輕量化背景下改性塑料在汽車上的應(yīng)用

　　

　　

　　■  ■ 工程塑料應(yīng)用

　　　

　　

　　　

　　摘 要： 輕量化是汽車實現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑，對汽車工業(yè)和人類的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。改性塑料作為關(guān)鍵的輕量化非金屬材料，近年來在汽車上的用量快速攀升，并呈現(xiàn)出“以塑代鋼”的趨勢。筆者介紹了改性塑料在汽車上應(yīng)用的概況，重點總結(jié)了聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)等三種改性多樣、應(yīng)用豐富的典型車用塑料。并在此基礎(chǔ)上，指出了PP “三高一低”改性，PA高流動性、高耐熱、無鹵阻燃改性，ABS抗菌、防靜電、低噪音改性的車用發(fā)展方向。最后，說明了改性聚氨酯(PUR)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚甲醛(POM)的特殊車用，并對生物可降解改性塑料在汽車上的應(yīng)用進行了展望。

　　

　　

　　　

　　據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會近日公布的數(shù)據(jù)，2022年我國汽車產(chǎn)銷分別完成2 702.1萬輛和2 686.4萬輛(同比分別增長3.4%和2.1%)，連續(xù)14年穩(wěn)居全球第一。汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，為經(jīng)濟注入了強大活力，極大地改善了人民的生活水平，如果處理不好也讓能源和環(huán)境問題日益嚴峻。研究表明，汽車輕量化是節(jié)能減排的有效途徑，燃油車整備質(zhì)量每降低10%，油耗可下降6%～8%，排放能減少4%；而電動車整備質(zhì)量每降低10 kg，續(xù)航里程可增加2.5 km。

　　

　　《中國制造2025》曾把“節(jié)能與新能源汽車”作為重點發(fā)展領(lǐng)域，并將輕量化列為汽車產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展方向之一，而《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》更是制定了2035年燃油乘用車與純電動乘用車整車輕量化系數(shù)分別降低25%與35%的目標。汽車輕量化是在滿足汽車使用要求和安全，以及生產(chǎn)成本控制的條件下，盡可能地降低汽車整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，降低燃料消耗，減少排氣污染。汽車輕量化主要包括輕量化材料、先進工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化三個方面，其中輕量化材料的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車減重最直接的途徑。改性塑料以其較好的成本優(yōu)勢、完美的減重效果、優(yōu)異的綜合性能，成為汽車領(lǐng)域重要的輕量化材料。掌握改性塑料在汽車的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，對車用塑料及汽車輕量化材料的進一步研究與應(yīng)用至關(guān)重要。

　　

　　　

　　1 車用改性塑料概況

　　

　　　　

　　改性塑料是以初級形態(tài)樹脂為主要成分，以能改善樹脂在力學、流變、燃燒、電熱光磁等某方面性能的添加劑或其它樹脂等為輔助成分，通過填充、增韌、增強、共混、合金化等技術(shù)手段，得到的具有均一外觀的材料。改性塑料是我國化工新材料的重要組成部分，屬于國家“七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)”和“中國制造2025”重點發(fā)展的十大領(lǐng)域之一。近年來，在國家政策的大力支持及“以塑代鋼”“以塑代木”的趨勢推動下，改性塑料行業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021年我國改性塑料產(chǎn)量達2 193萬t，同比增長6.2%，行業(yè)市場規(guī)模達3 602億元，同比增長22.7%。改性塑料是塑料制品中高科技、高性能、高檔次的象征，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、家用電器等多個領(lǐng)域，其中在汽車領(lǐng)域的用量比例超過19%，僅次于使用量最多的家電行業(yè)。

　　

