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汽車塑料材料的應(yīng)用
1汽車塑料材料的應(yīng)用塑料是一種高科技材料。近年來,汽車的應(yīng)用越來越多,內(nèi)部裝飾材料已擴(kuò)展到汽車零部件和結(jié)構(gòu)材料。例如前照面、保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋、頂蓋、翼子板、車門內(nèi)護(hù)板和某些車身骨架構(gòu)件等。甚至有些汽車大公司正在用復(fù)合材料做承載力最大的底盤車架,例如福特汽車公司在2001年將復(fù)合材料底盤應(yīng)用在一輛叫“探索者”的小皮卡樣車上。在過去30年間,每輛汽車的塑料用量已從上世紀(jì)60年代初的10kg左右上升到90年代中的200kg,其增長(zhǎng)速度之快,主要是由于塑料的特性與人們對(duì)汽車的期望要求很搭配,因此“一拍而合”。塑料在汽車上的應(yīng)用有以下6大優(yōu)點(diǎn):(1)輕量化是汽車業(yè)追求的目標(biāo),塑料在此方面可以大顯其威。一般塑料的比重在0.9~1.5之間,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比重也不會(huì)超過2.0,而金屬材料的比重A3鋼為7.6、黃銅為8.4、鋁為2.7。因此應(yīng)用塑料是減輕車體重量的有效途徑;(2)塑料成型容易,可使形狀復(fù)雜的部件加工簡(jiǎn)單化。例如儀表臺(tái)用鋼板加工,往往需要先加工成型各個(gè)零件,再分別用連接件裝配或焊接而成,工序較多。而用塑料可以一次加工成型,加工時(shí)間短,精度有保證;(3)塑料制品的彈性變形特性能吸收大量的碰撞能量,對(duì)強(qiáng)烈撞擊有較大的緩沖作用,對(duì)車輛和乘員起到保護(hù)作用。因此,現(xiàn)代汽車上都采用塑化儀表板和方向盤,以增強(qiáng)緩沖作用。前后保險(xiǎn)杠、車身裝飾條都采用塑料材料,以減輕外物體對(duì)車身的沖擊力。另外,塑料還具有吸收衰減振動(dòng)和噪聲的能力,可以提高乘坐的舒適性;(4)通過不同組分搭配的復(fù)合材料有含硬質(zhì)金屬的顆粒復(fù)合材料,有以?shī)A層板材和樹脂膠合纖維為主的層板復(fù)合材料和以玻璃纖維、碳纖維為主的纖維復(fù)合材料,這些復(fù)合材料具有很高的機(jī)械強(qiáng)度,可以代替鋼板制作車身覆蓋件或結(jié)構(gòu)件,可進(jìn)一步減輕汽車的重量;(5)塑料耐腐蝕性強(qiáng),局部受損不會(huì)腐蝕,而鋼材制件一旦漆面受損或者先期防腐做得不好就容易生銹腐蝕。塑料對(duì)酸、堿、鹽等抗腐蝕性能優(yōu)于鋼板,如果用塑料做車身覆蓋件,十分適宜在污染較大的區(qū)域中使用;(6)根據(jù)塑料的組分,可以通過添加不同的填料、增塑劑和硬化劑來制出所需性能的塑料,改變材料的機(jī)械強(qiáng)度及加工成型性能,以適應(yīng)車上不同部件的用途要求。例如保險(xiǎn)杠要有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度,而坐墊和靠背就要采用柔軟的聚氨脂泡沫塑料。更方便的是塑料顏色可以通過添加劑調(diào)色產(chǎn)生不同的顏色,可以省去噴漆。有些塑料件還可以電鍍,例如ABS塑料具有很好的電鍍性能,可用于制作裝飾條、標(biāo)牌、開關(guān)旋扭、車輪裝飾罩等。2汽車塑料行業(yè)目前全球汽車用塑料制品的市場(chǎng)規(guī)模為454萬(wàn)t/a,單車用塑料制品量也迅速擴(kuò)大,國(guó)外汽車內(nèi)飾件基本實(shí)現(xiàn)塑料化。塑料制品及其復(fù)合材料是最重要的汽車輕質(zhì)材料,它不僅可減輕零部件約40%的質(zhì)量,而且還可以使采購(gòu)成本降低40%左右,因此近年來在汽車中的用量迅速上升。據(jù)統(tǒng)計(jì),世界汽車平均每輛塑料用量在2000年就達(dá)到了105kg,約占汽車總質(zhì)量的8%~12%,其中塑料在轎車中的用量比在貨車、客車中的用量高,如奧迪A2型轎車,塑料件總質(zhì)量已達(dá)220kg,占材料總用量的24.6%。塑料的應(yīng)用范圍正在由內(nèi)裝件向外裝件、車身和結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展,日本鈴木汽車公司制造了一種采用超高分子塑料制作的輕型小汽車。該車所用塑料的相對(duì)分子質(zhì)量極高,具有極好的彈性和很高的強(qiáng)度,整個(gè)汽車質(zhì)量為480kg,比同樣大小的其他汽車輕1/3。