摘要

安全氣囊一直是汽車行業(yè)及消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一，也是研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。介紹了目前國內(nèi)外汽車安全氣囊織物的發(fā)展現(xiàn)狀，包括了氣囊織物的纖維原料、織物類型及各項(xiàng)性能要求。以安全氣囊織物的發(fā)展歷史為基礎(chǔ)，分析了以聚酰胺纖維、聚酯纖維為主的原料選取、涂層對(duì)織物各方面性能的影響以及氣囊在特殊工作環(huán)境下對(duì)織物結(jié)構(gòu)、透氣性、熱學(xué)性能、力學(xué)性能的基本要求，并簡要介紹了目前安全氣囊織物的熱點(diǎn)研究。

關(guān)鍵詞：安全氣囊；織物；纖維；涂層；發(fā)展現(xiàn)狀

汽車的安全性能一直是人們關(guān)注的首要問題，安全氣囊作為汽車部件中最為重要的安全部件之一，已成為迅猛發(fā)展的高新產(chǎn)業(yè)，是各國關(guān)注的研究重點(diǎn)。

根據(jù)汽車行業(yè)的調(diào)查報(bào)告，當(dāng)汽車前部發(fā)生碰撞時(shí)，若汽車裝有安全氣囊，駕駛員死亡率明顯更低，特別是大客車，死亡率降低 30%[1]，能夠有效減少交通事故傷亡。

全球安全氣囊領(lǐng)域的知名企業(yè)有瑞典奧托立夫、日本高田、美國天合、德國采埃孚、美國百利得，產(chǎn)品市場份額也基本由這些企業(yè)瓜分。中國在汽車安全氣囊領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚，與國外安全氣囊技術(shù)及產(chǎn)品相比尚缺乏優(yōu)勢(shì)，因而產(chǎn)品市場占有率一直較低。20 世紀(jì)初，瑞典奧托立夫率先在中國上海建廠，隨后其他總成廠商和零部件供應(yīng)商也紛紛來華，以奧托立夫?yàn)榇淼目鐕就顿Y的企業(yè)占據(jù)了中國絕大部分的市場份額[1]。中國自主品牌方面主要為錦州錦恒、東方久樂和華懋科技等， 東方久樂是目前國內(nèi)唯一掌握汽車安全氣囊系統(tǒng)核心技術(shù)、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的本土企業(yè)。2018 年，已經(jīng)申請(qǐng)破產(chǎn)的日本高田被寧波均勝集團(tuán)收購，從此這個(gè)全球知名的安全氣囊供應(yīng)商就納入了中國企業(yè)旗下。

本文將分別從安全氣囊織物的纖維原料、安全氣囊織物的類型及安全氣囊織物的結(jié)構(gòu)與性能要求這三個(gè)方面進(jìn)行論述，簡要介紹目前國內(nèi)外汽車安全氣囊織物的發(fā)展現(xiàn)狀。

1  安全氣囊織物的纖維原料

聚酰胺纖維

第一代氣囊織物在 20 世紀(jì) 70 年代由美國通用汽車公司提出，以聚酰胺長絲紗為原料涂覆氯丁橡膠，然而實(shí)際使用證明，氯丁橡膠的涂膜耐用性差，涂層厚，涂層織物易變質(zhì)，不便回收利用；第二代氣囊織物將硅橡膠涂層附著于尼龍織物，環(huán)境變化時(shí)硅橡膠涂層可保持其特性不變，高溫時(shí)性能仍很穩(wěn)定，且硅膠涂膜具有潤滑性，織物輕薄柔軟[2]；第三代非涂層氣囊織物仍使用聚酰胺長絲紗生產(chǎn)，通過提高經(jīng)緯紗密度，并采取后整理加工途徑提高織物阻氣性能；90 年代初產(chǎn)生的第四代氣囊，是以聚酰胺纖維為原料的全成型安全氣囊，在氣囊的生產(chǎn)過程中一次性完成袋狀加工，圓滿解決了非涂層織物后期加工困難的問題。

