国内汽车用塑胶材料及其制品的应用现状与发展趋势

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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, ... 随着现代汽车技术和国内汽车工业的蓬勃发展，汽车工业规模、市场需求日益增大和汽车类别、等级的多元化和个性化要求大幅度提升，各类别、车型等级汽车在国内汽车市场不断涌现。汽车用塑料和橡胶改性材料、复合材料及其制品的应用条件、使用范围和性能特征以及相关的制造工艺，都呈现了优异的适用性、可靠性和经济性等方面特长，被广泛的应用于各类别、各等级车型上。本文将简要地论述这方面问题，尤其突出分析和探索国内汽车用塑胶新材料、新工艺和新技术的研究、开发和研制的应用现状与发展趋势。 自2009年以来我国三年连续蝉联全球汽车产销量第一，成为世界汽车大国。但是国内汽车无论从当前整车设计、研发到配置、品质和性能等技术实力和掌控核心技术程度，到国内现行汽车零部件、汽车材料的产能条件及其研发潜能来看，还远没有达到世界汽车强国水平。更加值得注意的是本应该超前或同步发展的汽车零部件工业和汽车材料工业，多数企业在自主研发能力、核心竞争力、生产技术水平和产能装备条件等方面，还需要努力赶上。而且，在汽车设计、开发和研制过程中，合理的材料选择和采取先进技术的制造工艺，是保证高质量汽车产品及其零部件的关键。 近四十年来，塑料、橡胶（包括热塑性弹性体）及其改性材料和高分子树脂基复合材料（以下简称为：塑胶材料）是国内外现代汽车工业迅速发展的重要基础材料。在现代汽车发展史上，尤其在当前更加强调汽车“节能减排”、“安全性”、“轻量化”、“无害化”及提升汽车外观品质和综合性能等方面时，“以塑代钢”和高强度复合材料等轻量化举措起到了举足轻重的关键作用。近年来，国内汽车市场更加活跃，最明显是在我国东部沿海和经济发达区域对普通级、中级、中高级乘用车需求迅速地增长的形势下，国内各OEM都加快了构筑车型系列化设计、开发平台的步伐，研制和生产系列化多车型类别和不同等级车型配套，并高度重视优良品质、品位汽车及其零部件的自主正向设计和开发研制工作。 I 塑胶材料在现代汽车应用现状及发展中显示的问题 从国内汽车市场中可以看到的普遍现象，一般用户仅是从汽车造型特征、外观品质和新材料、新技术配置来认识、评价和选用新车型，而汽车的车身和内外饰配置往往是与顾客零距离接触的零部件，影响会更大。 1.1 汽车市场营销十分重视汽车外观品质和综合性能 从汽车营销角度来看，顾客在选购新车型时，往往遵循“七秒规则”。即是顾客对新车型的瞬时视觉、触觉、手感、气味和氛围等感觉来评价和选择汽车（见附表1所示）。说明汽车的造型特征和外观品质，包括汽车内外饰的品质、品位，与汽车配置和性能一样，在顾客选购汽车导向中同样具有举足轻重的作用。 1.2 现代汽车塑胶化面临的挑战 在上世纪八十年代后期，美国汽车用塑料已经达到每辆车109kg，约占整车重量的9.8％；日本为每辆车74.3kg，约占车重的6％；欧洲1989年为每辆车120kg，已达车重的11％；而目前德国车用塑料比例为世界最高，已达到每辆车260－280kg，约占车重15.6％。而我国在该领域虽然起步较晚，但是发展迅速，目前国内乘用车中塑料制品所占比例也超过10％，橡胶制品约占5%左右。