這種汽車具有質(zhì)量輕、速度快和耗油低等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)外發(fā)達(dá)地區(qū)車用塑料已占塑料總消耗量的7%~11%,在中國(guó)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)內(nèi)該行業(yè)的現(xiàn)狀是:第一,汽車用塑料原料主要依靠進(jìn)口,國(guó)產(chǎn)汽車專用塑料牌號(hào)少,產(chǎn)品性能不能滿足要求;第二,汽車塑料品種數(shù)十種,材料標(biāo)準(zhǔn)混亂;第三,生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小且分散,缺乏龍頭企業(yè);第四,模具開發(fā)能力差,產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。我國(guó)的車用塑料在未來會(huì)有一個(gè)高速的增長(zhǎng),預(yù)計(jì)到2007年,汽車用塑料將達(dá)到85萬(wàn)t;2010年,預(yù)計(jì)全國(guó)汽車產(chǎn)量724.57萬(wàn)輛,屆時(shí)汽車用塑料將達(dá)到128.7萬(wàn)t;2025年,全國(guó)汽車用塑料將達(dá)到618.6萬(wàn)t。可以看出,平均每輛汽車的塑料用量將從2005年的130kg提高到2020年的521kg。在車用塑料居前7位的塑料材料品種與所占比例大致為:聚丙烯21%、聚氨酯19.6%、聚氯乙烯12.2%、熱固性復(fù)合材料10.4%、ABS8%、尼龍7.8%、聚乙烯6%。今后的重點(diǎn)發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、外裝件用的增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、高性能樹脂材料與塑料,并對(duì)材料的可回收性予以高度關(guān)注。從品種上看,聚烯烴材料因密度小、性能較好且成本低,近來有把汽車內(nèi)飾和外飾材料統(tǒng)一到聚烯烴材料的趨勢(shì),因此其用量會(huì)有較大的增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)聚丙烯今后可保持8%的年增長(zhǎng)率,聚乙烯的增長(zhǎng)勢(shì)頭也比較強(qiáng)勁。3汽車上最重要的是塑料3.1超級(jí)烯烴聚合物豐田汽車公司已開發(fā)出汽車儀表板和保險(xiǎn)杠用新一代的聚丙烯(PP)配混料。這種高橡膠含量高結(jié)晶聚丙烯(HEHCPP)新材料,具有更高的分子立體規(guī)整性,不需加大量橡膠便能制備柔性、高取向結(jié)晶PP樹脂,因而降低加工(不需配混)和材料總成本。其性能與TPO相當(dāng),但成本低30%。豐田公司一直在探索性價(jià)比更高的新材料替代TSOP(豐田超級(jí)烯烴聚合物)。未來在汽車工業(yè)領(lǐng)域聚烯烴制品將大量替代各種昂貴的有色金屬和合金材料,這不僅能提高汽車造型的美觀與設(shè)計(jì)的靈活性,降低零部件加工、裝配與維修的費(fèi)用,而且還可以降低汽車的能耗。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,車用聚烯烴制品也將出現(xiàn)需求旺盛的局面。據(jù)業(yè)內(nèi)專家分析,預(yù)計(jì)到2006年我國(guó)汽車消費(fèi)的各種聚烯烴制品總量將達(dá)到15萬(wàn)t左右,到2010年需求量將達(dá)到23萬(wàn)t,并將保持年均10%的增長(zhǎng)率。未來在汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒋罅渴褂镁巯N制品,聚烯烴材料因密度小、性能較好且成本低,近來有把汽車內(nèi)飾和外飾材料統(tǒng)一到聚烯烴材料的趨勢(shì),因此其用量會(huì)有較大的增長(zhǎng)。汽車產(chǎn)業(yè)每增值1元,會(huì)給相關(guān)產(chǎn)業(yè)群上游帶來2.63元的增值,這個(gè)產(chǎn)業(yè)群對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)率達(dá)12%左右。作為聚烯烴原料的科研開發(fā)部門和生產(chǎn)廠家,應(yīng)該抓住汽車聚烯烴制品這個(gè)商機(jī),增加聚烯烴原料的品種和牌號(hào),開發(fā)可用作汽車功能件、結(jié)構(gòu)件的品種,加快與國(guó)際接軌。在汽車聚烯烴制品應(yīng)用上,我國(guó)已開發(fā)出不少行之有效的新技術(shù),氣體輔助注射成型技術(shù)、三維和多層中空成型技術(shù)、表面處理技術(shù)等將得到很好的應(yīng)用。3.2聚氨酯的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛聚氨酯產(chǎn)品憑借自身耐磨性好,均勻性好等優(yōu)勢(shì),被許多汽車材料工程開發(fā)商所重視。