車用塑料的應(yīng)用進展

劉航

摘要：

以聚丙烯（PP）、聚氨酯（PU）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）為例，介紹了塑料在汽車上主要應(yīng)用部位，分析了塑料應(yīng)用于汽車零部件的進展情況，指出纖維增強PP、聚氨酯彈性體和ABS合金將在未來得到更深入的開發(fā)和應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：車用塑料；應(yīng)用；進展

引言

當(dāng)今社會對節(jié)能與環(huán)保的要求使輕量化成為現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向之一。行駛同等公里數(shù)時，汽車自重每減少10%，燃油消耗量可降低6%～8%，污染物排放量也隨之降低[1]。采用塑料這種輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)車用金屬材料，是實現(xiàn)汽車輕量化的有效手段之一。隨著塑料應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和各國政策的逐漸支持，塑料在世界先進汽車上的使用量由占總重的6%增至20%。我國汽車消費塑料總用量的排列次序為聚丙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、不飽和聚酯、ABS、酚醛樹脂、聚乙烯和聚酰胺[2]。本文以國內(nèi)車用塑料中用量較大的三種材料，聚丙烯（PP）、聚氨酯（PU）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）為代表，介紹車用塑料的應(yīng)用進展。

1.聚丙烯

聚丙烯及其改性塑料是汽車上用量最大的塑料，約占世界汽車塑料總用量的21%，約占國內(nèi)汽車塑料總用量的40%[3-5]。聚丙烯材料在汽車上獲得如此大規(guī)模應(yīng)用的主要原因是具有密度小、無毒無味、抗彎曲疲勞性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、產(chǎn)量大、性價比高、易于加工成型和可回收利用等優(yōu)點，并且可以通過共聚、共混、填充增強等方法來克服材料本身耐低溫沖擊性差、收縮率較大、不耐磨和易老化等的缺陷。將聚丙烯改性后使用，是當(dāng)前汽車上使用聚丙烯材料的主要方法。改性聚丙烯主要分為兩種，一種以彈性體和/或滑石粉為主要添加材料，另一種以纖維為主要增強材料。

用于聚丙烯改性的彈性體主要有乙丙橡膠（EPR）、三元乙丙橡膠（EPDM）和丁苯橡膠（SBS）。就PP/彈性體二元體系來說，加入三元乙丙橡膠時，增韌改性效果最佳并且當(dāng)前用量最大的，加入20%wt的EPDM使缺口沖擊強度提高了160%左右[6]。使用這種材料的廠商包括一汽奧迪、東風(fēng)雪鐵龍、上海桑塔納、天津夏利和北京切諾基等，主要應(yīng)用于保險杠面板、儀表板、手套箱、杯托、下格柵和霧燈蓋板等。加入EPDM會導(dǎo)致剛性和加工性能的下降，加入滑石粉可起到改善作用，所以PP/EPDM/滑石的三元共混體系也有一定應(yīng)用[7]。以EPR為主增韌劑的改性聚丙烯，通常會輔以一定量的聚乙烯，并添加一定量的無機填料和添加劑，可用于汽車保險杠和鉛酸蓄電池外殼[8]。以SBS為主增韌劑的改性聚丙烯，通常添加滑石粉和碳酸鈣、降解劑和內(nèi)外潤滑劑，硅烷偶聯(lián)劑界面相容劑、抗氧化劑等，可用于經(jīng)濟型轎車的方向盤和儀表盤[8]。對使用彈性體改性聚丙烯的一項最新研究表明，均聚和共聚聚丙烯各占總重的30%，熱塑性彈性體占18%，滑石粉占20%，抗氧化劑、偶聯(lián)劑等助劑2%為汽車內(nèi)飾件的最佳綜合性能配比[9]。

單獨以滑石粉作為主要添加材料的改性聚丙烯相對于純PP綜合力學(xué)性能有了較大的提升，缺口沖擊強度最高可提升109.5%[6]。再增加適當(dāng)增加高分子界面增容劑和彈性體，可用于空調(diào)外殼、出風(fēng)口、進氣格柵，立柱護板，燈具燈體，內(nèi)后視鏡鏡殼和門內(nèi)板等。以彈性體和/或滑石粉為主要添加材料的聚丙烯仍在不斷的優(yōu)化和改進中，豐田公司就開發(fā)出汽車儀表盤和保險杠用高取向結(jié)晶性的“新一代”聚丙烯配混料，性能與熱塑性聚烯烴（TPO）相當(dāng)，成本低30%。