　　近年來，改性塑料在汽車上的用量逐年攀升，單車改性塑料用量已成為汽車設(shè)計與制造水平的標志。從用量上比，單車改性塑料用量最多的是德國，乘用車平均用量達340～410 kg，使用率超過25%。而我國乘用車單車改性塑料使用率僅有13%，平均用量約160 kg，尚低于美國250～310 kg的水平。從品種劃分，用量較多的塑料品種有聚丙烯(PP)、聚氨酯(PUR)、聚酰胺(PA)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚碳酸酯(PC)等，其中尤以PP，PA，ABS的車用改性最豐富。從應(yīng)用上看，改性塑料廣泛用于汽車內(nèi)、外飾件，結(jié)構(gòu)件及功能件。其中內(nèi)飾件有中控臺、儀表盤、裝飾板；外飾件有進氣格柵、保險杠及裝飾件；結(jié)構(gòu)件有前端框架、立柱骨架；功能件有車燈、進氣歧管、燃油箱等均是改性塑料用量較大的汽車零部件。

　　

　　　　

　　2 PP的車用及改性

　　

　　　

　　PP被認為是最輕的塑料，密度僅有0.89～0.91 g/cm3，且具有良好綜合性能及價格優(yōu)勢，是非常理想的汽車輕量化材料。PP適用于共聚、交聯(lián)、填充、增強等多種改性，方法靈活，品種豐富，是車用塑料中用量最大、頻次最高、發(fā)展最快的品種。以中級轎車為例，PP類材料的選用頻次高達30%，其用量占整車塑料用量的50%以上。用改性PP制造的汽車零部件超過60余種，其中保險杠、儀表板、車門內(nèi)板、空調(diào)器件等用量較多，合計用量超過車用PP總量的60%。

　　

　　普通PP耐老化性差、易燃，成型收縮率大、制品易翹曲，韌性、強度有待提高，因此必須進行改性以滿足汽車零部件的使用要求。車用PP的典型改性及應(yīng)用有：①利用彈性和無機填料與PP復合可得到增強增韌PP，其中彈性體有三元乙丙橡膠(EPDM)或乙烯-辛烯共聚物(POE)，而無機填料有滑石粉、碳酸鈣、高嶺土等。增強增韌PP主要用于體積大、用料多、耐沖擊性能好的汽車部件，如保險杠、儀表板、車門內(nèi)飾板。②用長玻璃纖維(10～25 mm)與PP復合可制成長玻璃纖維增強PP (LGFPP)，與短玻璃纖維相比，LGFPP有著更好的抗蠕變性，且與金屬及熱固性復合材料相比密度更低，相同部件可減重20%～50%。LGFPP常用于汽車前端模塊、儀表板骨架、電池托架、座椅支架、車門框架等，其中全塑料前端模塊能與多個金屬零部件組成注射成型部件，簡化前端結(jié)構(gòu)的同時可減重30%～40%。③利用PP為基體，化學發(fā)泡劑為氣源，通過注塑發(fā)泡、吹塑發(fā)泡、擠出發(fā)泡等微發(fā)泡工藝，可在制品中得到80～350 μm的微泡孔。發(fā)泡改性PP可使塑料制品質(zhì)量減輕10%～20%，較金屬等材料減重超過50%，可用于汽車尾門、頂棚、風管等部件。④通過添加硅酮及酰胺類耐刮擦劑可獲得耐刮擦PP，其主要用于汽車操控臺、儀表板、車門內(nèi)板等汽車內(nèi)飾件。新款斯柯達Scala的儀表板、手套箱和中控臺，使用了北歐化工新開發(fā)的Daplen EE058AI汽車內(nèi)飾專用低密度PP，實現(xiàn)減重6.5%。該材料由10%滑石粉填充和彈性體改性，其具有低氣味、低排放和低霧化水平，同時減重效果顯著；現(xiàn)代索納塔和大眾新途勝的儀表板骨架選用了加德士生產(chǎn)的PP/20%LGF材料，使零件厚度從2.5~3.5 mm減小到1.8~2.5 mm，質(zhì)量從3.5 kg降至2.7 kg，韌性提高130%，剛性提高50%，熱變形溫度提高10 ℃；沙特基礎(chǔ)工業(yè)近日推出汽車內(nèi)飾件專用發(fā)泡礦物質(zhì)增強PP，其牌號有PPc F9005，PPc F9007，PPc F9015等。該材料既可以獲得與實心注塑件相似的均勻高品質(zhì)表面質(zhì)量，又可以顯著減輕質(zhì)量，減少碳排放比例可達15%以上；浙江佳華精化研制的Javachem HG汽車PP內(nèi)飾材料高性能耐刮擦劑，已通過大眾、通用、豐田等各大汽車主機廠商的認證。該刮擦劑是含特殊官能團的超高分子量有機硅，可在PP中起錨固作用，不僅賦予了PP內(nèi)飾材料長效持久的耐刮擦性能，還解決了高溫光照后發(fā)黏黃變等現(xiàn)象，同時避免了添加耐刮擦劑導致的應(yīng)力發(fā)白問題。

