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车用聚丙烯材料性能分析与典型应用 |
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作者：北汽福田汽车工程研究总院 尚红波 |
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塑料是乘用类汽车常用的非金属材料之一，在中级轿车，塑料的用量已经占到整车质量的12%到15%。在车用塑料中，聚丙烯是发展最快，应用比例最大，使用频次最高的塑料之一。以某款主流中级轿车拆解手册数据为例，聚丙烯类材料约占整车塑料选用频次的29%，如图1所示；聚丙烯类材料约占整车塑料用量比例的48%，如图2所示。 
图1 某中级车塑料使用频次百分比 / 图2 某中级车塑料重量百分比
因此，进行聚丙烯类材料性能分析及典型应用案例研究，对汽车零部件原材料开发具有现实意义
聚丙烯材料性能分析与典型应用
聚丙烯（PP）树脂是由丙烯单体聚合而成的非极性的结晶类塑料。PP具有价格低廉、密度较小、容易加工和重复利用等优点；但PP具有成型收缩率大、低温脆性大、易老化等缺点。所以，通常采用物理或化学改性技术，添加滑石粉填充物、玻纤等增强材料、抗光/热氧老化剂等助剂，提高聚丙烯材料的综合性能，以满足汽车部件性能要求。
汽车用聚丙烯材料种类、特点及典型部件
汽车上除少量部件采用纯PP树脂加工外，大部分部件皆采用改性PP材料进行加工。北汽福田车型选材推荐部件，如表1所示。表1 乘用车用聚丙烯材料及典型应用部件
 传统改性聚丙烯主要用于汽车大部件有保险杠、仪表板护板、门板、立柱等部件，长玻纤聚丙烯主要用在大部件汽车前端模块、仪表板骨架。这几个大部件PP用量，约占全车PP用量的一半，因此材料性能要求具有代表性。
下面，仅结合乘用车几个代表大型部件，从改性聚丙烯材料在相关部件的应用现状及发展趋势进行阐述。
PP EPDM-TD类材料在保险杠外饰件的应用分析
针对前后保险杠本体（见图3、图4）的改性聚丙烯材料，行业已进行了大量的研究，改性PP保险杠具有成本低、质量轻、易涂装、可循环使用等优点。目前，北汽福田乘用车保险杠本体选材，主要采用PP EPDM-TD10或PP EPDM-TD20两种改性聚丙烯材料。通过添加10-20份的滑石粉，即可保证材料收缩率和部件尺寸稳定；通过EPDM或POE弹性体增韧，又可保证部件有良好的低温冲击性。 
图3 前保险杠本体 / 图4 後保险杠本体
随着汽车轻量化的关注度日益提升，轻量化设计对塑料材料应用提出了大量的新要求。保险杠可通过设计壁厚减薄而降重，这样对熔融指数要求越来越高、对材料强度要求也提高；随着降低成本压力、环保要求日益严峻，免喷涂保险杠应运而生，这对改性聚丙烯材料表面质量，如耐划伤性，等提出更高的要求。
改性PP在内饰件上的应用分析
汽车内饰件采用改性PP材料制作的大部件有仪表板、门板、立柱饰板等部件，见图5到图7。针对仪表板本体及下护板、门板本体、立柱饰板等部件用改性聚丙烯材料，行业已进行了大量的研究。我司新车型开发中，部件选材更多地结合车型定位、成本、法规、性能等综合因素而定。比如，A级车（入门级乘用车）、B级车（中级乘用车），由于目标客户及整车成本压力、轻量化要求等，对零部件用材选材存在一定的差异。
图5 硬质仪表板 / 图6 门板 / 图7 立柱
A级乘用类车型注重内饰件的经济性，比如：一般多采用硬质仪表板、硬质门板、硬质立柱，其表面一般没有或有很少采用面料或皮革进行装饰。因此，塑料件的耐热氧老化、耐光老化、耐刮擦性、抗白痕性、抗发粘性等性能，基本由改性PP塑料粒子相关性能决定。以硬质仪表板选材为例，材料以PP EPDM-TD20为主；力学性能方面，关注高模量高刚性高抗冲性；关键力学指标：拉伸强度≧20MPa，模量≧1800MPa，缺口冲击≧20kJ/m2。以门板本体和立柱饰板选材为例，材料一般为PP EPDM-TD20；高刚性中等模量中等冲击性能，关键力学指标：拉伸强度≧20MPa，模量≧1400MPa，缺口冲击≧10kJ/m2。
