三組請為汽車煙灰缸的生產(chǎn)選擇合適的高分子材料課件

1、汽車內(nèi)六種部位塑料材料的分析、選擇、改性 項目12 第1頁，共48頁。項目12的六組任務第一組：請為汽車方向盤的生產(chǎn)選擇合適的高分子材料；第二組：請為汽車儀表蓋板的生產(chǎn)選擇合適的高分子材料；第三組：請為汽車煙灰缸的生產(chǎn)選擇合適的高分子材料；第四組：請為汽車暖風機葉輪的生產(chǎn)選擇合適的高分子材料；第五組：請為汽車座墊、靠墊的生產(chǎn)選擇合適的高分子材料；第六組：請為汽車車門內(nèi)填料的生產(chǎn)選擇合適的高分子材料。第2頁，共48頁。教學目的通過對項目12 所涉及到汽車內(nèi)六種部位材料的分析、選擇、改性的整個實施過程，使學生進一步了解并掌握完成一個完整項目的每個細節(jié)，初步形成實施每個細節(jié)過程的能力，最終達到根據(jù)產(chǎn)

2、品需要對高分子材料進行合理分析、合理選擇、合理改性的總能力；進而結(jié)合學生所選擇出來的材料從理論上歸納、總結(jié)與高分子物理的研究對象直接相關的結(jié)構(gòu)與性能的關系；同時在完成項目過程中對課程整體方案所規(guī)定的拓展能力進行初步的鍛煉。第3頁，共48頁。能力（技能）目標能根據(jù)汽車內(nèi)六種部位材料的不同用途要求，合理的選擇高分子材料；并能合理的分析所選擇材料的結(jié)構(gòu)、性能；如果不能直接選擇到合適材料時，能 提出合理的改進意見與方案。第4頁，共48頁。知識目標被選用的高分子材料的主要結(jié)構(gòu)特征、主要性能及應用范圍。其中第 12個項目重點學習、理解、應用高分子材料的結(jié)構(gòu)層次、化學組成、連接方式、幾何構(gòu)型、柔性知識、復合

3、、彈性、韌性知識。第5頁，共48頁。素質(zhì)目標初步建立良好的學習方法；資料收集的方法；處理問題的方法；團隊合作的意識；用戶至上的意識；安全環(huán)保意識；表述與合理辯解能力。第6頁，共48頁。參考資料潘文群, 高分子材料分析與測試. 化學工業(yè)出版社 2005；戚亞光, 高分子材料改性.化學工業(yè)出版社 ,2005；聶垣凱,橡膠材料與配方, 化學工業(yè)出版社, 2004；王文廣 , 塑料材料的選用.化學工業(yè)出版社, 2002；高俊剛, 高分子材料.化學工業(yè)出版社, 2002；桑永, 塑料材料與配方.化學工業(yè)出版社, 2001第7頁，共48頁。一、有關內(nèi)容汽車這種現(xiàn)代化的交通工具，目前面臨著污染、安全及節(jié)能三

4、大問題，選用輕質(zhì)的塑料材料可有助于解決安全和節(jié)能兩方面問題。用可吸收沖擊能量的彈性體和發(fā)泡塑料制造保險杠、儀表盤、座椅、頭枕等制品，在發(fā)生交通事故時，可減輕對人體的傷害，提高汽車的安全系數(shù)。用密度僅為鋼材 1/8 的塑料材料制造汽車制品，可有效地降低汽車的自重，從而達到節(jié)能的目的。第8頁，共48頁。目前，世界各國大都立法規(guī)定汽車的最低耗油指標；以美國為例，其汽車耗油指標從 1978 年的 7km/L 上升到現(xiàn)在的 11km/L；而日本則達到 l2km/L。汽車的能耗絕大部分消耗在汽車行駛時克服空氣阻力和輪胎滾動阻力上，空氣阻力可通過改進汽車流線造型來降低，輪胎滾動阻力則要靠減輕汽車自重來降低。

5、例如，1600kg 自重的汽車耗油為 10km/L，如自重降低為 800kg，其耗油則降低為 21km/L，節(jié)能幅度高達 110%，可見節(jié)能效果是多么明顯。目前，各汽車制造商都在逐步增加塑料材料在汽車上的使用量；美國 1980 年汽車用塑料僅為 6%，到 2000 年則可達到 30%以上。我國汽車塑料化也進展很快，目前桑塔那轎車的自重已降為 991kg 以下，接近世界先進水平。第9頁，共48頁。幾種汽車制品用塑料材料后的輕量化情況配件名稱 原質(zhì)量/kg 塑料質(zhì)量/kg 減輕質(zhì)量/kg 輕量化率，%空碉器支架 3.18 0.91 2.27 71盤式制動器活塞 0.82 0.41 0.41 50發(fā)