　　

　　隨著車用PP性能及環(huán)保要求的不斷提高，“三高一低”成為PP改性的主流。“三高”即高流動、高模量、高抗沖PP，一般要求熔體流動速率(MFR)超過20 g/10 min，彎曲彈性模量超過1 800 MPa，缺口沖擊強度大于25 kJ/m2。“一低”則是PP總揮發(fā)性有機化合物(TVOC)要低，特別是對于有可能處于溫度較高且空間密閉的內(nèi)飾件更為嚴格。鄭智煥等研究POE、滑石粉、乙撐雙硬脂酰胺(EBS)的含量對PP “三高”性能的影響。發(fā)現(xiàn)當各組分質(zhì)量分數(shù)比為80∶20∶40時，復合材料達到“三高”性能指標。王青松研究市場上幾種不同的低氣味PP接枝馬來酸酐(PP-g-MAH)增容劑、抗氧劑體系和氣味吸收劑對PP/GF材料VOC的影響。結(jié)果表明，PP-g-MAH增容劑為氣味的主要來源，而FT-102對材料氣味的改善效果最佳，3114/168 抗氧劑復配體系對氣味的影響最低，氣味吸收劑602的效果最佳，可使氣味等級達到3級；埃克森美孚曾開發(fā)出了一種專門用于汽車的高流動、高抗沖PP (PP8285E1)，金發(fā)科技有限公司作為合作伙伴使用該品種創(chuàng)新了配方，使其不僅具有高沖擊強度、高MFR，還具有更好的氣味性能，提供了車用PP追求的完整解決方案；南京聚隆科技股份有限公司推出一種高流動、高模量、高沖擊的汽車保險杠用PP材料，其MFR為35 g/10 min，彎曲彈性模量為1 900 MPa，缺口沖擊強度達40 kJ/m2。該材料“三高”特性優(yōu)異，且具備較低的線性熱膨脹系數(shù)和耐低溫沖擊特性，可高效滿足汽車保險杠薄壁化設(shè)計的需求。

　　

　　　　

　　3 PA的車用及改性

　　

　　　　

　　PA具有良好的力學性能、耐熱性、耐磨性、耐化學藥品性和自潤滑性，且有一定的阻燃性，易于加工成型，廣泛應(yīng)用于汽車、電器、特種設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)結(jié)構(gòu)中二元胺和二元酸或氨基酸含有碳原子數(shù)的不同，可制得幾十種PA，如PA6，PA66，PA11，PA12等。其中PA6和PA66是車用PA的主要品種，全球超過一半的PA6和PA66用于汽車領(lǐng)域。

　　