B级乘用类车型注重内饰件的装饰性，因此在仪表板骨架、门板、立柱饰板表面多加上面料或皮革装饰件。同时，总成性能的提升，需要（力学等）性能更加优越的材料；随着轻量化要求，部件轻量化设计需要更加轻质的材料。比如：软质仪表板骨架选材，材料则以PP-LGF20为主；主要力学性能突出高模量高刚性，关键力学指标：拉伸强度≧40MPa，模量≧4000MPa，缺口冲击≧10kJ/m2。以门板本体或立柱饰板选材，主选材料则为PP/PE-TD16，或者PP/PE合金（根据需要可加入5-8份的滑石粉，以调节材料收缩率）。
随着对车内空气质量要求的提高，对车内塑料饰件散发特性也越来越严。内饰件散发特性包括气味性、甲醛含量、冷凝组分、总碳含量。目前，汽车厂对改性粒子管控，主要参照德系VDA标准：比如气味≦3级，甲醛≦10g/kg，冷凝组分≦2mg，总碳含量≦50μgC/g。在项目中，我们曾遇到改性PP粒子气味检测性合格，但塑料件气味性超标的案例。经过产业链跟踪分析，发现在注塑时，一方面喷了过量的脱模剂引入杂味，另一方面注塑温度过高，导致材料部分分解产生异味；最终出现改性PP粒子气味性合格，但最终塑料件气味不合格的情况。
因此，要彻底解决塑料件的气味性，往往需要汽车厂、零部件企业、原材料商三方共同努力。
除散发特性之外，塑料件的耐热氧老化、耐光氧老化、耐刮擦性、抗白痕性、抗发粘性等都属于材料认可时重点关注项目。比如，在汽车厂材料实验，针对PP进行的150℃耐热氧老化测试，更多地是评价材料本身在长期使用条件下的可靠性。这需要在改性聚丙烯材料配方设计和加工过程前，充分考虑最终制品性能要求。
PP-LGF在前端模块上等部件的应用分析
对PP-LGF（长玻纤增强聚丙烯）材料的研究与应用，是近年来的热点之一。PP-LGF材料中，玻璃纤维长度一般可达15 mm到30 mm，形成三维交叉结构。结构决定性能，因此PP-LGF相比普通4-7 mm短玻纤材料具有更高的强度、刚性、韧性等优势。
对于汽车前端模块，采用PP-LGF30材料，可将散热器、喇叭、冷凝器、托架等前端部件组合成一个整体；相比金属件耐腐蚀、密度小、重量轻，减重约30%；相比玻纤尼龙，有明显的成本优势。
随着汽车轻量化的研究与应用，“以塑代钢”、“以轻代重”都给PP-LGF材料提供了广阔的发展空间。比如，李菁华等人研究了PP-LGF取代金属制造脚踏板的可行性；杨宇威研究了PP-LGF取代PA66-GF30制造车门拉手底座的可行性，以及取代PBT-GF30制造雾灯壳体的可行性；李志虎等人研究了PP-LGF取代PA-GF在换挡机构的应用研究。其它汽车部件，比如车门板集成模块、车顶窗框架／压条、保险杠、汽车行李架、汽车蓄电池外壳／托架、轿车座椅骨架、齿轮箱外壳、汽车外饰镜框架、汽车雨刷器支架等，都可选用PP-LGF材料代替金属和尼龙材料。
结论
1. 改性聚丙烯根据汽车部件性能要求，可分为增韧类、矿物填充类、玻纤增强类、聚丙烯/聚乙烯合金等；
2. 汽车塑料件的关注要点，可转化成改性聚丙烯材料特征。需结合配方设计、加工工艺、后处理工艺等综合考虑，来满足汽车塑料件性能要求；
3. 随着对乘用车空气质量要求的提高，低气味聚丙烯类内饰材料的开发与应用是今后重点发展方向之一；
4. 随着汽车轻量化，改性聚丙烯材料将进一步拓展应用，长玻纤增强聚丙烯代替金属、玻纤尼龙材料具有明显的减重降本优势。(end)
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(7/11/2014) |
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