汽车安全气囊的技术发展.doc

汽车安全气囊的技术发展毕海峰张玉梅王华平（东华大学材料科学与工程学院，上海!%&）【摘要】介绍了汽车安全气囊的发展历史以及气囊技术从涂层织物向非涂层织物发展的过程，分析了气囊用原料的种类、性能。在安全气囊用织物市场中，聚酰胺占据(的份额，其余是聚酯及其它纤维，而多组分原料也将成为未来研究的热点。在此基础上，对常用安全气囊用纱的规格按标准纱和低旦单丝分别作了说明。叙词：汽车安全气囊原料聚酰胺聚酯! 汽车安全气囊的发展历史&%) 年，*+,- ./01234 设计了一个名为“汽车用安全垫”的装置，在他的专利中描述了一种类似于当今的安全气囊的设备。&这篇专利的发表标志着安全气囊的研究及应用的开始。随后，许多汽车制造公司（包括福特、大众）的研究中心都投入了大量的经费用于安全气囊的研制开发。安全气囊亦称空气袋，是汽车的一个安全装置，它与安全带配合使用，在汽车交通事故中为拯救司乘人员的生命作出了重大贡献。安全气囊分为胸部安全气囊、连接头部和胸部的安全气囊以及仅用于头部的安全气囊。在汽车正常行驶的情况下，安全气囊折叠并隐藏在衬垫里，而当汽车正面碰撞并达到一定的冲击强度时，安全气囊利用由电子脉冲引发的空气发生器，在千分之二秒的时间内迅速被高温、高压、高速气流充胀，从而减弱因剧烈碰撞产生的强大冲击力，以保证司乘人员的人身安全。&$ 年，美国政府规定前排司乘人员必须使用安全带和安全气囊!，西欧和日本虽未立法，但也普遍使用，这大大的加速了安全气囊在原料及技术等各方面的不断地升级换代。 汽车安全气囊的生产技术据资料统计，安全气囊的生产技术已经历了5个发展过程：第一代是以聚氯乙烯为涂层的缝制型织物气囊；第二代是以硅酮为涂层的缝制型织物气囊；第三代是非涂层织物气囊，利用织物自身的结构产生阻气性，但仍为缝制型；第四代则为非涂层全成型气囊，这种气囊在织机上直接加工成袋状，无需缝制。与涂层型安全气囊织物相比，非涂层型安全气囊织物具有以下优点：6）气囊系统工作过程中，气囊中灼热空气的排逸采取织物过滤方式，这对减少车厢污染、保护环境卫生十分有利；7）减少涂层加工，使工艺流程缩短，成本降低；3）气囊织物使用之后可以回收，符合环保要求。随着现代化工业的发展以及司乘人员对安全性及舒适性的要求，安全气囊的发展将向着更新型的智能化的方向发展。英国已研制出一种灵敏安全气囊装置，它可以根据乘客的体形、位置、坐姿及撞车的程度等，灵活的控制气囊展开的张力及速度，以达到最佳的保护作用。# 汽车安全气囊用材料及其性能安全气囊要求其必须具备包装体积小，快速充气、放气，长期不需维修，阻燃等特点。包装体积小要求织物必须轻、薄，有良好的抗折皱性；快速充气和放气则要求织物有较高的持续抗撕裂性、可加工性，有较好的弹性以及较低的空气渗透性；长期不需维修则要求织物必须具有抗微生物性、耐候性、抗化学降解性和尺寸稳定性。综上所述，安全气囊用于纤维需具有良好的强度、韧性、耐热性和抗老化性。) %) 综合评述现代纺织技术第$ 卷（%!）第! 期万方数据用于安全气囊的纤维原料主要是聚酰胺、聚脂。此外，聚烯烃、聚丙烯腈纤维、碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维甚至于经过适当处理的天然纤维也可用于气囊织物。对于综合性能要求较高的织物，可采用多组分原料。!# 聚酰胺纤维安全气囊织物发展的整个历史是以聚酰胺长丝纱为基础的，聚酰胺长丝纱具有的特性使它成为安全气囊织物最理想的材料。聚酰胺纤维具有初始模量低、弹性好、热焓量高等特点，其织物在动态载荷作用下具有应力分布均匀、吸收能力大及抗冲击性能好、耐热性和阻燃性较好等优点。此外，织物柔软性好，长期折叠时折痕不易变脆。特别是$%& 纤维具有良好耐热性，强度高，且有适当的延伸度，柔软性较好，因而在安全气囊这一市场获得巨大成功，在整个安全气囊用织物市场中，$%& 占据()的份额，$%& 为*)，剩余的是聚酯及其它纤维。$%& 长丝的熔点、热焓均低于$%&，但经特殊处理的$%& 长丝也能成为较好的安全气囊用原料。例如%+,-. /,012+ 公司生产的/234 526. $%& 纱制作安全气囊与使用$%& 纱制作的安全气囊相比，有较大的抗撕裂性、较佳的可折叠性、优良的强度保持力，在冲击、老化和燃烧试验中表现出与$%& 相同甚至更优的性能。