目前聚氨酯在汽車塑料中的用量為20%,車用海綿則達(dá)60%。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,聚氨酯的新用途自然會(huì)隨之與日俱增。一般聚氨酯的應(yīng)用領(lǐng)域有:坐墊、頭枕、隔音、儀表盤、遮陽(yáng)板、門板、頂棚襯里等內(nèi)飾件以及保險(xiǎn)杠、阻留板等外構(gòu)件。且聚氨酯在汽車中還有不少新運(yùn)用。美國(guó)固特異輪胎橡膠公司和艾美萊輪胎公司合作,共同研發(fā)聚氨酯汽車輪胎。與普通橡膠相比,聚氨酯材料耐磨性好,用聚氨酯材料制造輪胎大多采用澆注工藝,比橡膠輪胎均勻性更好,而且不會(huì)出現(xiàn)胎面剝離現(xiàn)象。但由于聚氨酯材料熔點(diǎn)較低,所以很少用于制造高速輪胎。隨著聚氨酯材料性能以及聚氨酯輪胎生產(chǎn)工藝的改進(jìn),大規(guī)模生產(chǎn)聚氨酯輪胎在不久將成為現(xiàn)實(shí)。3.3纖維復(fù)合材料在各種復(fù)合材料中,最重要的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。目前西歐纖維增強(qiáng)塑料的年用量已超過40萬(wàn)t,其中約50%應(yīng)用于汽車工業(yè)。據(jù)美國(guó)商務(wù)通信公司預(yù)測(cè),北美對(duì)以纖維及其他填料增強(qiáng)的塑料消費(fèi)量到2007年前將以3%的年均速率增長(zhǎng)。汽車方面的需求量目前占增強(qiáng)塑料市場(chǎng)總消費(fèi)量的31%。纖維復(fù)合材料最重要的應(yīng)用市場(chǎng)是汽車業(yè)和建筑業(yè),其中玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料是最重要的一種汽車用纖維復(fù)合材料,它輕質(zhì)高強(qiáng),其拉伸、彎曲、壓縮彈性模量、抗蠕變及耐疲勞特性好,可采用注射、擠出、壓制、層壓等多種成型方法加工,成型周期短、生產(chǎn)效率高,因此其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大。纖維增強(qiáng)塑料是利用纖維的強(qiáng)度和剛度來改進(jìn)塑料力學(xué)性能的。為了更好的發(fā)揮纖維在塑料中的增強(qiáng)作用,在塑料中纖維長(zhǎng)度必須大于臨界長(zhǎng)度LC,否則其增強(qiáng)作用就同一般的粉末填料相同,因而目前長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料(LFRT)已成為熱塑性塑料市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的品種。UT具有比一般纖維增強(qiáng)材料更優(yōu)異的沖擊強(qiáng)度、更好的流動(dòng)性能,它的成型制品外觀光亮、無塌坑等缺陷,其成型收縮率小(僅0.2%),在汽車工業(yè)中獲得較多應(yīng)用,年增長(zhǎng)率高達(dá)30%,是目前國(guó)際上的開發(fā)熱點(diǎn),并且應(yīng)用日趨增多?,F(xiàn)在玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料作為一種新型輕質(zhì)高強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)材料,已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電器、輪船、建筑、航空航天等工業(yè)部門及高新技術(shù)領(lǐng)域。我國(guó)纖維增強(qiáng)塑料人均年用量和世界平均水平相差3.57倍,和發(fā)達(dá)國(guó)家最高水平相差14.3倍。根據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn),汽車業(yè)和建筑業(yè)將占去增強(qiáng)塑料消費(fèi)市場(chǎng)的50%以上。我國(guó)人口眾多,汽車工業(yè)又正處于快速發(fā)展階段,了解世界發(fā)展趨勢(shì),縮短和世界先進(jìn)水平的差距,將有助于我國(guó)纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。3.4現(xiàn)代塑料復(fù)合膠片近年來,歐美玻纖氈增強(qiáng)熱塑性塑料(GMT)在汽車中的應(yīng)用日趨廣泛。目前,GMT成型工藝有兩種。一種是干法成型,即利用玻璃纖維針刺氈或連續(xù)原絲氈與聚丙烯等熱塑性塑料復(fù)合成片材,在裁切成所需形狀后經(jīng)紅外加熱使樹脂至塑熔狀態(tài),置于模具中加壓成型為最終產(chǎn)品。