我国汽车塑料件大概每辆在40－50kg（微型车）70～90kg(轿车、吉普车)，如切诺基和依维科车型分别达到103kg～151.5kg/辆（主要在前、后保险杠和车硬顶上使用了SMC和GMT等玻璃纤维增强复合材料）。 现代汽车及其零部件对结构配置、材料选择、制造工艺以及相应的外观品质、性能综合平衡等方面均提出了更高的要求。进入本世纪以来，在全球强化汽车安全性和节能减排、无害化、轻量化要求的现实中，越来越多的汽车零部件采用高分子塑胶改性材料及其复合材料。目前，在汽车塑胶化零部件范围，包括车身内饰件、外饰件、动力和底盘的结构件、电器附件、空调与暖风系统附件等五大类，塑胶制品品种多达1000～1600个以上。而且，在现代中高级轿车和高级轿车整车质量中，塑胶制品占15％～20％。 塑胶材料是属于高分子聚合物，可以通过改性技术和复合技术，或通过不同制造工艺技术，都可极大的提高汽车塑胶零部件的结构强度和相应的性能特征。各个汽车塑胶零部件因使用功能和工作条件不同，对塑胶材料及其制造工艺的要求是不一样。针对各种功能的零部件需要不同品质和性能的塑胶化材料及相关的制造工艺，也成为了现代汽车技术发展的必然趋势。低碳节能、绿色环保、安全可靠并具有个性、质优价廉等要求，成为了现代汽车塑胶化的重要挑战。 1.3 现代汽车对塑胶化提出综合性能平衡和优化的新要求 现代汽车是一个汇集现代科学技术结晶的车辆产品，造成使用在不同车型类别和车型等级以及不同环境条件下的汽车零部件功能特性差异，会直接影响使用塑胶材料的性能要求。同样汽车用塑胶制品的产品功能及其使用环境条件的不同，也会造成对同一种类或同一组分的塑胶材料，提出不同的性能要求或改性要求。随着现代汽车扩展车型种类和车型等级的细分，顾客对汽车外观品质、使用性能和配置要求的提升，同样的材质制成的汽车塑胶零部件，由于分布在汽车的不同部位、安装位置周围环境条件不一样，而赋予不同功能的零部件所注重不同的特殊特性（乘用车各部位受阳光照射影响的车厢内温度分布，详见表2所示），就需要选用不同配方、工艺和性能特征的材料和制造工艺。 通常，自汽车设计、开发到市场顾客需要，涉及塑胶材料及其制品的性能要求包括安全、环保性能、物理与化学性能和制造工艺性能等四方面。而且，要求上述四项内容综合性能平衡和优化。具体涉及范围包括： ①安全、环保性能要求 ：各国都十分重视汽车安全性法规的制订、发布和执行，除了正式发布以外，还十分注意材料中有害物资限量、气味（VOC）和可回收和再利用性，材料阻燃性和雾度等。 ②物理、化学性能要求：各种物理力学性能，耐热性、耐候性和低温抗冲击性，抗撕裂性和抗剥离性，隔热、减震、消音性，耐磨性和抗划性，耐化学药物性和抗霉菌等特性。 ③外观品质要求：指外观美感与车型设计风格、品位一致性，色彩、纹理和光泽特征格调及相互影响，色差控制规范，手感柔软度、舒适感，耐光、水、汗、磨擦色牢度和色彩与材料匹配性等。 ④ 制造工艺性能要求：流动系数和成型性，尺寸稳定性，可焊接性、可粘接性和可缝合性等。 II 各种类别、等级车型塑胶制品的差异性配置 由于各种车型的使用功能和车型等级不同，往往反映在相同的零部件，在外观品质、结构特征和综合性能特性等方面有明显的差异性要求，因而采用不同的材料配置与制造工艺来实现。 现代汽车中，车身内、外饰件的塑胶化程度为最高，而在汽车内外饰范围中，仪表板是最重要、最典型的汽车内装饰件集成模块。