由此可見，安全氣囊織物發(fā)展的整個(gè)歷史是以聚酰胺長絲紗為基礎(chǔ)的，特別是錦綸 66，相比其它纖維原料，其性能表現(xiàn)更加理想。除最普遍的錦綸 66 外，錦綸 6 長絲也可作為安全氣囊用原料，雖然其熔點(diǎn)、熱焓更低[3]，但其經(jīng)特殊處理后制作的安全氣囊與使用錦綸 66 相比，有較好的抗撕裂性和可折疊性，在沖擊、老化和燃燒試驗(yàn)中的表現(xiàn)更優(yōu)。

聚酯纖維

21 世紀(jì)初，隨著非涂層氣囊的發(fā)展，聚酯纖維也成為研究熱點(diǎn)。高強(qiáng)聚酯長絲織物具有輕薄、強(qiáng)度高、耐化學(xué)性等優(yōu)點(diǎn)，成本低，前后道加工更簡便，易回收，且聚酯的回潮率比聚酰胺低，受濕度變化的影響不明顯，相對(duì)不易變形，在 5～10 年后仍能保持較低的空氣滲透率。德國 Hoechst 公司曾開發(fā)過一種高強(qiáng)聚酯絲，細(xì)度在 250～550 dtex 之間，織成的織物吸濕性較低，空氣滲透性低，無需后整理就可直接用于生產(chǎn)安全氣囊。

PA66、PA6、PET 的物理特性比較見表 1[4]。

表1 PA66、PA6、PET的物理特性比較


多組分原料

為改善氣囊織物的綜合性能，采用多組分原料也是一項(xiàng)行之有效的措施。

由不同組分或結(jié)構(gòu)的多種紗線構(gòu)成織物

例如在聚酰胺為主的織物中加入少量高伸長絲。日本東麗在以聚酰胺或芳族聚酰胺為主的織物中，加入重量比為 2%～3%，伸長率為 400%～1000%，線密度為 11.1～111 dtex 的聚氨基甲酸酯高伸長絲[4]，大大提高了織物的機(jī)械性能，織物柔軟性也更高。

由不同組分的纖維構(gòu)成復(fù)合紗

用耐熱性能好的纖維和熱塑性纖維混合制成紗線，織成的織物在經(jīng)過熱整理后，透氣性降低，織物既有較好的耐高溫性能，也有較好的氣密性。STRAHCE&HESS GMBH 曾采用耐熱的間位芳族聚酰胺纖維與熱塑性纖維混紡，在高溫下用金屬或玻璃劃也不破裂。熱纖維的應(yīng)用有效解決了織物面密度降低卻造成織物熱容量降低這一問題。

由不同成分的聚合物構(gòu)成復(fù)合纖維

聚酯的吸濕性比聚酰胺更低，聚酰胺的耐熱性能更好，因此可以考慮將二者結(jié)合制成復(fù)合纖維， 聚酯作芯，聚酰胺作皮層，能夠明顯提升織物的尺寸穩(wěn)定性和耐熱性等性能。

2  安全氣囊織物類型

根據(jù)是否有涂層，安全氣囊可以分為涂層織物、非涂層織物和混合型氣囊用織物。

涂層織物

氯丁橡膠是最早用于安全氣囊的涂層原料，氯丁橡膠對(duì)外部環(huán)境的敏感性低，抗老化性能好，價(jià)格便宜，但氯丁橡膠受高熱時(shí)分解產(chǎn)生有毒的氯化物氣體，給織物帶來酸性環(huán)境，使其脆化；在高溫環(huán)境下易與強(qiáng)氧化劑反應(yīng)，自身會(huì)發(fā)生老化，失去原有性能；從加工上考慮，氯丁橡膠與尼龍很難融合，且在尼龍織物上涂覆氯丁橡膠成本高昂。

