当前在汽车工业中已大量使用塑料以代替各种有色金属和合金钢材,这是汽车工业提篼设计的灵活性,降低零部件加工、装配和维修费用的有效途径。同时采用塑料生产汽车车身和零部件也是实现汽车轻量化、节能化的主要方向之汽车应用塑料车身及其它塑料零件,还能减少工厂设备的投资,减轻劳动强度。一个制造塑料车身的工厂占地面积只有传统车厂的1/4,生产成本只有钢质车身的1/3,因为它可以取消投资庞大的喷漆车间。
车用塑料的使用已成为衡量汽车工业发展水平的标志之一。
1汽车部件塑料化现状20世纪90年代初,工业发达国家平均每辆汽车使用塑料100~130kg,1992年已增加到269kg,预计到2001年将增加到337kg,占车重的22.7%.据杜邦公司预测,到2009年,北美洲轿车和轻型卡车塑料总需求量将增加25%,汽车工业的塑料需求量将达230万t.在汽车零部件中,聚丙烯(PP)是用量最大的热塑性塑料,仅北美洲每年的用量就达戴姆勒-克莱斯勒汽车公司正在开发一项与传统方法完全不同的汽车生产工艺,一旦成功,将对整个汽车工业的加工方式产生革命性的影响。这就是用巨型注塑机成型翼子板、前照灯面板、发动机盖、后围板等。
目前,戴姆勒-克莱斯勒汽车公司已在一些车辆上使用塑料翼子板、后尾门,并将塑料整体结构用在奔驰A型车和超微型车“SMART”上,跑车SLR的车身也将使用碳纤维复合材料。有关工程负责人认为:“可以用注塑的方法制造汽车内的各种零件”。
与此同时,美国的两大汽车公司通用和福特公司也不甘落后,全力研制它们的复合材料零件。
通用汽车公司卡车分部的零件供应商已采用模塑技术生产不同类型的塑料零件,包括全塑料车架。两年来通用汽车公司对48辆安装复合材料样板底盘的皮卡进行了耐久性试验,试验地点选在条件恶劣的地方,如硫矿区和沥青砂岩地面,并用沉重的尖头钢对它撞击仍完好无损。另有一种装备复合材料底盘的雪佛兰皮卡也已面市。
福特汽车公司也推出复合材料皮卡底盘,将装备于“探索者”皮卡上。这种底盘是用片状模塑料制成的,具有较好的成型性和抗紫外线性能。
2车用塑料部件的应用2.1发动机塑料在汽车发动机的制造中扮演着重要的角色,从空气吸进系统、冷却系统到发动机的部件,塑料不仅使发动机系统更容易设计和装配,而且也使发动机更轻。
与燃料混合的气流数量和质量是至关重要的,它除了决定发动机的寿命外,在发动机运转时还决定着发动机的功率和平稳性。由于有几十立方米的气流通过发动机,所以应尽可能保持气流的洁净,阻止因外来颗粒的形成和沉淀而造成对发动机部件的损害,以便发挥发动机的最大功能。如果不实行空气滤清,则不洁的空气会使发动机停止工作。例如,微粒沉淀在火花塞周围就会阻止燃料燃烧,堵塞气管通道,或者阻止汽缸阀门打开和关闭。
聚酰胺(PA)和PP可用来制造气流的净化系统,从不洁空气中分离出尘埃和微粒,威尔斯第耳自动系统制造的空气净化装置就采用了大量的PA绒。近来生产的输气管和节流阀已使用了PBT.近来制造的塑料摇杆、封盖合二为一,这不仅节约了制造材料和装配成本,也减轻了发动机质量,有益于整个发动机的轻量化和提高燃料的利用率。
吸进管能够将干净平稳的燃料送至发动机,它的正确设计是发动机平稳运行的基本要求。塑料给设计师更大的自由度,有助于更容易地完成设计吸进管的任务。塑料吸进管几乎全部由PA构成。PA表面光滑平整,在使汽车功能最大化的同时,能降低噪音和震动。
塑料在汽车输油管的应用中也有着重要的意义。输油管是将燃料传至阀门和喷射头的管道。塑料燃油管成本低、可总成,并且具有耐腐蚀、质轻、形状稳定的特点。近来德国一汽车厂首次成功地使用含有一整套输油系统的气流吸进阀。为了开发新一代空气、燃气混合仓,发动机设计者在设计中采用了更多的塑料部件,包括空气净化器、电子控制装置、燃料管、喷射头、模拟压力传感器、气体温度传感器、压力调节器、节流阀等的零部件可被制成一个装配好的部件单元,因而方便了汽车装配,提篼了操作效率,降低了装配过程中的制造成本。