　　雖然PA具有良好的性能，但在吸水性、尺寸穩(wěn)定性和韌性等方面還存在不足，阻燃性也有待進一步提高。車用PA的典型改性及應(yīng)用有：①在PA66中加入20%～40%的GF制成PA66/GF，其彎曲強度可達310 MPa，缺口沖擊強度約25.4 J/m，吸水率0.9%左右，成型收縮率僅0.3%，綜合性能優(yōu)良，常用于發(fā)動機罩、進氣管、散熱器等耐熱功能件；②利用鹵系阻燃劑與三氧化二銻的復合阻燃體系，可使PA6阻燃等級達到UL94 V-0級，阻燃改性后的PA6常用于電動汽車動力電池殼體、支架、蓋板等。③利用聚合物共混或添加蒙脫土、二氧化硅等無機粒子對PA11，PA12增強增韌改性，改性后不僅吸水率低、耐油性好，還有較好的強度和韌性，是燃油管、剎車油管等汽車油液管路的理想材料。塞拉尼斯近日推出了全新PA66/GF產(chǎn)品Zytel NVH70G35HSLA2，并將其用于凱迪拉克LYRIQ (銳歌)SUV的底盤中，可以使結(jié)構(gòu)支撐架與彈性襯套一起進行調(diào)整，以提供更廣泛的振動過濾，相比金屬材料質(zhì)量減少34%，成本降低19.5%；朗盛開發(fā)的BKV30FN04阻燃PA6/GF，可耐受高達800 V的電壓，并能有效阻止高壓電流，具有很強的阻燃性能，是電動汽車動力電池模塊外殼的理想材料；阿科瑪生產(chǎn)的Rilsan PA11 和Rilsamid PA12系列長鏈PA，因其優(yōu)異的柔韌性、力學強度、耐化學藥品性(耐燃油及金屬氯化鹽)等綜合性能，一直是全球汽車燃料管路、制動管路的首選材料。

　　

　　隨著車用PA替代金屬制件的逐步深入，高流動性、高耐熱、無鹵阻燃PA成為業(yè)內(nèi)研究的熱點。高流動性不僅可以提高PA制件的生產(chǎn)效率，降低加工成本，還可以提高汽車部件的外觀質(zhì)量；高耐熱PA不僅適用于200 ℃以上的高溫工作環(huán)境，還要求有較好的高溫性能保持率，如在1 000 h，210 ℃條件下拉伸強度和沖擊強度保持率不低于75%；鹵系阻燃劑雖阻燃效率高、對材料力學性能影響小，但燃燒時會產(chǎn)生濃煙和有害氣體，而磷系、氮系、無機金屬及納米無鹵阻燃PA將更環(huán)保安全。

　　

　　　　

　　4 ABS的車用及改性

　　

　　　　

　　ABS價格適中，廣泛應(yīng)用于機械、汽車、電子電器等領(lǐng)域。2021年，全球ABS產(chǎn)能超過1 200萬t，而我國產(chǎn)能為456萬t，但國內(nèi)ABS消費量達580萬t，而汽車、摩托車、電動車的消費總量占14%左右。

　　