這種片材所制的產(chǎn)品等用于汽車部件,如保險(xiǎn)杠襯里等。另一種成型工藝為濕法成型,其工藝類似造紙工藝。它是將短切玻璃纖維與熱塑性塑料(如聚丙烯)粒子在水中混合,借助于助劑的作用使塑料顆粒懸浮在水中,將此漿料送到紙機(jī)的網(wǎng)上脫水形成片材,該片材經(jīng)特制的加熱系統(tǒng)使塑料粒子達(dá)到塑熔狀態(tài),將纖維固結(jié)在一起最終形成干的片材。用這種片材經(jīng)模壓可以制出各種外觀良好的汽車外裝飾部件,其強(qiáng)度雖低于干法GMT制品,但是卻高于短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料注塑制品。目前這種工藝在我國(guó)尚屬空白,美國(guó)、芬蘭及日本均已建線生產(chǎn)。由于GMT具有很多的優(yōu)異性能,如耐化學(xué)性好、強(qiáng)度/重量比大,在高、低溫環(huán)境中的抗沖擊性能優(yōu)良等,GMT產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。而GMT的最大單項(xiàng)用途是汽車前端組件,此項(xiàng)用途開發(fā)于數(shù)年前,現(xiàn)仍在大幅增長(zhǎng)。汽車工業(yè)使用非PVC底板保護(hù)材料的趨勢(shì)和提高車身下部空氣動(dòng)力性能的愿望,為GMT提供了新的機(jī)遇。為此開發(fā)出了比以前更薄,但仍具有良好抗沖擊性能和剛度的車底保護(hù)板。這一用途在歐洲將長(zhǎng)期成為GMT的一個(gè)大市場(chǎng)。GMT在汽車后座中的應(yīng)用已有15年之久。根據(jù)新的安全要求,中部座位的乘客也須佩帶安全帶。新的設(shè)計(jì)將此安全帶固定裝置與座位整體成型。在這方面,GMT比鋼材更具有成本和重量?jī)?yōu)勢(shì)。在美國(guó),已采用GMT制造的I形梁代替?zhèn)鹘y(tǒng)的C形截面保險(xiǎn)杠。這種I形梁性能好,成本低,重量輕。這一用途已傳入歐洲。近年來隨著GMT技術(shù)的不斷改進(jìn),出現(xiàn)了性能更為優(yōu)越的GMT。它具有以下優(yōu)點(diǎn)和用途:制件性能穩(wěn)定,重復(fù)性好,適用于轎車儀表盤、座位等結(jié)構(gòu)件。含礦物填料,用作保險(xiǎn)杠時(shí)兼具有高強(qiáng)度和高韌性,可吸收高能量。流動(dòng)性好,用于發(fā)動(dòng)機(jī)減噪裝置時(shí)可設(shè)計(jì)成壁厚小但有細(xì)筋增強(qiáng)的制件。制件可回收利用,經(jīng)濟(jì)性好,是某些汽車車身底板的理想材料。3.5公壓金產(chǎn)品中的pa/abs等可注射成型、相容性極高的PA/ABS合金,命名為Technyl合金。合金中標(biāo)準(zhǔn)級(jí)和新一代PA6作為連續(xù)基體相,ABS作為分散相。新品合金的結(jié)晶性和無定形的平衡,使之適用于汽車內(nèi)飾件的制作成型如汽車控制臺(tái)、消費(fèi)產(chǎn)品、器具控制架、體育器材,家具和玩具。由于在合金中添加了一種相容劑,使PA/ABS合金可挑戰(zhàn)PC/ABS,PC/PBT及在某些方面應(yīng)用的PC樹脂。Rhodia公司目前的產(chǎn)品包括未增強(qiáng)的KC216和KC226,后者的流動(dòng)性好、成型周期快。品級(jí)KC241和KC256的沖擊強(qiáng)度得以改善。含有10%、15%、30%玻纖增強(qiáng)及礦物增強(qiáng)的共混物,提供了好的剛性、強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。在歐洲和亞洲,公司已成功的將共混合金應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。在歐洲車型的中心控制臺(tái),KC246替代了PC/ABS,使其質(zhì)量減少6%,且有極優(yōu)的吸能性能和可加工性。另一成功應(yīng)用在于汽車通風(fēng)口格子窗,KC226替代了ABS,除具有快速成型周期外,其耐化學(xué)性、耐熱性和表面光滑性均得到提高。同時(shí),在汽車其它方面包括儀表板、空氣排放和防結(jié)冰格子架等領(lǐng)域有望得到應(yīng)用。在非汽車領(lǐng)域,潛在的應(yīng)用包括:摩托車和單腳滑行車方面。4ccv車載將成為目前最常見的車內(nèi)塑料由于重量輕、耐腐蝕、加工容易一直被汽車工程界所重視。塑料主要應(yīng)用在襯套、裝飾件及車身某些部件上。可是人們的追求的目標(biāo)是應(yīng)用在整個(gè)車身外殼上。目前,已經(jīng)有人搞出了一種接近真正意義上
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