在发动机摇杆罩中使用塑料对节约原料、节省装配时间和降低成本来说,意义非常重大。塑料的低密度和可整合性有助于减轻车重和NVH(表征轿车降噪、减震、提高乘座舒适度的综合指标)水平。NVH的降低可以提供一个更舒适的环境,零件接口处的较小压力也可以延长部件的寿命。典型的塑料发动机摇杆是用篼密度聚乙烯(HDPE)或PA制成的,两种材料都可以添加颜色,很少或基本不需要切削加工。
用HDPE或PA制造的发动机外罩比较美观,而且随着顾客对车内样式追求的不断增长,更多的汽车发动机采用塑料外罩。
对发动机零件来说,采用塑料调速阀是一项卓新。设计的塑料电子调速阀被用来替代目前的机械调速阀。
发动机的机油盘由乙烯基酯树脂和PA制成,可以制造出包括气流盘、垫圈、过滤器和对接传感器的大规模的、整体的、容易装配的组件。
散热片是汽车重要的部件之一。由于冷却技术的革新,以及塑料在散热板式末端容器中的使用,散热片比以前更轻,塑料的可塑性使散热片小巧而美观;塑料的高耐腐蚀性有利于阻止塑料散热器泄漏,用的材料是PA.散热片是汽车冷却系统的基本部件,既要承受发动机释放出的高温,又要抵御在散热片中使用的冷却液的腐蚀。由于PA耐高温的特性,可以使散热器的底盘保持完整而不会产生任何的弯曲,不会减少散热器的气体流动。PA的轻质和易伸缩性使散热片底盘可由更小的部件组成,因而可以减轻整体质量。由PP制成的散热器底片和由PA制成的底盘特点相似,目前在制造中都比较流行。
另外,PA和聚苯硫醚(PPS)都有很强的耐腐蚀性和耐高压的性能,使它们成为制作水杲的理想材料。
2.2保险杠聚烯烃热塑性弹性体(PO-T)保险杠1998年PO-T占世界汽车保险杠原料市场的85%,其中在欧洲占汽车保险杠原料市场的90%,在美国占75%,在日本占95%.PCVT在保险杠市场中份额持续上升的重要原因是材料性能的大幅度提高,特别是弯曲弹性模量、低温耐冲击性和熔体流动速率的改善,这些性能的提高有助于减少保险杠壁厚、减轻质量、降低材料消耗和缩短加工时间,并使保险杠性能保持不变。
DS国际塑料公司推出汽车用新一代PO-T,用作汽车保险杠,壁厚可由3.5mm减至2.5mm,使保险杠减轻31%(1.18kg),成型周期缩短15s.与原来的POT相比,其弯曲弹性模量提高1倍(1 482.4MPa),拉伸强度提高60%(27.6MPa),硬度较高(洛氏硬度为75~80),熔体流动速率也提高1倍(15~25g/lOmin)。此外,新一代PO-T的低温耐冲击性、耐化学药品性和涂装性也较优越。该公司推出的混合型KVT产品具有线胀系数低、尺寸稳定性好、能满足汽车配件对尺寸偏差日益严格的要求,以及较低的收缩率、高的流动性、良好的涂装性和低温耐冲击性等优点,已用作新的大众Beetle车的保险杠。该车在公路安全保险协会进行的小型汽车碰撞试验中性能最佳。Mwitell公司生产的高弯曲弹性模量PO-T已被用于汽车保险杠,其壁厚从3.2-3.5mm降为2.4mm,件重为2.37kg,大大节省了成本和缩短了成型周期,显示出巨大的应用潜力。Exxon化学品公司推出一种以茂金属催化合成的改性PO-T,质轻并可加工成薄壁保险杠,壁厚减少了25%以上。
PP具有价格低、设计自由度大、可注射成型等优点。保险杠材料大部分采用可注射成型的三元乙丙橡胶(EPDM)改性PP,它的冲击强度很高(常温400J/m、低温50J/m)。这种增韧交联改性材料具有网状结构,大幅度提高了冲击强度,可满足保险杠耐冲击、耐热、耐老化、耐低温及刚性、韧性好的要求。
国内开发汽车保险杠PP专用料较早的北京化工研究院先后为切诺基、大发、夏利、桑塔纳和富康等车型配套研制了20多个牌号的PP专用料。其中AB-23是该院为上海大众汽车公司桑塔纳轿车研制的保险杠专用料,它采用共混改性技术,以PP为主体,与EPDM共混,并加人抗氧剂、耐热剂、耐光'剂等助剂,通过双螺杆挤出机挤出加工而成。产品冲击性能好、耐候性能优异、热稳定性好、加工成型性优良,质量达到德国大众汽车公司标准要求。中石化金陵石化公司化工一厂生产的车用PP保险杠,是以液相本体法PP粉为基料,以乙丙橡胶为主要改性剂,采用非过氧化物作为交联体系,并且加人刚性树脂,经双螺杆挤出机挤出造粒而成。
