 5%. This research provides strong data support and practical paths for the large-scale application of basalt fibers in the field of automotive interiors.

1. 背景

玄武岩纤维是以天然玄武岩矿石为原料，经高温熔融后通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。其原料来源广泛且纯天然，开采过程无有害物质释放。在生产工艺上，采用一步法熔融拉丝，全程无废气、废水、废渣排放，符合绿色制造标准。研究表明，其全生命周期碳足迹较玻璃纤维降低40%以上，是一种名副其实的绿色、环保材料。王钧等学者通过生命周期评价研究证实，玄武岩纤维在生产过程中的能耗与碳排放显著低于玻璃纤维[1]。

与汽车领域中广泛应用的传统玻璃纤维(玻纤)相比，玄武岩纤维在多个关键性能维度上展现出显著优势[2]，其系统性对比如下：

• 力学性能：贾晓龙等人的研究结果表明，玄武岩纤维具有更高的抗拉强度(3500~4800 MPa)和弹性模量(80~110 GPa)，这意味着在达到相同甚至更优结构强度时，可以实现制品的薄壁化与轻量化[3]。

• 耐温性与耐久性：Lopresto等人的实验表明，玄武岩纤维具备更宽的工作温度范围(−260℃至700℃)，其高温稳定性优于玻纤[4]。同时，其耐磨性及耐化学腐蚀性能(在pH 2~12环境中强度保留率超90%)更为出色，有助于提升汽车部件在复杂工况下的使用寿命[5]。

• 环保与安全特性：玄武岩纤维源于天然矿石，废弃后可在环境中自然降解，且生产过程中无硼等碱金属氧化物排放，环境友好性更佳。此外，它还具有良好的防火阻燃性能和优异的电磁波透过性，对于新能源汽车的防火安全与智能信号传输具有重要意义。

• 成本与工艺性分析：当前，由于产业化规模尚不及玻纤，玄武岩纤维的直接材料成本较高。然而，从其更高的性能效率(如本研究中使用12%填充即可超越20%玻纤的性能)所带来的轻量化收益、更长的部件寿命以及满足环保法规的潜在价值进行综合评估，其全生命周期成本具备竞争力。在工艺性方面，玄武岩纤维与玻纤类似，适用于现有的复合材料成型工艺。

基于以上背景，玄武岩纤维在核心性能与环保属性上构成了对玻纤的升级替代。因此，本研究聚焦于以玄武岩纤维增强聚丙烯材料体系，系统性替代当前汽车内饰中广泛使用的玻纤增强聚丙烯材料，此研究方向与《“十四五”工业绿色发展规划》中推动绿色低碳材料发展的要求相契合[6]，旨在为解决汽车行业的轻量化、绿色化需求提供一种先进的技术路径与材料方案。

2. 玄武岩增强聚丙烯粒料基础研究

本研究制备了纤维填充比例分别为12%、15%和20%的玄武岩纤维增强聚丙烯粒料，并通过注塑成型制备标准测试样条。为进行对标分析，选取了行业内广泛应用的20%玻纤增强聚丙烯材料作为对照。材料的详细物性对比如表1所示。

Table 1. Comparison of physical properties between PP reinforced with basalt fibers in different proportions and 20% glass fiber reinforced PP

表1. 不同比例玄武岩纤维增强PP与20%玻纤增强PP物性对比

试验项目	试验标准及设置	对标材料 PP + GF20	玄武岩纤维(BF)填充比例
			PP + BF12	PP + BF15	PP + BF20
密度(g/cm^3)	GB/T 1033.1-2008 尺寸：80 * 10 * 4 mm 浮力法	1.05	0.98	1.00	1.03
拉伸强度(MPa)	GB/T 1040.2-2006/1A 尺寸：170 * 10 * 4 mm 夹距：115 mm 速度：50 mm/min	30	40.2	56.6	68.8
弯曲强度(MPa)	GB/T 9341-2008 尺寸：80 * 10 * 4 mm 跨距：64 mm 速度：2 mm/min	38	66.1	60.3	87.2
简支梁缺口 冲击强度(KJ/m^2)	GB/T 1043.1/1eA 尺寸：80 * 10 * 4 mm 跨距：62 mm V型缺口2 mm 摆锤能量：4 J	8.5	2.96	8.3	9.8
简支梁无缺口 冲击强度(KJ/m^2)	GB/T 1043.1/1eA 尺寸：80 * 10 * 4 mm 跨距：62 mm 摆锤能量：4 J	24	26.9	32.6	36.3