　　ABS制件設(shè)計靈活、成型方便，且便于電鍍、噴漆、焊接，廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾件及結(jié)構(gòu)件，其在汽車上的用量占車用塑料總量的8%左右。ABS含有側(cè)苯基、氰基和不飽和雙鍵，為共混改性創(chuàng)造了有利的條件，其共混物的開發(fā)與生產(chǎn)是高分子共混改性中最活躍的一個分支。除耐熱、纖維增強及阻燃改性外，車用ABS的典型合金改性及應(yīng)用有：①ABS/PC合金的流動性、低溫沖擊性及熱變形溫度俱佳，常用于儀表板骨架、裝飾條、散熱格柵等；②ABS/PA合金密度低、韌性好、易成型、耐高溫，可用于空調(diào)出風口、儀表板及外飾件等；③ABS/PVC合金不僅耐低溫、耐沖擊、易成型，還具有較好的阻燃性和耐腐蝕性，常用于汽車儀表板、門窗密封條；④ABS/聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)合金具有尺寸穩(wěn)定性、耐化學藥品性、耐沖擊性、流動性優(yōu)異，對汽車大型塑料制件具有重要意義，可用于汽車儀表板、保險杠、座椅等。雪佛蘭科邁羅ZL1-1LE轎跑采用盛禧奧的Pulse 2000EZ ABS/PC合金取代金屬制作了功能性擾流板支柱，不僅零部件強度、剛度滿足要求，且造型時尚、空氣動力學性能良好，同時質(zhì)量減輕86%；上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司曾開發(fā)出BN0608汽車內(nèi)飾ABS/PA6合金材料，其無須噴涂便達到低光澤，能有效降低視覺疲勞，且表面具有細微磨砂感，耐刮擦性能優(yōu)異，可應(yīng)用于中央控制面板、空調(diào)出風口等；針對PVC/ABS合金在汽車儀表板中的應(yīng)用，我國工業(yè)和信息化部2016年曾頒發(fā)了《汽車用PVC/ABS真空吸塑儀表板表皮》(QC/T 29089-2016)，此標準規(guī)定汽車用PVC/ABS真空吸塑儀表板的規(guī)格、技術(shù)要求、試驗方法等；Toray (東麗)公司生產(chǎn)的VX10-X01 注塑級ABS/PBT合金具有較好的外觀、均衡的物理特性和優(yōu)良的模塑性，可用于汽車儀表板、擋泥板、把手等。

　　

　　隨著改性ABS制件在汽車上廣泛應(yīng)用，特別是汽車內(nèi)飾全塑化進程的推進，抗菌、防靜電、低噪音車用ABS成為業(yè)內(nèi)新興的熱點。劉三虎公開了一種汽車內(nèi)飾件用抗菌ABS復合材料及其制備方法，其組分為ABS樹脂(80～120份)、納米二氧化鈦(0.1～2份)、納米氧化銀(0.1～2份)、分散劑(0.1～2份)。其中分散劑是將棕櫚油和聚乙二醇混合后加入氧化鎂催化劑放入反應(yīng)釜中，在200～250 ℃條件下反應(yīng)3～5 h制得。經(jīng)多組實驗對比，該材料對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌合格率達100%。

　　

　　　

　　5 其它塑料的車用及改性

　　

　　　

　　除以上三種改性多樣、應(yīng)用豐富的車用塑料外，PUR，PC，PE，POM的改性及特殊用途也在汽車上得以充分展現(xiàn)。PUR材料包括泡沫、涂料、膠粘劑、合成革等多種樣式，而車用改性PUR以低VOC、阻燃的泡沫與合成革為主，如保險杠吸能塊、車門車頂填料、座椅面料等。PC具有較好的抗沖性、尺寸穩(wěn)定性，易加工成型，但耐蝕性欠佳，其在汽車上的應(yīng)用常以合金為主，如彈性體增韌PC/PBT合金和PC/聚對苯二甲酸乙二酯(PET)合金用于汽車門框、側(cè)護板、擋泥板等。同時，PC還具有獨特的高透光率、高折射率，高耐熱PC及PC/聚甲基丙基酸甲酯(PMMA)合金常用于汽車車燈、車窗。PE具有較好的耐低溫性、化學穩(wěn)定性和耐化學腐蝕性，而交聯(lián)PE具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而呈熱固性，其耐磨性、耐應(yīng)力開裂、耐候性、耐熱性均得以提升，其滾塑成型的油箱曾是唯一能裝汽油的滾塑PE制品。目前廣泛使用的多層油箱，常以高密度聚乙烯(PE-HD)為基礎(chǔ)層和裝飾層，以線性低密度聚乙烯(PE-LLD)為粘合層，以乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、PA等為功能層，經(jīng)多層共擠出吹塑成型。POM是最堅韌的熱塑性樹脂，其硬度、強度和剛性可以媲美金屬，被譽為“超鋼”“賽鋼”，同時，POM還具有較好的耐化學腐蝕性、自潤滑性、耐油性，其增強增韌改性后常替代銅、鋁、鋅等金屬材料制作汽車軸承、齒輪等零件；蔚來ES6內(nèi)飾、座椅采用了巴斯夫Haptex新型環(huán)保PUR，該材料不含有機溶劑，符合更為嚴格苛刻的VOC排放標準，同時具備比真皮座椅更好的耐用性、耐磨性和耐刮擦性；凱迪拉克CT6S的前照燈遮光罩采用贏創(chuàng)Acrylite LD96 PMMA材料制作，該材料的光散射特性將導光板轉(zhuǎn)換為完全照亮的面板，可與任何顏色的LED光源共用，且燈體晶瑩剔透，照明表面更大，具有更好的能見度；杜邦公司研制新型油箱阻隔功能聚合物合金材料SE-LARRB-M，它是由5%~7%的阻隔材料與PE-HD混合。由于阻隔材料呈盤狀分散于PE-HD中，不僅使燃油箱形成不連續(xù)的防滲透層起到阻隔汽油滲漏的作用，還使燃油箱的熱變形溫度和尺寸穩(wěn)定性提高；寶理生產(chǎn)奪鋼系列改性POM，具有耐疲勞、耐蠕變和耐摩擦磨耗等特性，被廣泛運用于車窗升降器、雨刮器、空調(diào)風向調(diào)解機構(gòu)的傳動齒輪。

