塑料在汽车“轻量与环保化”中的应用及发展

作者：湖南科技职业学院 刘西文    来源：Ringer

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 迅猛发展的汽车工业在不断改变世界，然而汽车尾气的排放、油耗、废品回收等问题已逐步使人们赖以生存的自然环境失去了往日的和谐，因此在今后的年代里随之而来将是社会改变汽车，使汽车轻量化和环保化。2009年5月美国就已出台了美国历史上最严格的汽车燃料能效标准，该标准为美国客车和轻型卡车制定了清晰的“减排”和“省油”标准。塑料及其复合材料由于具有质量轻、 耐腐蚀、比强度高，设计空间大、易于成型加工、易回收等特点，使汽车在轻量化、节能、安全性和制造成本等方面获得更多的突破，从而成为了 21 世纪汽车工业最好的选择。目前国际上已把每辆汽车塑料的用量作为衡量汽车生产技术水平的标志之一。 塑料在汽车中的应用现状 塑料在汽车中的应用一直被汽车工程界所重视。早在 20世纪 50 年代即开始了塑料在汽车中的应用研究， 60 年代开始了商品化生产，到80 年代塑料在汽车工业中的应用进入快速发展的时期，在塑料品种上也逐渐由通用塑料向工程塑料发展，尤其是高性能工程塑料逐渐在汽车中得到应用，出现塑料覆盖件和塑料功能结构件等。目前汽车中用塑料制造的零部件已有数百种之多，从功能上大致可分为以下几方面： 汽车装饰部件 汽车塑料装饰部件一般分为内饰件和外饰件。汽车的内饰件主要是指汽车车厢的隔板、门内装饰板、仪表板、扶手、地毯、门内手柄、装饰条等。这些部件相对于车上其它部件而言，它们不会影响车辆的整体运行性能，但对抗冲、减振、隔热、吸音和隔音以及美观、舒适具有较高的要求。由于许多热塑性塑料集结了这一系列优点，而且还具有质地轻、易成型、易安装、手感好和成本低等特点，使得汽车内饰件较早实现了“塑料化”，且用量大，其用量高达整车塑料总用量的56%。目前汽车内饰件的塑料材料逐渐向高强、复合、美观等方向发展，如门内装饰板的的骨架部分可用ABS注塑而成，再把衬有PU发泡材料的涤纶表皮以用真空成型的方法，复合在ABS骨架上形成一体，即有高的强度，隔热性又好，而且美观。软质仪表板采用PC/ABS合金作骨架材料，以PVC/ABS合金带皮纹的片材作表皮材料，以骨架为内模，用真空吸塑法将表皮材料敷在骨架上，形成一层既美观又有良好手感的表面。汽车顶棚一般使用热塑性聚氨酯发泡或PP发泡片材、蜂窝状塑料带等作基材，无纺布、TPO、PVC等作表皮材料，具有吸音、减振及减重的效果。 汽车外饰件主要指发动机罩、散热器格栅、挡泥板、车外门把手、后导流板、车身装饰条等。近些年汽车外饰件也逐步实现了“以塑代钢”，由于外饰件对材料的力学强度、美观性能等方面要求高，目前主要采用高性能工程塑料及其合金、增强复合材料等制造。如用ABS或ASA 、PC/ ABS合金等材料注塑成型的散热器格栅，力学强度高，表观性能好，表面可不经涂装，可充分表现汽车风格。用尼龙增强复合材料制作发动机罩表面光滑、尺寸精确、质量稳定、NVH（噪声、振动、冲击）指标比金属罩小，而且能一次成型，不需要进行后处理和机械加工，可降低成本。车外门把手、门锁采用POM制作，其刚性好、耐磨且手感好。 汽车车身 汽车轻量化，其中车身轻量化是非常重要的一个方面。目前世界各国都在进行着车身塑料化（塑壳汽车）的开发研究。对塑壳汽车而言，其关键是汽车的稳定性以及车架的强度。用于制造车身的塑料材料主要是玻璃纤维增强PP、PET、 PC/PBT、PC/ABS等合金，它们具有很高的力学强度和良好的综合性能。也有采用玻璃毡，经 PP 浸渍压制成 PP 增强片材，即玻璃毡增强热塑性复合塑料材料，该复合材料具有强度高，便于冲压成型等特点，适合于制造车身等大型结构件。目前研发的是热固性片状模塑料（SMC），具有好的机械性能、表观质量和自然时效性，也可用来制造车身面板。据报道德国尼奥普兰公司已研制出了全塑壳大型轿车，该车型质量只有普通轿车的43%，可节省燃料20%～30%。它的一辆试验车横穿撒哈拉沙漠，能耐70℃的高温，且与41km/h时速的载货汽车相撞时，驾驶员和乘客均无损伤。