从表1数据可以得出，在纤维含量降低8个百分点的情况下，12%玄武岩纤维增强PP的拉伸强度和弯曲强度相比20%玻纤增强PP分别提升了48.1%和73.7%，同时实现了轻量化(密度降低)。这一发现与Dhand等人的研究结论一致，即玄武岩纤维在聚合物基体中具有优异的应力传递效率[7]。这表明玄武岩纤维对聚丙烯基体具有更优异的增强效率，为实现内饰件的薄壁化(目标壁厚1.5~1.8 mm)设计提供了材料基础。

此外，本研究对该玄武岩增强PP材料进行了循环回收性能评估。将注塑样条进行粉碎后100%回收再次注塑成型，并测试其性能。实验发现，经过一次完整的回收再制造流程后，如表2所示，材料的关键力学性能(如拉伸强度、弯曲强度)衰减幅度控制在5%以内。李锦文等人曾指出，纤维增强热塑性塑料的回收性能关键在于界面损伤控制[8]，证明了该材料具备出色的可回收性与循环经济潜力，为解决汽车废弃塑料的回收难题提供了有效方案。

Table 2. Comparison of physical properties of 15% basalt fiber reinforced PP material after 100% recycling and injection molding

表2. 15%玄武岩纤维增强PP材料100%回收再注塑制件后物性对比

	工装件材料物性(厚度2.5 mm)
	密度 (g/cm^3)	弯曲模量(MPa)	拉伸强度(MPa)	弯曲强度(MPa)	简支梁缺口 冲击强度(KJ/m^2)	−30℃简支梁缺口 冲击强度(KJ/m^2)
首次制件	1.00	2282	31.2	41.4	3.7	3.5
一次100%回收	1.00	2237	30.9	41.3	3.5	3.4

3. 工装样件验证结果

此材料主要应用在汽车仪表台骨架上，多用于强度支撑和支撑气囊模块。为验证材料在实际产品中的应用可行性，经过综合评估，本研究采用15%玄武岩纤维增强聚丙烯材料制备了某车型的门内饰板工装样件。

首先，对工装样件进行裁样，并测试其物性。测试结果表明(见表2首次制件)，其各项性能均满足国标中的要求，完全符合项目预设目标。

其次，进行了关键的安全性能测试——气囊点爆实验。实验依据EP 85550.70和EP 84610.12等标准进行，模拟安全气囊在极端条件下点爆时对内饰件的冲击。实验结果显示，由该材料制成的工装样件结构完整，无碎裂飞溅风险，其塑性变形量远小于5%的限值，成功通过测试。这一结果印证了Lopresto等人关于玄武岩纤维复合材料具有良好抗冲击性和能量吸收能力的论断[4]。见下图所示气囊点爆后照片，这证明了该材料在满足高强度、高模量的同时，具备良好的抗冲击性和能量吸收能力，能够满足汽车内饰件苛刻的安全性能要求。

低温(−40℃)点爆 高温(+85℃)点爆 常温点爆

4. 成本效益与产业化可行性分析

尽管玄武岩纤维增强聚丙烯(PP + BF)的原材料成本目前高于玻璃纤维增强聚丙烯(PP + GF)，但全生命周期成本与环境效益分析揭示了其显著的长期经济性与竞争力。

4.1. 简化的成本与环境效益分析

本研究以某车型仪表板上盖板骨架(重量1.2 kg)为例进行估算。采用PP + BF15方案，在性能相当的前提下，相比PP + GF20方案可实现约10%的减重(部件重量降至约1.08 kg)。

• 环境效益(碳减排)：玄武岩纤维的碳减排优势贯穿其全生命周期。根据王钧等人的生命周期评价研究，玄武岩纤维的全生命周期碳足迹相较于玻璃纤维可降低40%以上。这一显著的减排效果主要源于两个核心环节：