德国%789:9;-+ 公司与 聚酯纤维随着非涂层气囊的发展及热轧阻气工艺的应用，聚酯纤维也已成为现今气囊原料的研究热点。聚酯长丝织物具有轻、薄、高强、耐磨、耐化学性等优点，并且不用上浆、上胶、水洗、定型等加工处理，成本低、易回收利用。由于聚酯的回潮率比聚酰胺低（聚酰胺*()，聚酯?!)），在热轧后经过( #? 年（相当于安全气囊的使用寿命），聚酰胺因回潮易恢复至轧光前的纱线构型，造成织物透气性增加，而聚酯纤维在安全气囊的使用寿命内仍能保持较低的空气渗透率。现在，欧美汽车用纺织品市场上已普遍采用高强聚酯长丝。对安全气囊织物用$%&、$%&、$%*& 及聚脂长丝的特性进行比较，见表#。表! #$、#$、#%$、& 的物理特性比较原料$%& $%& $%*& $AB熔点（C） (D #& D( (&热焓（E F 0） &? (?G GG# !?!密度（0 F HI!） #* #! #D #!#! 多组分原料为改善气囊织物的综合性能，可以采用多组分原料来制备安全气囊织物。原料的多组分化包含以下三方面的内容：2）由不同组分或不同结构的多种纱线构成织物。如在以聚酰胺或芳族聚酰胺为主的织物中加入) !) （重量比）的高伸长丝（其伸长率为*?) #?)，线密度为# #.3-J，如聚氨基甲酸酪）可大大提高织物机械性能尤其是抗冲击性能，用来制备高柔软性及高耐用性的气囊织物。;）由多种不同组分的纤维构成复合纱。如将热塑性纤维与耐热性纤维混合，热塑性纤维可使织物通过热处理而达到规定的气密性，而耐热性纤维用于承受充气时的高温作用，从而使织物同时具有较高的气密性及耐高温性能。H）由多种不同组分的聚合物构成复合纤维。如用聚酯作芯，聚酰胺作皮层的皮芯型复合纤维，对于改进气囊织物的物理机械性能尤其是尺寸稳定性及耐热性有极大的作用。% 汽车安全气囊用纤维的规格*# 标准织物气囊织物常用长丝规格为*G?.3-J F #?K，加工一般采用合纤长丝加工的工艺路线。为适应高紧密织物加工的需要，织机通常作一些改造。织物坯布经后整理漂练加工，有时为达到极低的织物透气性，织物还须经热轧处理。在合纤长丝加工工艺路线中，可以选择整、浆、并路线，亦可采用低捻、轴对轴上浆工艺路线。用于气囊织物的聚酰胺长丝规格品种繁多，纱线线密度在#? *?.3-J 范围内都有应用，具体应用情况因国家（或地区）、应用场合（司机座还是前排客座）、织物（涂层织物还是非涂层织物）的不同而有所不同。 (* 综合评述万方数据美国和欧洲的第一代司机座气囊由涂有聚氯乙烯的!#$%& 聚酰胺长丝织物缝制而成，由于纱线偏粗，气囊织物具有厚重及手感较硬的缺点，(且不利于折叠，体积庞大。随着生产技术的不断提高，各地区的气囊织物原料在成本和使用性能上都有了很大的改善。美国司机座气囊涂层织物已由!#$%& 改为)#$%& 聚酰胺长丝， 同时采用)#$%& * )+, 及-(#$%& * )+, ./00 长丝开发了非涂层气囊织物。而前排客座气囊目前主要采用)#$%& 以及)#$%&./00 长丝织制的低透气性非涂层织物，从而大大减轻了气囊的重量。欧洲低透气性非涂层气囊织物的标准织物是由在12(345 基础上开发的)#$%& 聚酰胺长丝织制的。而与美国略有不同的是对于司机座气囊涂层织物仍有一定比重，且除了由)#$%& 聚酰胺长丝替代第一代的!#$%& 长丝外，还有相当一部分是采用涂有硅酮的轻质的+-($%& 聚酰胺长丝制成的。至于前排客座气囊，通常采用)#$%& 聚酰胺丝织制的低透气性非涂层织物，当然，)#$%& 聚酰胺长丝聚氯丁烯涂层织物及+-($%& 聚酰胺丝硅酮涂层织物也有使用0。日本早先用)#$%& ./00 涂层织物，涂层由原先的氯丁橡胶发展为硅橡胶。但现在已转向于非涂层织物，重点是采用-(#$%& ./00 长丝作原料。日本每年用于制造安全气囊的./00 长丝达(# 吨，其中东丽公司占)(6，其余为帝人和东洋纺。日本东洋纺公司以荷兰/789 的./00 切片为原料，研制出了-$%& 的高热收缩长丝，成功地开发了几乎不透气的非涂层气囊织物。聚酯纤维在非涂层热轧阻气工艺中有着极大的应用前景。赫司特公司曾开发+(# : (#$%& 的高强聚酯长丝，由于织物的空气渗透性低，织物可不经进一步处理，就供安全气囊使用。;!( 年39&%公司推出了专用于安全气囊的5?