上海交通大学高分子材料研究所研制的高韧性、高流动性车用PP保险杠材料是采用无定形乙丙橡胶、结晶性乙丙橡胶、均聚PP和多羟基甲基叔丁基酚醛树脂和HDPE等以不同配比制成的。从改性料的冲击韧性分析,无定形乙丙橡胶用量超过25%以后,韧性不再提高反而下降,但用结晶性乙丙橡胶能使材料的冲击强度仍有一定程度上升。同样用量的结晶性乙丙橡胶能使材料的弯曲强度明显高于无定形乙丙橡胶。吉林化学工业公司研究院以EPDM与PP共混,并添加适当的填充剂、抗氧剂、改性剂等开发成功车用保险杠专用料,其熔体流动速率在4~16g/10min范围内任意调节,冲击强度提高10倍。合肥汽车制造一分厂采甩PP/PE嵌段共聚物、EPDM和HDPE共混,并添加微细滑石粉及改性剂等研制开发的改性车用PP专用料,具有良好的力学性能及尺寸稳定性。青岛化工学院与青岛塑料八厂合作,以EPDM为主增韧剂,以(苯乙烯/r二烯/苯乙烯)共聚物(SBS)为辅增韧剂,以过氧化苯甲酰为交联剂,与PP共混改性,使共混材料的力学性能得到改善。通过加人适量的滑石粉,材料的弯曲强度能够得到保证。
可喷涂性车用PP保险杠是我国“九五”重点攻关项目之一,在力学性能、耐光性和耐候性等方面有更高的要求,是提高汽车整体美观性的重要因素。可喷涂车用保险杠有许多优点:容易实现不同亮度、不同装饰水平的各类颜色,以及几类颜色之间的相互配合使用;耐环境老化,表面硬度可由表面涂层来控制;金属或多重涂料的出现,可使这些塑料件同金属外壳有同样的颜色并带有光泽,这对汽车保险杠及外装饰件是十分重要的。
生产可喷涂车用PP保险杠的配方中含有极性材料。清华大学采用极性单体(甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等带有极性基团的单体)和共接枝单体进行多组分熔融接枝改性PP.该方法克服了传统的单组分熔融接枝改性中PP基材易发生降解、力学性能下降且极性单体接枝量不高的缺点,从而得到了一种高极性且力学性能优良的PP材料。将少量该材料与PP、EPDM、PE共混,并添加助剂,就可得到高流动性、高冲击性能且具有良好的可喷涂性能的保险杠。北京化工研究院成功开发出桑塔纳2000轿车用可喷涂性PP保险杠和防护板专用料。上海石油化工股份有限公司研制的产品的性能达到或超过进口同类产品水平。华东理工大学与上海延峰汽车饰件有限公司合作开发的可喷涂性PP保险杠专用料的力学性能、加工性能,以及成型收缩率与进口同类产品相当,可喷涂性明显优于进口产品。
EPDM/PP热塑性弹性体具有优异的耐候、耐臭氧、耐紫外线性及良好的耐高温性、耐冲击性能,其耐油性和耐溶剂性与通用型氯丁橡胶不相上下,可以用普通热塑性塑料的加工设备进行加工,具有加工简便、成本低、可持续生产并可回收利用等优点。
用EPDM/PP制成的汽车保险杠具有高刚性、耐冲击性、较好的光泽、弹性及易涂装等性能,特别是冲击韧性好,汽车高速行驶时受到冲撞也不易破碎,而且装饰美观,可注射成型。其性能与聚氨酯保险杠差不多,而成本低10%-20%,这是EPDM/PP汽车保险杠发展的重要原因。
2.3仪表盘汽车仪表盘专用料以PP、橡胶、填料及加工助剂通过双螺杆挤出机加工而成。关键技术是保证材料的刚性、韧性平衡,以及耐冲击性、耐热性、加工成型性和尺寸稳定性。
洛阳石化总厂研究所研制的汽车方向盘PP专用料,以过氧化物为引发剂,用马来酸酐对部分PP、SBS和EPDM进行接枝,以改进各组分性能,加人LDPE和多种无机增强剂制成的汽车方向盘PP专用料的韧性超过通用注塑级PP料8倍,强度达到通用PP的90%以上,并提高了材料对金属的粘结力。