20 世紀(jì) 80 年代，日本開始開發(fā)使用硅橡膠涂覆材料。硅橡膠具有優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性，和穩(wěn)定的化學(xué)性能；耐磨、耐久性能好，觸感好，便于折疊；硅橡膠耐極限熱的能力強(qiáng)，比氯丁橡膠涂覆量小就可達(dá)到同樣的耐熱性[2]。

隨著更深入的研究，液體硅橡膠材料各項(xiàng)性能有了進(jìn)一步提升，其具有質(zhì)量輕、折疊尺寸小、強(qiáng)度高、耐老化、成本低等特點(diǎn)，更適合生產(chǎn)。

非涂層織物

非涂層型安全氣囊織物有縫制型和全成型兩種，其通過織物本身的孔隙排出灼熱空氣，并且加工工序更少，成本降低，織物更加輕薄柔軟。

縫制型氣囊織物由兩層不同規(guī)格、不同透氣率的織物縫制而成。通常，朝司乘人員的一層具有較小的透氣率，另一層的透氣率較大，使氣囊內(nèi)大部分高溫氣體可以迅速從背面排出，減少對(duì)人體的傷害[5]。

全成型氣囊在織機(jī)上直接加工成袋狀，其織物是通過改變平紋組織的組織點(diǎn)位置來改變兩層織物或織物中某一區(qū)域透氣率的[6]，生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)氣囊織物更高，生產(chǎn)浪費(fèi)少，單位成本更低，相應(yīng)的生產(chǎn)效率也更高。近幾年德國 GST 集團(tuán)和法國 Lectra 公司合作，通過預(yù)生產(chǎn)軟件和最新的激光裁剪技術(shù)，可以做到一開始便能生產(chǎn)出沒有瑕疵的全成型氣囊袋， 有效地減少了原料浪費(fèi)；2015 年延鋒百利得公布過一種主體采用異形截面紗，經(jīng)編成型的全成型氣囊袋[7]；2017 年，廈門的華懋材料公司公布了其最新的研發(fā)成果，即由新型內(nèi)腔織物構(gòu)成的全成型氣囊，該氣囊內(nèi)外的封邊都根據(jù)位置特征進(jìn)行了組織設(shè)計(jì)，內(nèi)腔織物也由不同結(jié)縫區(qū)域連接構(gòu)成[7]，這樣的織物結(jié)構(gòu)在保證氣密性的同時(shí)，提高了氣囊的織物強(qiáng)度和緩沖能力，使其能更有效地承受氣體沖擊。

涂層織物與非涂層織物的特性比較[2]見表 2。

表2 涂層織物與非涂層織物的特性比較


混合型織物

這種類型的織物在面向人體的一面采用涂層織物，保證氣囊的氣密性，在背面用透氣良好的非涂層織物，用于排出灼熱氣體[6]，使兩類織物的優(yōu)勢(shì)得到更大體現(xiàn)。

3  安全氣囊織物的結(jié)構(gòu)與性能要求

當(dāng)汽車發(fā)生碰撞并達(dá)到一定的沖擊強(qiáng)度時(shí)，氣囊在氣體發(fā)生器的作用下迅速被高溫高速氣流充脹[8]，并在瞬間排出氣體保護(hù)乘員，因此氣囊織物不能熔融燃燒，并且要有較好的力學(xué)性能和一定的氣密性；特定的使用場所要求其能夠在-35～85℃的環(huán)境下壓縮保存 15 年[9]。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)安全氣囊的安全性，氣囊織物應(yīng)滿足下列要求。

織物結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定的織物結(jié)構(gòu)能夠更好地保證安全氣囊的安全性。

織物線密度

氣囊織物常用的長絲規(guī)格是 470 dtex/120 根，以聚酰胺為原料的織物紗線線密度一般在 110～940 dtex 之間[4]。

織物組織

在相同條件下，1 上 1 下 平紋、2 上 2 下斜紋、2 上 2 下 重平 3 種不同組織的織物，斜紋織物的透氣量最大，平紋最小。相比另外兩個(gè)組織，平紋組織浮長最短，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最高，織物硬挺，相同條件下透氣量更小，織物強(qiáng)度也更大[10]。