　　

　　在全球“限塑令”及我國《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》《“十四五”塑料污染治理行動方案》等多項塑料污染治理政策的實施下，改性聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二酯(PBS)、聚羥基烷酸酯(PHA)等生物可降解塑料有望成為車用塑料的新寵。PLA的原料為乳酸，是生物基降解塑料的典型代表，其主要由玉米淀粉等生物質(zhì)資源合成，常以纖維增強改性的形式用于汽車領(lǐng)域。豐田的RAUM轎車曾采用洋麻纖維復合PLA制作備胎蓋板，PP/PLA改性材料制作門板、側(cè)圍飾板等。日本東麗公司生產(chǎn)的環(huán)保型PLA纖維材料曾用于豐田雷克薩斯HS250H油電混合轎車的車身和車內(nèi)地板覆蓋物，這種材料也被用于車內(nèi)頂棚和車門裝飾。上汽集團與同濟大學合作開發(fā)出天然纖維PLA復合材料，用于上汽自主品牌汽車的內(nèi)飾；PBS價格相對較低，也是國內(nèi)外生物降解塑料研發(fā)與應(yīng)用的重要品種，市場前景良好。全球領(lǐng)先汽車零部件公司佛吉亞和三菱化學合作，開發(fā)出一種天然纖維PBS聚合物，用于車門鑲板飾條、結(jié)構(gòu)儀表板和控制臺嵌件等；PHA是一大家族材料，我國對它的研究開始較早，并得到了科技部、國家自然基金委等重大項目支持，經(jīng)過多年的研究，技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平。PHA目前主要以紡織品的形式用于汽車腳墊、座套等，未來有望在低VOC、抗靜電、阻燃及力學性能提升等方面進行改性，以進一步推廣在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　

　　　　

　　6 結(jié)語與展望

　　

　　　　

　　輕量化不僅是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的有效方法，還是提升國家汽車產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力的重要途徑。改性塑料以其較好的成本優(yōu)勢、完美的減重效果、優(yōu)異的綜合性能，成為汽車不可或缺的輕量化材料。“三高一低”的PP，高流動性、高耐熱、無鹵阻燃PA在汽車上廣泛應(yīng)用。抗菌、防靜電、低噪音車用ABS已有大量成果涌現(xiàn)。PUR，PC，PE，POM的改性及特殊用途也在汽車上充分展現(xiàn)，生物可降解塑料的車用時代即將到來。在我國《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《塑料加工業(yè)“十四五”科技創(chuàng)新指導意見》等政策的進一步加持下，改性塑料必將在汽車領(lǐng)域迸發(fā)出更為強大的生命力。