Exxon化学公司推出共混型POT,用作模塑着色的硬仪表板,具有出色的刚性、耐冲击性,以及低收缩率下的长期耐候性。
2.4车身外板及外装饰件POT能应用于车身外板是由于开发了尺寸稳定的P-T配混料,通过配混矿物、玻璃填料与橡胶,已将POT的线胀系数降低50%-75%,并且刚度、光泽度、耐冲击性和耐擦伤性也都很高。高模量、低线胀系数的POT还可作汽车外装饰件,包括散热器格栅、车轮护罩、车门槛板等。
DS国际塑料公司推出的低线胀系数(仅为通用P"T的50%)POT系列的弯曲弹性模量为552 ~2275MPa,这对制造尺寸较长的外装件很有利,可省去为防止弯曲而设计的支撑部分,用作侧面模塑件和车门槛板,20%矿物增强品级的POT的弯曲弹性模量为2 275MPa,性能与一种PC/ABS合金相同,而质量要轻7%,可用作车身护板、车轮护罩、仪表板等,能满足耐热冲击标准要求;混合型P0-T产品具有篼光泽,弯曲弹性模量为550MPa,主要用于汽车侧身彩色模塑件。DS国际塑料公司还在研究开发KVT车身外板,如翼子板、后侧板、车门面板等。
Mmtell公司生产的矿物增强P0*T已用于小客车的后盖板;低模量聚合型POT已用于ChryslerCirvus车的散热器格栅,具有可变的明亮的光泽;混合型POT产品为PP/EPDM动态硫化产品,其线胀系数比普通级低50%,性能接近热塑性聚氨酯弹性体,可用于汽车的后盖板。
美国通用汽车公司和蒙特北美公司成功生产出纳米级微晶高岭土填充KVT复合材料,使POT刚性提高,其效果与填充25%~30%滑石粉材料相当。较低填充量可降低密度,降低成型部件的表面粗糙度,特别是上漆部件外观大为提高,其收缩率也仅是标准POT的一半,用此材料已生产出汽车后部板和外门板。该公司还计划开发其它纳米级复合材料系列,同时也在考虑其它方面潜在的应用,如保险杠外罩、仪表板、散热器格栅、发动机箱等。
Exxon化学品公司推出的茂金属POT,具有良好的刚性和延展性,用作汽车的车体侧板模塑件;高熔体流动速率(70g/10min)的牌号,可用作车门装饰板。
2.5蓄电池外壳目前国内科研单位用EPDM、LDPE、成核剂和PP共混改性,制成蓄电池PP专用料。其熔融流动性好、密度适中、力学性能良好、成型收缩率低。
3其它汽车部件机动车身门、窗及其它部件的密封材料也可使用P0-T.目前机动车车身密封都采用EPDM,每辆车约用12kg.欧洲每年生产1200万辆机动车,总需求量超过15万t/a,而全世界约需44万1/a.仪表板、车门内装饰板等大型部件目前多用PVC制作,但将逐渐被P0-T取代。与PVC相比,除了可回收性外,POT还有长期耐紫外线性、颜色稳定性好、质轻、无增塑剂迁移问题等优点。但P0-T的缺点是缺乏轻质PVC皮革样的柔软触感,不过利用与苯乙烯类弹性体和硫化胶等填充剂掺混的新配混技术,已使P0-T能具有与PVC十分接近的柔软性。
中科院化学研究所开发的汽车内顶复合板材以高填充、高刚性、高韧性及高耐热性的PP合金为基材,并加入聚氨酯泡沫塑料/无纺布片材,采用在线复合工艺制成。燕山石化公司树脂应用所采用双波纹热切造粒法研制出冲发泡专用料并制成板材,发泡效果良好,可替代聚苯乙烯泡沫塑料,用于生产汽车门内衬板。汽车气囊、水箱面罩、导流板、护栅、倒后镜、行李箱衬里等零部件也可采用PP制造。
4我国车用塑料发展前近年来我国汽车用塑料量有了显著的提高,如上海生产的桑塔纳轿车每辆车的塑料用量已增加到46kg.据预测,我国汽车产量在2000~2005年将达到300万辆,2005~2010年将达到300~600万辆,其中轿车占60%、轻型车占25%.由此推算,在2001-2005年我国车用塑料需求量为24万t,单车平均为78.02kg.汽车工业已成为我国的支柱产业,将会带动我国车用塑料市场需求的增长。
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