平方米質(zhì)量

氣囊織物的平方米重量一般要求為 195～260 g/m2，在氣囊包裝上，要求體積足夠小，因此織物需足夠輕、薄，當(dāng)織物經(jīng)緯密度不變時(shí)，降低原料比重，可以降低織物平方米質(zhì)量；氣囊工作時(shí)，氣囊袋對(duì)人體的沖擊力大小受織物克重的影響。

織物厚度

織物單層厚度影響折疊尺寸的大小，且安全氣囊的儲(chǔ)存空間有限，一般要求其厚度為 0.28～0.38 mm [11] 。

透氣性

非涂層安全氣囊主要依靠織物本身的透氣性來排氣。根據(jù) ASTM 標(biāo)準(zhǔn)，氣囊織物的經(jīng)向密度不小于 18 根/cm，緯向密度不小于 18.5 根/cm[10]。如果織物密度過低，氣囊很可能起不了保護(hù)作用；密度過高，則織物透氣性差[12]，手感過于硬挺，氣囊彈出時(shí)可能會(huì)傷害到人體。

發(fā)生碰撞時(shí)，氣囊需要在 35 ms[12]以內(nèi)快速膨脹至形狀飽滿，要求織物有足夠小的透氣量；氣囊內(nèi)氣體在人體向前撞擊的 10 ms[11]內(nèi)迅速排出，防止人體反彈，這又要求氣囊織物有一定的透氣性， 因此必須要精確控制非涂層織物的透氣量。在 500 Pa 的壓差下，非涂層氣囊織物的透氣量要求：朝向人體正面織物為 5 L/(m2·min)，背面為 10 L/(m2·min)[11]。

織物密度

織物密度能夠在最大程度上影響非涂層織物的氣密性。對(duì)于縫制型安全氣囊織物，可根據(jù)上、下層織物不同透氣率的要求，經(jīng)緯紗可以采用不同特?cái)?shù)、不同捻度或不同的織物經(jīng)紗密度[5]；對(duì)于全成型氣囊，封邊要考慮其可織性能和牢固程度，還要考慮到其和囊身相接處的氣密性，在設(shè)計(jì)、織造時(shí)改變封邊組織的經(jīng)緯紗浮長或減少經(jīng)紗每筘穿入數(shù)，可以改善封邊的可織性[5]。

干熱收縮率

非涂層織物的透氣性也受到長絲干熱收縮率的影響。對(duì)于織物的熱定型處理，不同原料的熱收縮率不同，熱定型處理時(shí)，如果長絲的熱收縮率較大，織物的收縮程度也會(huì)較大，織物密度增加，也在一定程度上改變了織物的透氣性，因此，要根據(jù)原料的熱收縮率來控制織物的變形程度，以此影響織物的透氣率[13]。

力學(xué)性能

氣囊織物力學(xué)性能要考慮的因素較多。在工作時(shí)，要求織物強(qiáng)度高、抗撕裂、彈性好、耐摩擦， 能夠快速充、放氣[5]；由于氣囊的可使用年限要求高，因此要求織物有良好的尺寸穩(wěn)定性、抗老化性能。

撕裂性能

對(duì)于非涂層織物，織物撕裂強(qiáng)力與紗線強(qiáng)力成近似正比關(guān)系。織物發(fā)生撕裂時(shí)，紗線間相對(duì)滑移，形成撕裂三角區(qū)域，該區(qū)域的纖維共同承受撕裂強(qiáng)力。

當(dāng)織物涂層后，撕裂強(qiáng)力由織物和涂層薄膜共同承擔(dān)，由于涂層的滲透，紗線間和纖維間有所粘連，相對(duì)滑移減少，使切口處的應(yīng)力更加集中，織物的撕裂強(qiáng)力降低。另外，織物組織、織物織縮、經(jīng)緯密以及織物的后整理也對(duì)織物撕裂強(qiáng)力有較大影響[9]，一般平紋組織織物的撕裂強(qiáng)力最小。