6、動機蓋 16.34 12.26 4.1 25后門 20.88 12.71 8.17 39座椅架(2 座) 22.7 11.35 11.35 50燃料箱 22.7 18.16 4.54 20輪胎(4 只) 54.48 40.86 13.62 25驅(qū)動軸 10.22 4.31 5.9 58葉片彈簧 12.71 2.04 10.67 84門梁 7.72 3.18 4.54 59車身 209.29 94.43 114.86 55車架 128.48 93.98 34.5 27車門(4 扇) 70.82 27.69 43.13 61前后保險杠 55.84 9.98 35.87 64車頭 43.58 13.

7、17 31.42 70車輪(4 只) 41.77 22.25 19.52 47 721.53 377.69 344 47.7第10頁，共48頁。用塑料材料制造汽車制品的優(yōu)點如下減輕重量，達到節(jié)能的目的；塑料材料可有效地吸收沖擊能量和震動能量，減少汽車在撞擊時對人體的損傷，提高汽車的安全系數(shù)；提高汽車的功能性，如用塑料材料制造的保險杠，對吸收沖擊能大有改善，用塑料制造的燃油箱，提高了抗腐蝕性，降低了火災爆炸可能性；成型加工容易，以燃油箱為例，用金屬材料制造，需要 20 到工序，而用塑料材料制造，則只用 1道工序即可。不過，用塑料材料制造汽車制品也有其自身的缺點，具體有成本高出鋼材2 3 倍、耐熱

8、性差及強度低等。汽車輕量化除可用塑料材料外，還可用高強度鋼、鋁合金、鎂合金及精密陶瓷等，但其使用量遠遠落后與塑料材料。第11頁，共48頁。二、汽車制品中常用塑料的選材塑料汽車制品又稱為汽車配件，一般可分為三類即內(nèi)飾件、外飾件和功能結(jié)構(gòu)件。其中內(nèi)外飾件對所用塑料材料的性能要求不高，可用普通的塑料材料即可，而結(jié)構(gòu)件對所用塑料材料的性能要求則高，常用優(yōu)質(zhì)工程塑料或其合金。(1)內(nèi)飾件 內(nèi)飾件指轎車內(nèi)部的裝飾部件，具體名稱及所用材料見下表所示。第12頁，共48頁。汽車常用的內(nèi)飾件及所選材料內(nèi)飾件 主要原料 要求性能 可代替材料方向盤 PP、PU、HDPE等 耐熱、手感好 熱塑性彈性體儀表板 金屬骨架半

9、硬發(fā)泡 PUABS 耐光、抗沖擊 冷硫化 PU、SMA、 或PVC、皮、ABS、ABS/PVC PC/ABS 等 PPO/ABS、增強PP 等儀表板芯 ABS 強度、涂漆性 增強PP儀表蓋板 ABS 尺寸穩(wěn)定、耐熱 增強PP雜物箱 PP 鉸鏈特性煙灰缸 PF 耐熱 GFPBT儀表板底架 PP 價格低車門內(nèi)手柄 ABS、PVC 皮PUPE 韌性好 熱塑性PU座墊、靠墊 軟發(fā)泡PU 回彈性高、柔軟頭枕芯 半硬發(fā)泡PU 柔軟曖風機殼 ABS、增強PP 耐熱、強度曖風機葉輪 POM 強度第13頁，共48頁。汽車常用的內(nèi)飾件及所選材料內(nèi)飾件 主要原料 要求性能 可代替材料 表皮 PVC革 柔軟、耐寒車門

10、內(nèi)飾板 填料 發(fā)泡PU 隔熱、隔音 發(fā)泡PE及PS 芯材 硬紙板 價格低 PP廢紙 表皮 PVC膜或壁紙 柔軟、耐寒 布車頂棚襯里 填料 發(fā)泡PU 隔熱、隔音 發(fā)泡PE及PS 芯材 塑料氈PF 價格低 PS泡沫第14頁，共48頁。(2)外飾件外飾件除應具備內(nèi)飾件的性能外，還 要具有高強度、高 韌性、耐 環(huán)境性能及耐沖擊性能等。外飾件的具體品種及使用材料如下：前后保險杠，選用 PP/EPDM、RIMPU、TPU、PC/PBT、EPDM、SMC(UP)及 MPPO 等；車身、棚，選用 SMC 及 PC/ABS 等；外門板，選用 SMC、ABS、增強 PP 及 RIMPU等；擋泥板，開始使用 SMC