往往人们将汽车仪表板视为衡量、评价和集中反映各OEM或其设计、研发中心，在研发不同类别、各种等级新车型的设计、研发能力水平、艺术风格和制造、工艺、品质技术水准的重要标志物。而且，除了个别豪华级车型仪表板采用真皮外，大多数还是采用塑胶化材料。汽车仪表板的材料选用和制造工艺，引起国内外各有关部门和汽车顾客的高度重视。 2.1 各等级汽车塑胶制品的差异性配置 根据各种类别汽车的发动机排量、车身总长度和前/后车轴距离等主要技术特性，国内外通常将乘用车分等为若干等级。（分级规范详见表3所示）即： 1) A级及以下微型、小型乘用车； 2) A级普通级乘用车； 3) B级中级乘用车； 4) C级中高级乘用车； 5) D级及D级以上高级、豪华级乘用车。 2.2 各等级车型车身内饰件品质的差异性 汽车塑胶化零部件中最明显反映在汽车仪表板等重要内饰件，无论从结构配置、材料选择、制造工艺以及与外观品质、性能综合平衡等方面，随着车型类别和等级不同，有明显的差异。最值得注意的是各种等级车型的车身内饰件，随着等级不同选用差异化的外观品质和综合性能，具体可分为硬质、中硬或中软及软质等三大类。 III 国内各等级汽车仪表板的材料配置结构与制造工艺技术水平分析 汽车仪表板品质和性能，随着新车型的功能需要和车型等级的提升，已从原有单一的纯注塑件或金属、塑料、涂料组合的硬质件，发展成具有中硬质的吸塑蒙面复合材料薄板组合件，以及软质的喷塑、搪塑或吸塑等工艺加工成型的塑胶（含热塑性弹性体）蒙皮、夹附中软质/软质发泡层高级组合件等，形成多种结构形式和相应性能条件的仪表板模块。 3.1 硬质仪表板 1）单一注塑硬质仪表板 一般都是由同一品级塑料树脂改性材料以注塑成型方式制造而成，详见简图1所示。国内现行常用的塑料品级见表4所示。 2）（注塑+软漆喷涂）硬质仪表板 国内常用同一品级塑料树脂改性材料的注塑件上，喷涂相应的软漆，可以使车厢内制品的色彩统一性，提高内饰件的外观品质详见简图2所示。该结构内饰件常用的材料品级和组分见表5所示。 3.2 中硬/中软仪表板 1）（PVC/ABS吸塑表皮+中硬发泡+注塑骨架） 组合仪表板自上世纪九十年代中期到本世纪初期，国内应用PVC/ABS片材进行吸塑成型，而内饰件骨架是单一品级材料注射成型，中间以反应注塑成型(RIM)方式加入PU发泡予以粘结。该结构成型仪表板详见简图3所示。该高分子合金片材复合型内饰件组成结构和常用材料见表6所示。 2）（TPO吸塑表皮+中软发泡+注塑骨架） 复合片材仪表板（略，详见本论文第二部分所述） 3.3 软质仪表板 1）（PVC搪塑表皮+软发泡+注塑骨架） 组合仪表板该组合内饰件的组成结构由三层不同品级材料，以不同成型加工方法组合而成，其结构示意图见简图4所示。 本结构方式具有代表性车型仪表板见简图5所示。此组合成型结构的主要优点是厚薄均匀、尺寸稳定，内部无应力，不易开裂，耐老化性能优异，而且手感好，纹理清晰，接近天然皮革。但是，属于高温搪塑，搪塑的原料是使用粉料，依靠模具的高温使其融化，利用高速的滚动成型的。因而其模具设计、制造周期长并且造价昂贵，模具寿命短，工件加工成本高，而且PVC原料的环保问题在国内外使用有争议。因而，PVC搪塑组合内饰件使用范围不大。 PVC搪塑组合内饰件的常用材料组分与结构组成见表7所示。 2）（PU喷塑表皮+EPU中软发泡+注塑骨架）组合仪表板。 