&A?B 高韧性的聚酯纤维：5?&A?B)C;、5?&A?B)+0。5?&A?B 比尼龙00具有较低的比热、较低的吸湿性、较低的保水性以及较高的抗拉强度，在环境模拟及汽车碰撞试验中表现出良好的性能。D+ 低旦单丝纱随着安全气囊生产工艺的不断提高，人们对安全气囊的要求在安全性、可靠性保障的基础上，对于舒适性、节约性有了更高的要求。一些安全气囊用低旦单丝（EF.G）纱应运而生。采用EF.G 纱可使织物孔隙减小，有利于改善织物的阻气性，而且细纱可改善织物的柔软性，使低透气性的织物也有较好的弹性；同时，细的纱线在一定程度上降低了织物的面密度，减轻了气囊的重量，使得气囊展开时加速所需的能量减小，对人体的冲击减小，从而改善了整个气囊系统的性能。表+ 是标准纱与低旦单丝纱用于安全气囊织物的性能比较。)表! 标准纱与低旦单丝纱的性能比较12(345+-($%&标准12)345+-($%&EF.G12(345)#$%&标准12)345)#$%&EF.G规格（$%&） +-($%&* -0,+-($%&* )+,)#$%&* )+,)#$%&* ;,织物结构平纹平纹平纹平纹面密度（H * I+） ;0# ;( +# +;#厚度（II） #D+ #D+; #D-) #D-+强度（2* (I） +(# +;# -+# -;#伸长（6） -! -C -( -+剪切强度（2） )0 C+ ;+# ;-#渗透率（ $I*IAJ(#.B） K ;# K C K ;# K ;#从表+ 可以看出用12)345（+-($%&）聚酰胺丝代替标准12(345（)#$%&）聚酰胺丝，可使织物面密度从+#H * I+ 降至;(H * I+，使单位面积的原料耗用量降低了-(6，充分的节约了原料。然而，纱线纤度降低造成织物面密度降低，会导致织物强度及单位面积热容量（热熔量与织物面密度之乘积）的降低，故对热容量紧张的情况，采用纱线纤度不变的EF.G 不失为一种有效的措施，这样可在保证织物强度及面密度基本不变的条件下改善织物的柔韧性，缩小包装体积，并改善阻气性。 结语汽车安全气囊装置正被越来越多的汽车制造商和汽车司机以及乘客所重视，;!# : ;!0 年，世界安全气囊产品由C# 万只增加到#+# 万只，到+# 年安全气囊用纱达( 万吨。随着气囊装置的进一步开发，在保证气囊安全可靠的前提下，气囊织物的研究方向主要集中于降低成本、减轻重量及缩小包装体积。达到这一目的的一个行之有效的办法是开发低旦单丝（EF.G）纱，采用轻质空气袋织物。而采用多组分的原料，开发各种复合纱、复合纤维也将是今后安全气囊原料的一个研究热点。 ( 综合评述万方数据!我国的安全气囊研究工作起步较晚，主要集中于安全气囊织物的加工技术，对原料的开发研究相对较少。为尽快与国际接轨，增强我国在汽车工业领域的竞争实力，开发和研制高质量、低成本的安全气囊用原料已势在必行。参考文献% &()* +, -./01), 2)0)3. 2)456./74 89*./74 /: ;97=*，;97)0?3/6/=4， -/09).4 /: ;5./(/.9) +3=93)7*， A30,B!C,! D/3)3= ;, A3.)73.9/36 )E.96) F566).9/3， G/3H/)3*A3I5*.796 )E.96)*，%JJK，（%）；%$ L %K,B MI=9)* M, ?) N7/I50.9/3 /: 97= :)0?39*0?)E.969)3，%JJC，BK（O）：O,O M/3/N91 ;, ，;1P/ G/)6：(/7) 97= 473*，Q9)7 A3I5*.74，%JJR，OR（O）：JR L JJ,C S/6: 2 M7533)5)7，S/76I .7)3I* 93 97)E.96) ;*9，%JJC，!$（%）：O$ L C,$ 卜桂仙, 安全气囊织物的原料及其发展趋向, 上海：产业用纺织品，%JJJ，（%!）：% L O,R -9)T1 U, G)H D73* :/7 69=?.#H)9=?. 97= :790*, V3#VI) Q9)7 D)7 F/1，%JJK, !O L !$,（责任编辑：杨元兆）万方数据汽车安全气囊的技术发展作者： 毕海峰， 张玉梅， 王华平作者单位： 东华大学材料科学与工程学院,刊名：现代纺织技术英文刊名： ADVANCED TEXTILE TEC