改性塑料在汽车零部件中的应用

guizishou

随着国民经济的日益发展，对汽车的使用提出了更高的要求，如节能、环保、安全、美观、高速以及乘座的舒适，要达到这些要求，加速汽车零部件的塑料化是一个明智之举。我国的汽车工业近十年来有了很大的发展，塑料用量也十分可观。据统计，2000年我国汽车用塑料为40万t（含20%社会车维修量），预计到2010年将达到72万t。这个数字与发达国家尚有较大的差距，所以说我国塑料在汽车中的应用量将有巨大的空间和潜力。本文对轿车中主要零部件工程塑料合金的品种性能、用量等加以叙述。



1.内饰件



汽车乘员室内饰件所用塑料占整车塑料用量的56%。以往的汽车内饰件应用较多的有PVC、ABS、PUR等。目前，在仪表板、内护板、座椅中，PVC已被其它塑料所取代；门内手柄、杂物箱、门槛饰条及其它零件，已逐渐使用改性PP、ABS、SMC及塑料合金等。美国GM公司已宣布，自2004年开始，所有新车型的内护板都用其它塑料替代PVC。



1.1仪表板



目前使用的仪表板可分为硬质仪表板和软质仪表板两种。一般情况下，软质仪表板适用于中、高档轿车；而硬质仪表板多用于大客车、载货车和低档车。仪表板用改性PP的主要成份是PP橡胶类增韧剂、无机填充料，这些材料的价格低，综合性能良好，在汽车上的用量很大，尤其在卡车，货车和小型面包车上得到广泛应用。仪表板用表皮材料目前以PVC/ABS为主，PVC具有良好的化学稳定性、阻燃性、电性能，其不足之处是耐冲击性能和耐热性差。而ABS有良好的机械性能、优良的成型加工性，以及与PVC有良好的兼容性，所以把两者组合成合金后取长补短，使其有较宽的适用范围。同时PVC/ABS仪表板的表面无须处理就可以直接涂敷，具有其它塑料无可比拟的良好涂装性和覆盖性。



仪表板用表皮材料PVC/ABS的技术指标。



为了便于回收利用，正在发展用TPO（热塑性聚烯烃）为表皮和改性PP骨架及PP发泡材料为软垫层等三层构成仪表板。PP仪表板是近年来开发的新型汽车仪表板，为了提高弯曲强度和弯曲模量，一般要添加无机填充剂，以滑石粉效果为好。但是PP是非极性材料，具有疏水性，与无机填充剂的结合力很差，所以尚要加入偶联剂。另外，PP制仪表板的涂装性较困难。



1.2门内板（门护板）



目前门内板的材料也已多样化，如德国Audi公司TT车的门内板已采用Bayer公司专门为其研制的2443ABS料。此材料有良好的流动性，在注射成型中不易产生质量问题，在加工形状复杂的流线型门内板时，可将各种凹凸槽整体注射成型，使美观与功能化融为一体。



目前制造门内板的常用塑料是改性ABS、PP制成骨架，表面复以针织涤纶并带TPU（热塑性聚氨酯）或PP发泡的缓冲层，使之有良好的手感，并且有刚性。某些汽车制造商用SMC片材作骨架，用针织涤纶作为面层，中间衬以RIMPU（反应注射聚氨酯）作缓冲垫。它不仅有一定刚性，并有良好的手感，已用于雪佛兰的Corvette和通用汽车的Saturn。用SMC制的面板、骨架层费用比钢制产品便宜，比钢制内护板减重45%。有的门内板采用50%天然纤维和50%PP热压而成，使车门减重，成本下降，隔音性能改进。长纤维（20mm）提高了门内板的强度，发生侧面碰撞时，这种材料会自行粉碎，而不产生碎片，有利于保护乘员的安全。此外从现有的生产线转向SMC生产线也不需做很大的变更，且表面质量可与钢制产品媲美，且抗腐蚀性、抗蹭刮性优于钢铁。此外欧洲的Strandex Europe有限公司正在使用木塑复合材料制造面板，这样材料中的大部分可以循环使用。目前此种材料已发展到制作轿车内饰件，如门内板、车顶棚材料。这对降低重量、减少成本无疑是一件好事。