组合内饰件由等三层材料，分别以喷塑、反应注塑成型（RIM）和注塑等不同成型加工方法组合而成，其结构示意图见简图6所示。 本结构内饰件的聚氨酯喷塑蒙皮分为芳香族聚氨酯和脂肪族聚氨酯两类。芳香族的聚氨酯主要应用于欧洲，其项目投资和产品单价较低但表皮硬度较高，手感较硬，而且为抗紫外线和提高耐光色牢度，需要实行模内喷涂（IMC）。脂肪族的聚氨酯主要应用于北美，其表皮较软、手感好、韧性强，比较适应于用做中高档车的仪表板和其它主要内饰件的表皮材料。国内大多数引进技术和技术装备都是芳香族聚氨酯。聚氨酯两类的技术特性见简表8所示。 PU喷塑表皮采用了异氰酸酯单体和羟基化合物液体原料分别从两条管路进入喷头进行反应生成聚氨酯，其模具的温度一般在60℃左右，喷塑出的内饰件的PU表皮纹理清晰，具有良好的耐油性、韧性、耐磨性、耐老化性和粘合性。中间层半硬质PU泡沫的开孔性，因此它具有良好的回弹性，并能吸收50%—70%的冲击能量，安全性高，耐热，耐寒，坚固耐用，且手感好。 3.4 软质豪华仪表板 1）（PU 自结表皮+注塑骨架）仪表板 自结皮型聚氨酯具有软性聚氨酯高密度表皮层，（有清晰纹理）和低密度发泡的芯部组成的一体化板材，而且芯部是由不同密度、发泡呈梯度分布的中硬发泡层并且与表皮连成一体。 自结皮聚氨酯制品具有耐磨、图纹逼真、层次分明的外观品质，而且一次成型，生产效率高。但是工艺要求较高，产品质量难以控制、次品率高。简图7所示由自结皮聚氨酯制作的豪华级轿车仪表板。 2）（真皮表皮+软发泡+注塑骨架）仪表板。 目前，国外少数豪华级乘用车沿用传统汽车内饰件制作工艺，将真皮或仿皮人造革以手工/机制缝纫方法成为内饰件蒙皮，内部贴合聚氨酯软性发泡层和刚性骨架。 简图8所示真皮表面的豪华级轿车仪表板，其制品结构组成与常用材料配置见表9 所示。 3.5 各车型等级的内饰件品位配置 硬质、中硬或中软及软质等三类品位的内饰件，配置于汽车相对应的不同等级车型，赋予不同的外观品质和综合性能，具体对应关系见表10所示。 Ｉ推荐汽车用新材料、新技术——TPO片材吸塑组合内饰件 从本世纪以来中国汽车表现出迅猛发展速度的势态，同时具备年产近两千万辆汽车产能规模和能够进行各类车型及各种等级新车型的设计、研发能力，中国汽车市场呈现一派繁荣生机和巨大潜力，使这里成为世界上现代汽车竞争最为激烈的市场。然而，目前来说除了汽车产品的产销业绩和新车型设计、研发能力外，汽车零部件和汽车用材料工业的自主研发能力和技术水平，在这暴风骤雨的竞争场中，是首当其冲承担核心竞争力的最重要角色。可以预见，当国内汽车零部件和汽车用材料业扬眉吐气之日，才能说我国汽车业真正成为全球汽车强国。 近年来，国内汽车零部件和材料企业，在有识之士召集下，经过协调并构造上、下游企业之间的互动关系，发挥各自的研发和制造上优势，形成企业之间组成的动态开发“共同体”，经过数年共同努力，已经成功开发、研制的TPO，EPP复合片材及其汽车典型内饰件的新材料、新技术。 作者简介 汤瑞麟——1965年毕业于哈尔滨工业大学机械系，教授级高级工程师、高级咨询顾问。曾担任宁波华翔集团总工程师，上海同济同捷科技股份有限公司副总工程师兼任材料技术分院院长，海马汽车上海研发有限公司副总工程师等职务。近期来，主要负责具有自主知识产权的汽车外观设计与性能设计新技术模式的建立、推行和完善，以及各单位相关技术的分管工作。