11、、HDPE，近期開發(fā)增韌，PP、RIMPA、MXD6PA及 PBT 等；第15頁，共48頁。輪罩殼，選用增韌 PP、ABS 及 PPO/ABS 等；鏡框，選用 PP、PU 及 PS 等；燈罩，選用 PMMA、PC 及 SMC 等；散熱器隔柵，低檔用 ABS、增強 PP 及 SMC 等，高檔用 MPPO 及改性 POM 等；遮陽板固架，選用改性 PP 等；遮陽板面料，選用軟 PVC 片等。第16頁，共48頁。(3)結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)件對所用塑料材料的性能要求很高，不僅要求材料的強度要高，而且耐熱性也要好?？捎盟芰喜牧现圃斓慕Y(jié)構(gòu)件及具體品種有：發(fā)動機及周邊產(chǎn)品，要 求耐熱 160 一 200C，可 選用

12、GFPA66及 GFMPPO等，發(fā) 動機罩可用 SMC 等；蓄電池殼，選用改性 PP 等；風扇葉，選用增強 PP 等；車輪，選用 SMC 等；傳動軸，選用玻璃纖維或碳纖維增強 EP 等；座椅架，選用增強 PP 等；燃油箱，選用 HDPE 沖 A 斤 DPE 及 UHMWPE 等；燃油管，選用 PAll 及 PAl2 等；密封條、圈，選用 EPDM、PVC 及 PU 等；窗玻璃，選用 PC 和 PMMA，目前應用較少，但不久肯定用塑料代替玻璃。第17頁，共48頁。(4)幾個常用汽車塑料件保險杠。保險杠材料要求具有很高的沖擊強度，以吸收萬一汽車相撞時的沖擊能量，保護汽車和駛乘人員的安全。保險杠分前

13、、后保險杠和左右保險杠，其所用材料基本相同?？捎糜诒ｋU杠的塑料材料有很多種，常用的有 PP/EPDM、TPU、RIMPU、PC 沖 BT、EPDM、MPPO及 SMC 片狀模塑料等。其中 PP 幾 PDM 常用于中低檔轎車，而其他種類材料常用于高檔轎車。世界各國對上述各種保險杠材料的應用情況不同。我國的桑塔那、夏利及高爾夫等和日本的日產(chǎn)、豐田、馬自達、三菱及本田等用 PP 甩 PDM法國常用 SMC 片狀模塑料；德國普遍采用 PP 甩 PDM，高檔車用 PU；美國多用 PU 和 PC，但也逐漸轉(zhuǎn)向 PP 幾 PDM。第18頁，共48頁。上述幾種材料的價格大小為：MPPOPC/PBTPUEPDM

14、SMC 片狀模塑料PPEPDM。保險杠所用材料不同，其結(jié)構(gòu)也不同。其中，PP/EPDM、MPPO，PC 件 BT 及 SMC 片狀模塑料等五種保險杠由于本身強度和韌性較高，可不加鋼襯單獨成型。而 PU、EPDM 等保險杠材料韌性高而強度不高，需要加鋼襯支撐?，F(xiàn)在各種汽車保險杠材料的用量 比例為： PP/EPDM53%、RIMPU24.4%、PC/PBT10%、 SMC(UP)6.4%、其他 6.2%。PP/EPDM 為黑色；PCWBT 可與車身同一顏色，奔馳、寶馬、福特常用。第19頁，共48頁。儀表板要求具有一定的強度、良好的韌性和沖擊能量吸收性。儀表板可選用的材料很多。早期的儀表板為組合式，

15、分基材、緩沖材料和面材三層基材用 ABS，緩沖材料為 PU 發(fā)泡材料或彈性體，面 材為 ABS 或 PVC 花紋膜?，F(xiàn) 在傾向于改為一體材料，具 體材料有:SAN、增強 PP、SMC、ABS、ABS/PVC、MPPO、PC/ABS 及 RIMPU等。對于一體結(jié)構(gòu)儀表板，可采用板材二次熱成型制造。儀表板塑料材料的用量順序大小為：PUSANABSPSSMCPP。第20頁，共48頁。燃油箱塑料燃油箱最早由德國大眾公司于 1972 年開發(fā)成功。燃油箱要求所用塑料具有耐油性好、油滲透率低、防靜電、高低溫性能、耐化學腐蝕性及抗沖擊等性能特點。與金屬燃油箱相比，塑料燃油箱的優(yōu)點如下:塑料燃油箱的形狀可任意變