纖維增強聚丙烯是近年來發(fā)展較快的改性聚丙烯，成分通常是玻璃纖維或有機纖維、無機填料（滑石粉、碳酸鈣）、彈性體和添加劑。玻璃纖維增強聚丙烯相比無增強聚丙烯，缺口沖擊強度最高可提升286.5%，拉伸強度最高可提升175%，彎曲強度最高可提升246%[6]。另外，含有玻璃纖維的聚丙烯具有良好的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性。短纖維增強的應(yīng)用是通過注塑成型制成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，例如引擎蓋開啟拉手、外后視鏡基板、外門把手。長纖維增強的應(yīng)用是通過壓鑄成型，制成底部護板、發(fā)動機蓋板、凈水器濾瓶、汽車擋泥板和冷卻風(fēng)扇葉等。最新的應(yīng)用報道是雷諾在其Modus汽車上使用長玻纖增強聚丙烯制造后門、水箱和保險杠。另外值得一提的是，我國已經(jīng)研發(fā)出一種電學(xué)性能優(yōu)良、阻燃性能良好的玻纖增強聚丙烯，預(yù)定用于汽車分電器蓋，為改性聚丙烯應(yīng)用于汽車電器件奠定了基礎(chǔ)[8]。

其他改性聚丙烯的應(yīng)有還包括：聚丙烯/聚酰胺（PA），可用于制作輪罩護板、擋泥板等零件；PP/聚乙烯（PE），可用于門內(nèi)飾板[6]。用天然纖維如亞麻、劍麻代替玻璃纖維增強聚丙烯制作車身底板，制件更易于回收，避免工人除因玻纖引起的皮疹和呼吸道疾病[10]。耐磨聚丙烯可取代聚甲醛塑料，應(yīng)用于齒輪、軸等耐磨制品[11]。另據(jù)報道，我國開發(fā)出的聚丙烯免噴涂金屬光澤產(chǎn)品，具有工藝簡單（一次注射成型）、環(huán)保（不產(chǎn)生揮發(fā)性有機化合物）、成本低，易回收等優(yōu)點，預(yù)計可應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾件，如儀表盤、門內(nèi)飾板、保險杠、格柵和防擦條等[12]。

PP改性塑料還應(yīng)用于車身暖風(fēng)組件、散熱器罩、護風(fēng)圈、暖風(fēng)機殼、加油踏板、轉(zhuǎn)向護套及雜物箱等部件。盡管有人認為PP是用于經(jīng)濟型轎車的首先材料，但是隨著改性PP的性能的不斷提升，特別是玻纖增強PP的發(fā)展，將使聚丙烯迎來更加廣闊的應(yīng)用。

2.聚氨酯

聚氨酯具有可發(fā)泡、可塑性好、回彈性好、粘結(jié)性好、耐磨、耐低溫、耐溶劑、抗紫外線、無污染、無毒無害等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車中，占世界汽車工業(yè)塑料用量的20%[13]。聚氨酯材料不像聚丙烯那樣具有十分清楚的結(jié)構(gòu)，它通常指含有特定基團的一類聚合物。通過采用不同原料來調(diào)節(jié)NCO/OH的比例，以制得預(yù)定產(chǎn)品，例如聚氨酯泡沫塑料、聚氨酯彈性體、聚氨酯復(fù)合材料、膠黏劑和涂料等。

聚氨酯泡沫塑料通常分為軟質(zhì)、半硬質(zhì)、硬質(zhì)、自結(jié)皮和反應(yīng)注射成型泡沫塑料等。軟質(zhì)、半硬質(zhì)和硬質(zhì)泡沫塑料是由傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出的、按照整體韌性程度劃分出的。自結(jié)皮和反應(yīng)注射成型泡沫塑料是由較新的工藝生產(chǎn)出的泡沫塑料。軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料韌性好、壓縮永久變形小、回彈快，通常由于制造座墊、座椅靠背、頭枕、裝飾條、足墊、隔音墊、密封墊等。半硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料抗壓能力好、減振性能好，最典型的應(yīng)用是中高檔轎車的儀表盤，還可用于止推墊、柱狀物、喇叭蓋、扶手、頭枕、遮陽板、地板背襯阻尼層。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的隔熱性能非常出色，同時又具有密度低、強度高、尺寸穩(wěn)定好等優(yōu)點，是豪華客車和冷藏專用車車廂的首選保溫材料。另外，還可用作轎車車門內(nèi)襯及內(nèi)裝板、座椅靠背蓋殼、空調(diào)風(fēng)管、油浮子以及發(fā)動機隔熱罩等。自結(jié)皮聚氨酯泡沫塑料采用了一種特殊工藝，使聚氨酯原料一次性形成帶堅實表皮的制品，最具有代表性的零部件是方向盤。制品表面堅韌致密、內(nèi)部是具有高回彈性的內(nèi)芯，從內(nèi)到外密度逐漸增大[14]。這種工藝還可用于制造扶手、頭枕、喇叭蓋、擾流板、變速手柄等零件。反應(yīng)注射成型制得的泡沫塑料可應(yīng)用于汽車保險杠、發(fā)動機氣門室罩和油底殼[11]。傳統(tǒng)車用聚氨酯泡沫坐墊大多硬度均一，近年發(fā)展趨勢是雙硬度或多硬度泡沫，使坐墊中部柔軟、兩側(cè)較硬。兩側(cè)堅硬部分提供支撐性能，當(dāng)汽車高速行駛或轉(zhuǎn)彎時，有助于保持駕駛員和乘客的身體穩(wěn)定，提高乘坐的舒適性[15]。有報道稱德國寶馬汽車旗下部分車型已采用雙硬度PU泡沫塑料坐墊。