目前，仍然兼任国内部分OEM、汽车零部件公司、汽车材料公司的高级技术顾问。 １. 热塑性弹性体(TPE)简介 热塑性弹性体（Thermoplastic elastomers 缩写代号为TPE）是一种在常温下呈现为橡胶弹性,而在高温时则可塑化成型的多功能、节能减排的高分子新材料。其兼有塑料和橡胶双重特性，又可省去传统硫化橡胶加工时所需的复杂硫化设备和高能耗加工过程。TPE兼具软、硬、韧、弹和可塑性、可回收再利用性和优良物理、化学、环境适应性等综合特性，详见表1所示。 自上世纪七十年代以来，TPE已经被越来越多被广泛应用于汽车、建筑、家用电器、电线、电缆、电子产品、食品包装、医疗器材和等众多领域。 目前，国外TPE已经进入高增长、迅速发展的成熟期，全球每年各品种TPE的需求量达到200万吨以上。据不完全统计，在现行工业消费结构中：TPS约占42%；TPO占35%；TPU占8%；TPEE占5%和其他品种TPE占10%左右。 * TPE在现代汽车上广泛地使用 自上世纪八十年代以来，热塑性弹性体材料系列中TPO、TPV、TPU和TPEE等品种进入汽车工业以来，以其明显的品质和性能优势，大幅度替代各种传统的热固性橡胶和聚氯乙烯等材料。 热塑性弹性体(TPE)是指在常温下具有良好的硫化橡胶的性质（即弹性），在高温下又具备热塑性工程塑料的熔体流动性与重复使用性，可以塑化变形且仍保持其橡胶状的弹性不变的高分子材料。它又可直接采用塑料的传统加工手段，进行注塑成型、挤出成型、吹塑成型和压延成型等较传统硫化橡胶更为快速的加工方式制造成品。而且具有质量轻（密度低）、环保（可回收、燃烧无毒）、使用寿命长（可较传统橡胶达5～10倍以上）、加工变化度大、制品总成本低等优点。 近年来，国内随着汽车工业迅猛的增长，TPE（以TPV、TPO和TPS为主）已经形成以汽车为中心的应用市场，形成保持年均15%～20%的高速增长势头。TPE被大量应用于汽车车身、内外饰、结构件和特种用途上（详见表2所示），TPE市场份额不断扩大。新世纪以来，我国TPE应用市场发展迅速，成为全球TPE需求增长最快的国家之一。 图3所示汽车工业现行常用TPE作为车身附件的具体情况。 * TPO，EPP复合片材结构特征 自上世纪九十年代后期国外在中级、中高级乘用车上，早开始广泛采用TPO，EPP复合片材吸塑成型新材料、新工艺。该项新材料、新技术的具体工艺特征是：将经改性的TPO挤出、压延片材，辊压或模压表面纹理，PP发泡形成EPP片材，TPO与EPP两片材热烫形成复合片材，该复合片材应用阳模或者阴模真空吸塑工艺成型，后背贴合在已经注塑成型的骨架上，组合而成各种汽车中硬或中软表面的内饰件。 * 新技术制造工艺流程 TPO，EPP复合片材及吸塑成型简易工艺流程见图4所示： * 新技术在汽车内饰中使用范围 TPO片材与TPO，EPP复合片材及吸塑成型新材料、新技术，在现代汽车的内饰件上得到广泛的应用。主要用于： 1) 仪表板； 2) 副仪表板模块； 3) 门护板； 4) 方向盘表皮； 5) A、B、C立柱； 6) 扶手； 7) 侧围板； 8) 其他。 * 工艺特征 1) 阳模吸塑成型工艺 阳模真空吸塑工艺是直接使用辊压纹理的TPO片材或将热烫后TPO，EPP复合片材，进行真空吸塑成型，属于模具和设备投资和产成品单价都比较低廉的成型技术。但是，由于该技术工艺特征造成制品表面纹理不够清晰、深刻，而且受造型分型和过渡圆角以及局部拉伸的影响，会造成过渡部分的纹理变形等疵品。 