2.外饰件



2.1轿车车身材料和覆盖件



汽车轻量化的关键在于汽车车身，用塑料制作车身覆盖件可以一次成型，不需要进行后处理和机械加工，可降低成本。塑料车身覆盖件表面光滑、尺寸精确、质量稳定、NVH（噪声、振动、冲击）指标也比金属覆盖件小，所以已越来越多地应用于顶盖、发动机罩、行李仓盖及后门的制造。Ford公司在1995年和1998年先后设计制造了两套完全不同的模具，用以生产SMC发动机罩、顶盖板和前防护板，其制品比钢制发动机罩减重35%。



Diamler-Chrysler公司的新型Smart微型轿车所用可变换颜色的车体面板，为GE公司的Xenoy



PC/PBT合金。非结晶的PC保证了面板的抗冲击性和韧性、高结晶的PBT提高了面板的耐腐蚀性、抗紫外线性能和高温(190℃)条件下的尺寸稳定性，制成的面板外观光滑、色泽耐久，比金属面板减重50%，降低了油耗。面板的颜色多达7种，可省去汽车生产过程中的喷漆涂装工序。



GE公司的金属/塑料（ABS/PC）（也可用增强尼龙树脂）复合材料也被广泛用来制造各种汽车车身的覆盖件。制造方法是将冲压好的薄钢板（0.5mm）放进模具后，将玻纤增强PA树脂（2.5mm）浇注在两层钢板之间及周围，把两片钢板牢固地连在一起。



2.2汽车底盘用塑料件



汽车底盘件大多承受较大的负荷，不易塑料化。目前塑料件仅限于汽车转向制动、传动悬挂系统中，大部分用在需要耐磨的运动件上，零件不大。但对材料要求具有高强度、耐磨擦性好，多用改性POM、PBT等材料制造。汽车底盘材料详见表5所示。

3.功能件和动力系统塑料件



3.1保险杠



保险杠是轿车的主要塑料件之一，用塑料制造保险杠既可以塑造时代美感，且又不失功能化的造型。而且从强度上考虑，金属在受到轻微的碰撞后，会在金属表面留下痕迹，而塑料的耐刮磳性优于金属。目前世界范围内约有92%的保险杠是用高分子材料制成的。塑料保险杠是由3层组成，面板材料用PP、PC/ABS、PC/PBT，骨架材料可以是木材、金属，中间为PP发泡材料或PU发泡材料。就发展趋势来看，此类材料不利于回收利用，对环境友好不利，所以近年来国外有人提出用TPO来制造汽车保险杠面板，用玻纤增强PP做骨架，再用发泡PP做中间缓冲层。这些都是同一族的材料，在回收循环使用前，只要清洁和干燥处理，就可以按一定比例与新料混和来制造保险杠，所以这是保险杠材料的发展趋势。



目前，国外中高档轿车的保险杠已采用PC/PBT合金制造，因为此材料不仅机械性能高，特别是冲击强度比PP制保险杠高出许多。如GE公司的Xenoy-XT适合于制作汽车保险杠。它不仅能承受碰撞，保险杠与车体组装后一起涂装（以使保险杠与车体保持同一色泽）时，能耐155℃/30min的烘烤干燥。拜耳公司、巴斯夫公司也都有用于保险杠的品种。巴斯夫的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。此外还有热塑性弹性体TPE，它在常温下具有橡胶特性，在高温下能塑化成型，用通用的塑料机械可以加工成各种零件。



用PP制保险杠普遍采用注塑成型工艺，主要优点是可以成型形状较复杂的零件，生产效率高，工艺简单。国产轿车PP专用料的技术指标详见表6所示。表7是国外PP保险杠专用料指标。



3.2燃油箱



美国环保局实施新的空气质量标准，要求全车（不仅仅是燃油箱）在密封箱蒸发条件下测定24h内烃类化合物的排放量不得超过2g。在1999年美国生产的新车都必须符合这一燃油蒸气排放标准。



塑料燃油箱在欧洲的普及较高。1997年已达70%，到2000年将上升到85%，亚洲也有不同程度的应用。国外也有单层共混型技术，它是将阻隔型材料如PA、粘合剂、与基体树脂（HDPE类）按一定比例混合后吹塑成型。也可将上述混合料经共混造粒后再吹塑成型，但是此种方法由于多相体系高分子材料的兼容性差，吹塑中形成熔接线等问题，所以目前国外汽车公司以采用多层共挤吹塑为主，这也是轿车燃油箱的发展趋势。