16、化，可充分利用汽車的不規(guī)則空間作為燃油箱的外形，因而燃油箱的體積可增大，一般增大 10%一 20%；塑料燃油箱的重量可比金屬降低 30%左右塑料燃油箱的耐化學腐蝕性好；塑料燃油箱的隔熱性好，遇火升溫慢；另外，碰撞不產(chǎn)生電火花，可降低爆炸和燃燒的可能性成型加工容易。第21頁，共48頁。塑料燃油箱常用交聯(lián)聚乙烯 (XLPE) 、高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)、HDPE/PA/HDPE 三層復合材料、PA11 及 PAl2 等，以期中以 HDPE 和 UHMWPE 最為常用，現(xiàn)在傾向于用PAU 和 PAl2。德國 BASF 公司的 4261A 高分子量聚乙烯塑料為燃油箱用科。塑料

17、燃油箱采用中空吹塑一次成型，為進一步降低汽油滲透率，吹塑后可進行表面磺化或氟化處理。XLPE 常采用離心澆鑄方法成型。第22頁，共48頁。方向盤。方向盤要求用材料耐熱性及手感好。方向盤可用的材料很多，具體有 HDPE、PP、PU 及ABS 等。擋泥板、車輪罩及車身等。要求性能為抗沖擊性好、易成型大型制品、不易發(fā)生形變及表面易涂裝等。擋泥板和車輪罩可用材料為HDPE、增韌 PP、ABS、PA6、MPPO/ABS、SMC 及 RIMPU(20%GF)等。車身可用材料為 SMC（20%GF)及 PC/ABS 等。第23頁，共48頁。三、汽車常用的塑料材料在汽車配件中，世界各國所用塑料材料的比例不同。

18、1990 美國轎車用塑料材料的用量次序如下：PUPPPVCPUABSPEPAPCPFPBTEPPMMAPOMMPPOPSTPU。其中，PU占 23%、PP 占 20%、PVC14%、不飽和聚酯玻璃鋼 (UP)占 12%、ABS 占 10%、PE 占5%。1998 年日本汽車用塑料的用量次序為：PVCPPPUUPABSPEPA。我國汽車用塑料的用量依次為 PPPVCPUABSPEPA。第24頁，共48頁。1、PPPP 是一種最常用汽車塑料材料，在 我國其用量可占汽車用塑的40%以上，歐 洲占28.1%，日 本占28.8%，除美國外大居各塑料之首。純 PP 在汽車中應用的不多，應用最多的為PP增強

19、和增韌改性品種?？捎?PP 制造的汽車配件種類很多，具體有:保險杠、儀板、擋泥板、車輪罩、方向盤、風扇葉片、蓄電池殼、座椅架、內(nèi)門板、行李架、空調(diào)器殼及配件、散熱器隔柵等。第25頁，共48頁。PP 改性專用科的配方設計(l)PP 增韌料 PP 增韌料的改性配方中包括：本體 PP 樹脂，POE 和 EPDM 等增韌材料，剛性填料如碳酸鈣、滑石粉及云母粉等，相容劑如 PP 接枝馬來酸酥。具體配方實例如下:PP 55%75% ，PP-g-MAH(MAH0.1%0.3%)3%5%，EPDM 15%25%，HDPE 5%10% ，滑石粉(1.5spm 以下) 1%7%第26頁，共48頁。我國開發(fā)成功 P

20、P 增韌料的單位很多，具體如下：長春應用化學所，缺口沖擊強度為 49078J/m；中科院化學所，缺口沖擊強度為 600750J/m；清華大學，缺口沖擊強度為 800J/m；北京化工研究院，缺口沖擊強度為 720J/m；揚子石化公司，缺口沖擊強度為 400650J/m；遼陽化纖公司，缺口沖擊強度為 500J/m；金陵石化公司，缺口沖擊強度為 580J/m；第27頁，共48頁。其中遼化的具體配方如下：PP 50%， 相容劑 10%，EPDM 25% ，滑石粉 15%。此外，還有日本三菱油化公司、德國 BASF、Hoechs 兩公司、美國加 noco 公司、意大利 Montedison公司及以荷蘭的

21、 DSM 材料公司等。(2)PP 增強料 配方中增強材料主要為玻璃纖維，用硅烷偶聯(lián)劑處理。第28頁，共48頁。2、PUPU 是一種在汽車用塑料中僅次于 PP 的第二大塑料材料，用量占 20%左右。各國的應用比例不同，美國 PU 的用量占第一，而我國及日本則占第二和第三。PU 的各種制品在汽車塑料中都有應用，具體應用領域如下:軟質(zhì)泡沫塑料 用于座墊及靠背等半硬質(zhì)泡沫塑料 用于儀表板、扶手、頭枕、保險杠及遮陽板等硬質(zhì)泡沫塑料第29頁，共48頁。用于門板夾層及頂棚夾層等表面結(jié)皮泡沫塑料用于扶手、門柱及方向盤等RIM 制品，彈性類用于保險杠、擋泥板、發(fā)動機罩、車門把手及儀表板等，剛性類用于散熱器格柵、