聚氨酯彈性體可分為澆注型聚氨酯彈性體（CPU）、熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）和微孔彈性體。CPU的承載能力強、抗撕裂強度高、耐磨性能好，通常用于制造減震緩沖塊、軸承套、汽車輪胎、鋼板彈簧吊耳襯套、門鎖、手柄軸密封圈、轉(zhuǎn)向節(jié)襯套等[13]。TPU在具有高伸長率和高彈性的同時，還具有較高的模量、強度和耐老化性能，適合于制造減震墊塊、鋼板彈簧隔墊、彈簧線圈護套、齒輪傳動裝置單、車窗件、裝飾護條、傳送皮帶、頂蓬等。TPU產(chǎn)品的廢料還可以回收再利用[16]。TPU另外一種廣泛應(yīng)用的形式是與其他塑料結(jié)合使用，例如玻纖增強TPU/PP復(fù)合材料，質(zhì)輕、可回收，預(yù)計可用于支架結(jié)構(gòu)；TPU/聚碳酸酯（PC）塑料合金可改善PC塑料的韌性、缺口敏感性，擴展了PC在汽車上的使用；TPU/尼龍6（PA6）塑料合金能夠綜合PA6的強度高、耐腐蝕等優(yōu)點和TPU的高彈性、高韌性等優(yōu)點，使得該合金成為目前在汽車工業(yè)上極具潛力的塑料合金。微孔彈性體與上述兩種彈性體相比，更加柔軟，尺寸穩(wěn)定性和耐撓曲性能更為優(yōu)異，并具有獨特的隔音、消振的性能優(yōu)勢，最重要的應(yīng)用是在高級轎車中替代橡膠材料用作車身底板減震墊。另外還可以制造方向盤、濾清器密封墊、保險杠、止位塊、密封條、擋泥板、側(cè)防護條、擾流板、緩沖件、車內(nèi)轉(zhuǎn)角立柱、行李箱底板及蓋、卡車承載地板等[13]。

聚氨酯復(fù)合材料通常是指以玻璃纖維、天然纖維或碳纖維為增強體的聚氨酯產(chǎn)品。通常用于制作座椅緩沖層、隔音阻尼密封墊及條、車門內(nèi)襯、頂襯、保險杠外殼、側(cè)梁外板、側(cè)嵌條、導(dǎo)流板、輪罩拱、長流道等[17]。例如德國寶馬某型汽車的儀表盤、方向盤采用了一種長纖維增強PU復(fù)合材料；德國贏創(chuàng)開發(fā)的高性能硬質(zhì)PU泡沫和碳纖維PU復(fù)合材料面板組成的夾層結(jié)構(gòu)部件，已用于車頂、掀背式后門、引擎蓋及車門等車身部件[16]。采用天然微孔木質(zhì)纖維素制得的PU復(fù)合材料具有隔熱、隔音的特點，可用于內(nèi)飾件、襯板、頂棚、隔音墊等。聚氨酯復(fù)合材料的制造工藝包括反應(yīng)注射成型（RIM）、增強反應(yīng)注射成型（RRIM）和結(jié)構(gòu)型反應(yīng)注射成型（SRIM）。德國克勞斯瑪菲（KraussMaffei）公司采用這三種工藝制成纖維基PU復(fù)合材料系列產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于歐美和我國高檔汽車內(nèi)飾件和外飾件以及空氣過濾器、電纜護套和窗戶封裝等零部件。最新發(fā)展出來的制造工藝有拉擠、纏繞、真空灌注和長纖維噴射等，已應(yīng)用于轎車、卡車和越野車的大型結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)[16]。