1) 原料阶段：玄武岩纤维的原料为天然的火山岩，其开采与准备过程的碳排放远低于玻璃纤维原料(如石英砂、纯碱、石灰石等)所需的化工合成与提纯过程。

2) 生产能耗阶段：玄武岩的熔融温度(约1450℃~1500℃)低于玻璃纤维(约1600℃以上)，且其成纤率高，无需添加硼等助熔剂，Artemenko等指出这使得单位产量的能耗比玻璃纤维低30%~40% [9]，直接导致生产过程中的温室气体排放量大幅下降。

• 使用阶段经济效益：

1) 燃油车场景：根据行业经验，汽车重量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L。以该部件减重0.12 kg、车辆全生命周期行驶300,000公里、油价8元/L计，单件带来的燃油节省效益约为10~20元。

2) 电动车场景：重量每减轻100 kg，续航里程可提升约5%。以该部件减重0.12 kg、车辆电池容量60 kWh、全生命周期电费0.6元/kWh计，单件的电能节省效益约为15元以上。

与此同时，PP + BF15材料成本的增加(假设比PP + GF20高15%)分摊到单个部件上，成本增量约为3~5元。初步对比表明，仅考虑使用阶段的能源节省，其增量投资回收期远低于车辆的全生命周期。若再综合考虑其源头碳减排效益、优异的可回收性(降低废品与原材料成本)、潜在的薄壁化设计(进一步降重并缩短注塑周期)以及更长的部件寿命，其全生命周期成本与环境综合优势将更为突出。

4.2. 工艺可行性评估

为确保PP + BF材料的工业化生产可行性，本研究对比了其与PP + GF在标准注塑工艺下的加工工艺见表3所示。

Table 3. Comparison of injection molding processes between PP + BF material and PP + GF material

表3. PP + BF材料和PP + GF材料注塑工艺对比

工艺参数	PP + GF20	PP + BF12	评估结论
熔融温度(℃)	210~280	220~290	工艺高度重合，无需设备改造
注射压力(MPa)	35	35~40	略有升高，但在设备标准范围内(PP材料不超过65 MPa)
模具温度(℃)	20~60	25~65	适当提高，利于纤维取向与表面质量
收缩率(%)	0.4	0.4	一致

分析表明，PP + BF材料与现有PP + GF的注塑工艺高度兼容。陈伟等人的研究也表明，经过适当的表面处理后，玄武岩纤维在聚丙烯熔体中的分散性和流动性得以改善[10]，这使得其加工参数易于调控。其加工温度与压力要求均在现代注塑机的标准能力范围内，意味着从GFRPP切换至BF/PP无需对现有生产设备进行额外投资或改造，具备优异的产业化落地可行性。

5. 结论与展望

5.1. 结论

本研究成功开发并验证了一种适用于汽车内饰件的玄武岩纤维增强聚丙烯材料，得出以下结论。

5.1.1. 高性能

15%填充的玄武岩纤维增强PP，其核心力学性能全面优于20%填充的玻纤增强PP，实现了在高性能前提下的轻量化。

5.1.2. 高安全性

工装样件通过了气囊点爆测试，满足主机厂严苛的安全标准。

5.1.3. 绿色可循环

材料具备优异的回收再利用潜力，100%回收后性能衰减小于5%，符合汽车产业的可持续发展战略。

5.2. 展望

正如刘建勋等学者所预测，纤维增强复合材料是汽车实现深度轻量化的关键路径之一[11]。玄武岩纤维增强聚丙烯材料凭借其综合性能优势与环保特性，在汽车内饰领域拥有广阔的应用前景。其不仅适用于门板、仪表板等常规部件，在新能源电池包壳体、防火隔热层等新兴领域也展现出巨大潜力。目前，本研究成果已引起多家主流主机厂的关注，并表达了合作意向。未来，随着玄武岩纤维生产规模的扩大、表面改性技术的优化以及成本的进一步降低，该材料有望成为下一代汽车轻量化、绿色化的标准解决方案之一，推动汽车材料技术向前发展。