2） 阴模吸塑成型工艺 阴模真空吸塑工艺是采用两面平整的TPO片材或未经过压花的TPO，EPP复合片材，直接进入真空吸塑成型，然后在模腔内热模压纹理表面。阴模吸塑成型制品的外观效果比阳模吸塑工艺制品良好，其边角贴合好、纹理深刻而清晰。但是，热模压成型加工时间较长，其模具和设备投资和产成品单价都较高。 该两种吸塑成型的简图及其各项因素比较，详见表3所示。 * 特殊特性分析和比对 TPO，EPP复合片材及其吸塑成型新材料、新技术，与第3节所述的各种汽车内饰件的制造工艺及其制品进行综合比对，可以明显的看出该新材料、新技术的优异特性，现从制造工艺和产成品特殊特性两方面进行初步比较： 1) 工艺方面的特殊特性： > 设备投资、研发成本低； > 生产效率高、价格低； > 良好的表面品质； > 最小角 R1.5mm； > 生产效率高； > 可全部回收利用； > 优异的制造工艺性：可挤压、压延、阳模/阴模吸塑成型并轧制清晰纹理表面。 2) 产品特殊特性： > 优良的耐热性； > 合适的弹性、硬度、密度； > 优良的耐热老化性； > 优异的耐低温冲击性； > 优异的耐光性； > 优良的耐化学药物性； > 低雾度； > 耐臭氧老化性； > 良好的VOC效果； > 密度低、重量轻，是较好的轻量化材料。 * 国内外使用状况 欧美汽车工业在上世纪九十年代起，早在中级、中高级乘用车上，开始采用TPO片材及吸塑成型新材料、新技术。本世纪起，随着人们认识聚丙烯发泡（EPP）的质量轻、成本低、无毒性、导热率小、比强度高、隔音、能吸收大量冲击能量等良好的物理机械性能及100％可回收再利用性等优越特性，并且突破了结晶PP的发泡温度范围窄，发泡难度大的关键技术后，国外汽车包括日韩体系汽车加快了应用该新材料、新技术的步伐。 国内，该项新材料、新技术虽然起步较晚，但是已经看到新材料、新技术强劲的生命力，将会有力地推动我国开发中级、中高级轿车、SUV、MPV和各种乘用车的事业发展，迅速提升我国汽车外观品质和综合性能水平。 II 综合技术经济分析 表4汇集了国内外现行中级、中高级乘用车具有中软品质的内饰件，对其材料配置及其制造工艺进行综合的技术经济分析： III 结论 在我国汽车业飞速发展和自主品牌车型加快正向设计、研发工程的年代，市场和顾客越来越重视汽车外观品质和综合性能，追求个性化要求和最佳性价比。汽车配置和车身内外饰件往往首当其冲，而汽车仪表板是内饰件中最具有代表性的典型零部件。各OEM和汽车研发中心应根据我们国情实际情况出发，从造型特征、结构配置、材料选用、制造工艺以及与外观品质、性能综合平衡等多方面系统考虑，来设计、开发和研制各种类别、等级新车型是十分必要的。 本文汇集、和研究国内外现代汽车工业和各种类别、等级新车型开发研制的现实，进行客观而理性的分析，并且提出采用新材料、新工艺和新技术的发展趋势。其中重点推荐了复合片材及其吸塑成型新材料、新技术，以及采用该项新技术成型的中软性组合内饰件，由于其优良的外观品质和重量、低温耐冲击性、回收再利用、低VOC环保、较低投资和产品价格合理等方面综合性能优越，适用于中级、中高级乘用车内饰件，属于优异的汽车新材料和新技术而应用日益广泛。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/6/2012)