轿车燃油箱所用之原料，各汽车制造商都有自己的标准。超高分子量高密度聚乙烯(HM-WHDPE)的分子量在2.5×106才可适用于制造燃油箱，相对质量分子愈大，冲击强度也愈大，密度愈大，刚性及防止汽油的渗漏性也可以提高。单纯用HMWHDPE来制作燃油箱，其燃油透过率无法达到规定标准，所以在中间必须采用阻隔性能优良的EVOH树脂或共聚PA。一些国家燃油箱用树脂的主要性能指标。汽车燃油箱用HDPE性能和汽车燃油箱用HMWHDPE的牌号及性能。轿车燃油箱用阻隔材料EVOH的性能。



由于HMWHDPE与PA或EVOH的粘结性差，因而要选择对2种树脂具有亲和性的粘合剂。



近年来，我国已开发出用于汽油燃油箱的树脂并已生产出6层共挤出塑料燃油箱，供轿车使用。复合塑料油箱用粘合树脂的性能。复合塑料燃油箱用料实例。具有阻隔功能塑料合金的性能。近年来我国已开发出用于汽车燃油箱的树脂。中国塑料燃油箱材料与国外同类产品的性能比较。



3.3发动机进气歧管(Air Intake Manufold)



轿车用进气歧管（AIM）由于它的形状极其复杂，用一次注塑成型有很大难度。从上世纪80年代开始，欧洲采用失芯制造法(core melt)，其基本工艺是用低熔点合金（一般用锡铋合金，熔点180℃左右），先制成AIM的型芯，放在模腔内经注塑成型，冷却脱模，把注塑件放入油浴，将型芯熔化（回收再用），制成AIM。这样制成的AIM，不仅成本高，而且废品也高，因为AIM材料PA66（33%GF增强）的加工温度为250～270℃。在模腔内虽然与低熔点的型芯接触仅几分钟，但也不可避免会熔化部分型芯，尤其在棱和尖角处更甚，所以使AIM的尺寸难以控制。



近年来由于振动焊接技术的发展，对于大尺寸的玻纤增强PA66制品的焊接技术日趋成熟，为此，AIM的生产工艺采用先注塑成2～3片的AIM零件，经振动焊接成为一体。目前世界上多数汽车生产商用此法来生产AIM，使钢制AIM塑料化。凯迪拉克 4.6L Northstar V8发动机和克莱斯勒公司的2.0L单凹轮轴发机均采用了杜邦公司开发的玻纤增强PA制造的AIM。表16是美国一公司AIM用PA66性能。



因为发动机周边的零件要承受220℃的高温，但仍要保持高强度和高模量，而在东北行驶，必须承受-40℃的严寒，面对此PA66已不再是最优秀的材料。近年荷兰某公司推出了新的制造歧管用尼龙品种Stanyl和Akulon，其各种性能均优于GF33%PA66。对于歧管型芯的耐温问题日前也已得到解决，在浇铸成的锡铋合金型芯外壁涂上一层碳粉，即可解决它的短期耐250～270℃高温的问题。



3.4离合器执行系统的新材料



离合器执行系统长时间在高温状态下工作，而且又暴露在压力油润滑剂中。以前主动缸和从动缸组件都使用金属。近年来，美国（Automotive products）公司向汽车制造商提供用塑料制造的离合器执行系统，该商品的商标为CSC，是由50%长纤维增强的黑色尼龙LFRT。50%的长纤维使得热膨胀系数几乎与金属相同。其比模量超过铝合金，纤维分布均匀，尺寸稳定性好，收缩率约为0.2%～0.1%。室温下的抗拉强度几乎达到50000 1b/ft2，在149℃下抗拉强度仍有200001b/ft2。由于通过注塑成型生产结构复杂的零件，与铸铝件比，节约了成本。该公司所用的纤维有不锈钢纤维、玻璃纤维、芳酰胺纤维，也有其它的强化纤维。各种纤维有各自的长处，可用于不同场合，如不锈钢纤维可用于抗静电场合或电磁干扰（射电干扰）屏蔽，碳纤维或芳酰胺纤维可以将密度降得比玻纤更低，也有用复合纤维来增强PA的，纤维的长度一般在10～15mm，直径在0.7～0.8μm左右。



3.5汽车油管用PA11



PA11是优良的汽车油路系统的用材。其次PA11也可广泛应用于制造汽车的其它零件。

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看来这个市场还是蛮大的哇