22、暖風殼、前阻流板、擋泥板墊、擋泥板、門板及發(fā)動機罩等PU 澆鑄體用于防塵密封、滑動軸承套及門止塊等，其具體配方如下是 A 組分為多元醇如二元醇 (分子量20003000)、三元醇(分子量 30006000)、聚甲撐乙二醇及乙烯基接枝多元醇等，交聯(lián)劑如乙二醇及胺類，催化劑，發(fā)泡劑，穩(wěn)定劑等，B 組分為 MDIPU 彈性體主要用于保險杠、方向盤、防塵罩、減震墊塊、格柵、頂棚、車身部件及齒輪傳動裝置。第30頁，共48頁。3、FRPFRP 為纖維增強塑料的英文簡稱，纖維可以是玻璃纖維、碳纖維和合成纖維，分別稱為GFEP、CFRP和合成纖維 FRP。樹 脂可以為熱塑性和熱固性，其 中熱固性樹脂的玻璃纖維

23、增強塑料常稱為玻璃鋼。F RP的機械強度很高，其拉伸強度與其他金屬材料相比如表所示。第31頁，共48頁。FRP 與金屬材料的強度及比強度 材料 相對密度 拉伸強度/MPa 比強度高強度鋼 7.8 7001400 918硬鋁合金 2.4 500 19鈦合金 4.4 980 23GFRP 2.0 1200 57CFRP 1.6 1600 100合成纖維FRP 1.3 1300 100第32頁，共48頁。在汽車用塑料材料中，常用的玻璃纖維增強塑料有兩種即SMC 為片狀模塑料的英文簡稱，它為將玻璃纖維在模內(nèi)排列好，用低粘度熱固性樹脂浸漬，再壓縮成型。其缺點為排列好的纖維易發(fā)生移位，造成產(chǎn)品的密度不均勻

24、或有缺陷產(chǎn)生，但用玻璃氈替代玻璃纖維可改善。BMC 為塊狀模塑料，它把樹脂、填料、纖維等混合成塊料，裝入模中壓縮成型。其缺點為混合攪拌時纖維易被破壞。第33頁，共48頁。以 SMC 為例，介紹其配方設計低粘度樹脂。常用不飽和聚酪 (UP)，也可用酚醛樹脂 (PF)和環(huán)氧樹脂 (EP)。樹脂一般不單獨使用，而是用低收縮性樹脂 A 和低收縮性添加劑 B。A 為不飽和聚酷，分 子量為 200500，不 飽和度為142215，溶解在 40%左右的苯乙烯中B 為熱塑性樹脂，常用 PMMA、PS、聚乙酸乙烯的苯乙烯溶液或 PE 及 PVC粉末A 雁一般為 8 龍，兩者合計用量為配方的 30%35%。第34

25、頁，共48頁。填充材料。作用為增量劑，常用碳酸鈣，也用陶土、粘土及滑石等，加入量為配方的 35% 40%。纖維增強材料。用直徑為 10131,m、長為 50mm 的元堿玻璃纖維，加入量為配方的 30%。其他助劑。硬化劑有 TBPB、TBPO 及 BPO 等，增粘劑有氧化鎂、氫氧化鋇、氫氧化鈣及氧化鈣等，脫模劑有硬脂酸鋅等。第35頁，共48頁。下面舉一個配方實例:UP 80 ，碳酸鈣 250，熱塑性樹脂 20 ，玻璃纖維 70，PE 3 ，其他 適量。汽車用 SMC 的主要性能如下：密度 1.859 斤 m，收縮率 0.1%以下耐水性好；涂漆性能好耐熱180C以上；拉伸強度在 102OMPa彎曲強度2043MPa。第36頁，共48頁。SMC 或 BMC 在汽車上的主要用途如下：保險杠、車輪、車輪罩、儀表板、車門、車身、頂、發(fā)動機罩、前臉板、空氣導流板、尾燈、前燈、雨刷器、發(fā)動機冷卻風扇及部件、空調(diào)器殼及部件、加熱器殼及部件、風扇罩、發(fā)動機零件、傳動軸、大梁、彈簧、門手柄、扶手、鏡框、開關、插座、接線 盒、電機及配件、分電器盒及點火線圈等。第37頁，共48頁。4、熱塑性彈性體