美国通用公司的土星汽车也是全塑汽车，其车身和车架采用新型增强塑料制成。克莱斯勒汽车公司也研制出新型塑料汽车，其车身是由PET塑料制造的6大部分组成，而一般的金属车身组装需要大约80个部件，故其装拆方便快捷，且表面不需喷涂，汽车的造价比普通汽车可降低一半。 汽车动力系统部件 汽车动力系统部件主要包括供油系统零件、汽车点火器、加速器、汽车泵、输油管、动力阀、马达齿轮、发动机、进气歧管、气缸体等。现在大部分都已经是以塑料代替了金属材料来制造，在轿车、箱式汽车(面包车)、小卡车上使用的塑料，目前大约25%用于发动机室内。汽车进气歧管的塑料化是德国宝马汽车公司率先应用采用玻璃纤维增强尼龙制造汽车进气歧管，取得成功后，使改性尼龙进气歧管在汽车中得到广泛应用，于是汽车进气歧管实现了塑料化。目前德国富吕登伯格公司用聚酯BMC制造了发动机室内进气歧管，其内表面十分光滑，有助于空气进入，使得发动机效率比用金属歧管高15%，歧管重量减轻1kg。发动机盖、发动机装饰盖、汽缸头盖等部件现一般都用改性尼龙作为首选材料，与金属材质相比，其质量轻、强度高等，如塑料汽缸头盖质量可减轻约50%，成本可降低约30%。汽车动力阀、齿轮、轴承、滑轮等大都采用高性能的聚甲醛、尼龙及其复合材料制造。如用聚甲醛加入少量的聚四氟乙烯和铅粉，制造的万向节轴承内衬，不仅强度高，耐腐蚀好、耐磨性能优良，而且还具有良好的自润滑性和散热性能，在使用性能方面明显优于普通金属铜。 随着塑料加工改性技术的不断提高，塑料将有可能取代金属制造汽车动力系统的几乎每一种零件。如美国采用一种耐热型塑料通过玻璃及碳纤维增强，制造了大部分发动机零件，这种塑料发动机比金属发动机重量约减轻50%，试验中省油率达到12%～15%，而且噪声比金属发动机低30%。巴斯夫公司用天然橡胶改性聚酰胺的复合材料制造了汽车轻型稳定器，该稳定器已用于豪华型保时捷四门跑车Pananmera上，它不但能够十分可靠地承受高达650Nm的发动机扭矩，还具有良好的吸音效果，并且高强度，可以保证汽车发动机的稳固安装，与相似功能的金属组件相比可减轻35%的重量。 汽车安全系统部件 安全气囊是汽车安全系统中的一个重要部件，要求气囊材料即要耐高温又要低温，同时还要有很高的冲击强度、撕裂强度，伸长率小。据报道PA6、PA66和 TPE-E等塑料是制造安全气囊的最佳材料。而且由于TPE-E兼具橡胶的弹性和热塑性塑料的刚性、易加工和良好的耐热性，在安全气囊盖板的制造上也显示出了独特的优越性，所以在汽车气囊盖板上已普遍应用。但近几年来，TPO技术的突破性进展，以其较高性价比的优点使其在汽车安全气囊盖板中的使用越来越广泛。 保险杠在汽车中是抗冲击性能要求最高的部件之一。目前在一些中高档车型中大都采用PC/PBT合金制造，它不仅具有良好的力学性能，特别是有很高的冲击强度，而且还具有较高的耐热性和耐化学药品性。如巴斯夫公司生产的PC/PBT合金Ultrablend，不仅具有PBT的耐化学药品性、耐油性及流动性，又具有PC的低温韧性、耐热性及高的机械性能(尤其突出的高抗冲击性)，已经大量用于制造保险杠。此外PP经抗冲改性后也大量用于中低档车型的保险杠，它具有很高的性价比。 燃油箱是汽车中重要的安全部件。它一般有单层或多层复合结构，要求其材质具有耐寒、耐热、耐蠕变、耐应力开裂、耐老化、耐溶剂、耐化学药品腐蚀及高阻隔等性能，以适应抗冲击、抗渗漏、阻燃、防爆等方面的要求，目前大都采用高阻隔性尼龙及尼龙合金、聚酯及其合金制造，比金属燃油箱的重量轻且耐腐蚀性要好。 汽车照明系统部件 汽车照明系统部件主要有车窗玻璃、挡风玻璃、车灯等，目前基本上都已经塑料化，主要采用的材料是PC或PMMA等，它们不仅抗冲击强度高、抗震吸音效果好、透明度高，而且重量比无机玻璃减轻约40%～50%。如沙伯基础创新塑料开发出的一种新型实心PC板材——lexan UlG1003 1120Q板材，已成功用于荷兰世爵汽车新车型——世爵C8超级跑车的顶板、坐舱盖和后三角窗上，具有高强度、清澈透明、轻巧和出色的耐刮擦性、耐候性等特性，同时还具有波动、失真和光学缺陷最小化等特点。