聚氨酯膠黏劑也是聚氨酯在汽車上的應(yīng)用之一，可以粘接不飽和聚酯增強模塑（SMC）材料，進行風(fēng)擋玻璃粘接與密封，以及點火線圈和空調(diào)件的灌封等。環(huán)保、無溶劑PU結(jié)構(gòu)膠黏劑是目前較為先進的品種，可用于玻纖增強塑料（FRP）和片狀模塑復(fù)合材料（SMC）與車身構(gòu)架組裝時的粘接。聚氨酯制成的合成革，具有無味、手感柔軟、耐磨性好、抗撕裂強度高、成品色牢度好等優(yōu)點，在汽車中也得到了廣泛應(yīng)用，更成為高檔汽車不可缺少的高級內(nèi)飾環(huán)保材料。另外，聚氨酯也可制成涂料，用于涂裝或修補內(nèi)飾件、外裝件和車體等[13]。

3.丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物是由丙烯睛、丁二烯、苯乙烯共聚而成，它綜合體現(xiàn)了這三種材料的優(yōu)良性能，具有抗沖擊、耐高低溫性能好、強度和硬度高、電氣性能優(yōu)良、尺寸穩(wěn)定性好等性能優(yōu)點，以及表面光澤性好、易加工、可表面噴鍍等工藝優(yōu)勢。ABS及其復(fù)合材料在汽車工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，占車用塑料總用量的8%[18]?？刂艫BS中各種組分的比例可以調(diào)節(jié)其性能，生產(chǎn)出滿足不同需求的產(chǎn)品。因而ABS的分類較為多樣，例如按照性能可分為低氣味型、消光型、電鍍級、耐熱型、耐候型、阻燃型，或者基于其工藝性能劃分通用型、擠出型、高流動型、注射型、擠出型、吹塑型等。

低氣味型ABS是指其中的小分子不易揮發(fā)到空氣中，可減輕駕駛室內(nèi)污染，因此主要用于中高檔轎車的內(nèi)飾件，例如內(nèi)門板、儀表板飾框、手套箱、中控儀表板等面積大，直接暴露在空氣中的零部件[10，18]；消光型ABS是對ABS基本材料進行了一定改性，提高表面粗糙度，從而使照射在上面的光線散射，達到消光效果，可用于制造方向盤、中控儀表盤等對光線敏感的部件；耐熱型ABS通常用于制造車內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口、散熱格柵等耐熱部件以及燈殼部件；電鍍級ABS和耐候型ABS主要應(yīng)用于外飾件，例如散熱格柵、飾標(biāo)、牌照板、鏡框等[18]。采用注射工藝加工ABS的典型代表是某型奧迪轎車，其門內(nèi)板的骨架部分由ABS注塑而成，再把襯有PU發(fā)泡材料的滌綸表皮以真空成型方法，復(fù)合在骨架上形成一體。

將ABS與其他塑料共混，形成合金，是當(dāng)前最熱門的研究領(lǐng)域。PC/ABS合金是其中的一種典型代表，據(jù)報道該合金的產(chǎn)量以每年10%的速度增長。它具有沖擊韌性好、尺寸穩(wěn)定性好、耐熱性和耐候性好等性能優(yōu)點，可用于汽車內(nèi)飾的儀表板面板、副儀表板等陽光照射的地方，以及內(nèi)外門把手、車輪罩蓋、車燈支架、標(biāo)牌字牌等[4]。早先PC/ABS內(nèi)飾件需要噴涂啞光漆，以達到耐刮蹭的目的和減少駕駛員視覺疲勞的功能。目前國內(nèi)已經(jīng)成功研制出啞光級PC/ABS系列材料，應(yīng)用于上海大眾汽車斯柯達晶銳汽車的方向盤上下蓋板以及上汽紅巖的依維柯重型卡車儀表板的下部材料，直接外露無需噴漆[10]。當(dāng)采用注射工藝加工PC/ABS時，還可以生產(chǎn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的殼體、骨架等。PVC/ABS合金可用來制作內(nèi)飾嵌條、密封條、儀表板等，例如桑塔納的車頂嵌條、內(nèi)水切密封條，捷達的儀表板、車頂嵌條、AB柱總成[18]。PA/ABS合金可用于制造汽車儀表板、排氣孔部件風(fēng)扇的減振器和儀表殼體等，其中PA/ABS啞光材料具有特殊的表面柔和啞光效果，成功應(yīng)用在雪鐵龍、標(biāo)致多種車型的儀表板周邊部件，例如控制面板、儀表盤罩兩端側(cè)板等。另有報道稱，法國拜耳公司的研究人員使用聚酸胺、ABS聚合物和礦物質(zhì)填充物制造出一種在頻繁撞擊、惡劣氣候的場合下能夠保持尺寸穩(wěn)定的混合物，適合于制造擋泥板。

4.結(jié)束語

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，帶動了車用塑料的跨越式前進。通過添加物改性、纖維增強、合金化等方法，塑料在汽車上的應(yīng)用得到了極大的擴展。預(yù)計在未來，纖維增強PP、聚氨酯彈性體和ABS合金將會得到更加深入的開發(fā)和利用。

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