織物強(qiáng)力

安全氣囊展開時(shí)一方面承受乘員瞬間撞擊氣囊所產(chǎn)生的沖擊，另一方面承受高壓高速高溫氣流對(duì)氣囊本身的沖擊和拉伸作用，因此要求其彈性好，初始模量低，伸長大[14]，使氣囊展開時(shí)織物伸長大，吸收沖擊能量大?？椢飶?qiáng)度主要由其規(guī)格結(jié)構(gòu)和原料本身的強(qiáng)度決定[15]。織物的經(jīng)緯密合適，一般其強(qiáng)力不會(huì)過低，同時(shí)要注意織造過程的把控，盡量減少織造時(shí)的強(qiáng)力損失，保持織物經(jīng)緯向強(qiáng)力均勻[13]；若斷裂強(qiáng)力不夠，氣囊引爆時(shí)織物易斷裂引起氣囊失效。對(duì)于涂層織物，降低涂層的硅膠黏度能夠有效改善織物的拉伸性能。

不同規(guī)格氣囊織物斷裂強(qiáng)度[9]見表 3。



摩擦性能

織物良好的耐磨性可以保證氣囊展開時(shí)產(chǎn)生的熱量小，不易導(dǎo)致燃燒。氣囊織物在后道加工工序中需要進(jìn)行磨絨整理，要求氣囊在摩擦后不能有明顯的強(qiáng)力損失[11]，所以織物的動(dòng)摩擦系數(shù)應(yīng)足夠小。對(duì)聚酰胺氣囊織物采取軋光整理和起絨整理，可以使纖維皺縮，填充織物間隙，使織物表面光潔，減小動(dòng)摩擦系數(shù)，織物更加柔軟，即使發(fā)生碰撞，也能避免更多的意外擦傷。在軋光整理時(shí)要注意參數(shù)的控制，合適的軋輥速度、壓力和溫度的合理配置，都有助于改善織物摩擦性能。

熱學(xué)性能

當(dāng)氣囊充氣時(shí)，瞬時(shí)達(dá)到高溫，織物的耐高溫性和阻燃性能要好。纖維的高熔點(diǎn)、高熱焓值能使其有效地阻燃，在同樣條件下，熱焓值高的織物溫度上升速度低，耐熱性好，在這一點(diǎn)上錦綸纖維明顯優(yōu)于滌綸。標(biāo)準(zhǔn) GB 8410－2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》規(guī)定，汽車內(nèi)部的織物燃燒火焰在 60 s 內(nèi)自行熄滅，燃燒長度不超過 50 mm，對(duì)氣囊織物的阻燃要求要更高。氣囊織物的耐熱性主要由原料本身決定，其次也受到涂層性能和后道加工的影響，比如阻燃后整理[13]。

4  安全氣囊織物的結(jié)構(gòu)與性能要求

對(duì)安全氣囊織物的基本情況及發(fā)展進(jìn)行了簡要分析。通過對(duì)錦綸 66 長絲、高強(qiáng)聚酯絲的性能， 其他纖維和涂覆材料的延伸，以及氣囊織物在工作場景下各方面性能要求的分析，得出的結(jié)論是目前安全氣囊織物的原料選取仍然以聚酰胺為主，輔以其他性能優(yōu)異的纖維；在織物性能方面，主要要求織物組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，氣密性好，織物輕薄柔軟，熱學(xué)性能優(yōu)異，強(qiáng)力高，伸長性能、耐摩擦性能好， 耐老化。目前安全氣囊織物除了材料以外，主要的研究方向包括智能化、高強(qiáng)度、良好的耐熱性、低氣密性以及低成本等，它是環(huán)境友好型產(chǎn)品，從長遠(yuǎn)的角度看，中國企業(yè)的各方面發(fā)展空間更好。

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