而对于车前大灯，考虑到大灯玻璃的透明性、耐热性、耐冲击性以及易于成型性，多数采用表面涂覆硬膜的PC，从而进一步提高了耐擦伤性和耐候性，比玻璃镜片更亮 ,更抗破碎 ,更具光学加工的准确性。风挡玻璃的三层安全玻璃里面又贴附了 20μm 厚的聚氨酯膜，以提高其抗碎性。 车用塑料未来的发展趋势 随着“汽车塑料化”进程的不断加速，以及人们对于汽车的使用、安全、环保等性能要求的不断提高，对于车用塑料无疑也提出了更高的要求，使得车用塑料向成本更低、强度更高、冲击性能更好、可回收和可降解等复合材料及塑料合金方向发展。 通用塑料高性能化，降低汽车制造成本 PP、ABS因密度小、良好的力学性能和加工性能，且成本低，其通过纤维增强和抗冲改性的品种用于汽车的内饰、仪表板、保险杠、轮罩等部件已被人们广泛接受。其在汽车中用量逐年增加，特别是在多功能汽车、小型车上的用量大幅增加。据统计PP在汽车塑料件中占近50%，2009年每辆汽车PP最高用量达60 kg，其中PP改性复合材料用量为45kg，纯PP料用量为15kg。由于未来的汽车基于风格和法规的要求，单位保险杠、仪表板的尺寸进一步增大，这就要求材料具有良好的加工性。另外随着多功能和小型汽车产量的不断增大，在未来的汽车塑料应用中， 车用塑料材料仍会以PP、ABS为主导，通过各种改性和复合技术，如共混、共聚、纤维增强等使其高性能化，工程化和功能化，更进一步扩展在汽车中的应用领域，降低汽车的制造成本。 高科技复合技术应用不断增加 （1）增强材料高性能化、环保化 玻璃纤维增强塑料虽可提高塑料的力学强度和耐热性，但存在脆性较大，且加工流动性差，视觉疵点、易翘曲等缺点。因此应用其它高强轻量的纤维增强塑料是今后复合增强材料的一个发展方向。最近宝马、奔驰等公司都已先后研制开发了高强轻量的碳纤维复合材料（CFRP）用于车体板等部件，其刚性比普通钢制部件还高，表面手感舒适。 另外用天然纤维，如亚麻、 剑麻增强塑料制造车身零件，在汽车行业也已经得到认可。一方面由于天然纤维是环保材料；如用亚麻增强 PP 制作车身底板，材料的拉伸强度比钢要高，刚度不低于玻纤增强材料，制件更易于回收。另一方面植物纤维比玻纤轻 40 %，可减轻车重，降低油耗。 （2）纳米复合技术的应用 随着纳米塑料技术的发展，纳米塑料以其具有优异的力学性能、耐热性能和阻燃性能，及其抗菌、防辐射性能、耐老化等高附加功能，在车用塑料的应用中已得到许多企业的青睐。如美国Cascade工程公司]研究出了Forte品级纳米PP复合材料，具有质轻（密度为0.928g/cm3）、优异的机械强度及表面性能，用于于制作汽车内饰件，具有美观、舒适、高强度等特点。 （3）塑料合金的需求增大 工程塑料具有良好的机械性能、综合力学性能，耐热、耐酸、寿命长、可靠性好，有的还具有良好的自润滑性等特点，是通用塑料无可比的。工程塑料通过共混改性可制备高性能的合金材料，用于制造汽车结构部件和动力部件，可以在满足强度等方面性能要求的同时，还可减少制品的厚度，以减轻制品重量和降低成本。另外还可通过工程塑料的共混改性改善工程塑料的加工性能，以利于制造大型的汽车部件，也可降低成本。 （4）扩展材料的通用性 为了有效合理地利用能源及原材料、降低汽车成本，不同类型汽车部件采用统一的几种材料类型，不仅可以扩大原料的生产规模，降低成本，还更有利于提高材料质量。同时也有利于废旧车的回收处理。 生物塑料材料的应用 由于汽车工业的迅猛发展，随之而来的是废品回收处理的问题，因此目前对汽车的环保性提出了更高的要求。生物塑料具有可降解性，是未来汽车用材料的一大发展方向。丰田汽车公司采用聚乳酸和洋麻的复合材料已研制开发了汽车轮胎罩和车垫，并打算到2015年逐渐将以往丰田汽车中的一些通用塑料部件全部采用生物制件代替，而且首先更换的是汽车内饰件。 随着汽车向轻量化、环保化方向的发展，塑料和复合材料研究的进一步深入，纳米技术在生产中的逐步应用，可以预料，在不久的将来，开发并使用全塑料汽车已不是梦想，一个塑料化的汽车工业时代即将到来。

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