塑料在汽車輕量化中的應(yīng)用

呂吉平

（青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東省青島市 266100）

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，2019年我國汽車保有量達(dá)到了2.6億輛，汽車保有量的急劇增加，導(dǎo)致對(duì)能源的需求日益增多。尾氣排放是造成霧霾的因素之一，能源問題和環(huán)境問題已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展所面臨的主要問題。研究表明，降低汽車質(zhì)量能夠有效降低油耗以及排放量，整車質(zhì)量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放量下降4%～10%，在保證汽車安全性能的基礎(chǔ)上，輕量化已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要課題［1-3］。本文主要綜述了汽車輕量化的意義和現(xiàn)狀，主要從外飾件、內(nèi)飾件、車身覆蓋件、車窗及功能結(jié)構(gòu)件等方面闡述了塑料在汽車輕量化中的應(yīng)用。

1 汽車輕量化的意義

隨著世界各國對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日益增高，各國政府紛紛制定相關(guān)法律法規(guī)，促進(jìn)節(jié)能減排。我國提出2020年汽車燃料油消耗量要達(dá)到0.05 L/km，這對(duì)汽車企業(yè)提出了更高的要求。汽車輕量化是降低油耗，達(dá)到節(jié)能減排的有效手段和方法。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，汽車每減重100 kg，百公里油耗可降低0.4 L，二氧化碳排放量可減少1 kg。與提升動(dòng)力技術(shù)相比，汽車輕量化技術(shù)的投入相對(duì)較少，降低燃油消耗成效更顯著。另外，汽車輕量化有助于提升汽車的安全性能。理論上，汽車碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力與汽車的質(zhì)量成正比。在同等條件下，汽車越輕，碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力越小，車身結(jié)構(gòu)的變形、侵入量和乘客受到的沖擊加速度越小，汽車對(duì)乘客的保護(hù)性能越好、越安全。從社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)來看，具有高燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保特點(diǎn)的新型汽車是汽車工業(yè)提高自身核心競爭力的現(xiàn)實(shí)需求［4-6］。

2 汽車輕量化的現(xiàn)狀

為解決環(huán)境和能源危機(jī)問題，各國政府開始嚴(yán)格控制汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。歐盟、美國、中國到2020年燃油汽車經(jīng)濟(jì)性較2015年均需提高42%左右。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，整車輕量化是主要的技術(shù)路線［3］。應(yīng)用輕量化材料是汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，塑料、碳纖維、鋁合金、鎂合金等是汽車企業(yè)使用較多的輕量化材料。從圖1可以看出：德國的汽車輕量化材料應(yīng)用占比為34%左右，是全球使用輕量化材料最多的國家。德國的巴伐利亞機(jī)械制造廠股份公司（寶馬）、奧迪公司，美國的電動(dòng)車及能源公司（特斯拉）、通用汽車公司、福特汽車公司，日本的豐田汽車公司、本田株式會(huì)社是目前全球汽車輕量化材料使用比例相對(duì)較高的汽車企業(yè)。我國汽車輕量化分兩個(gè)階段實(shí)施。2014—2017年，國產(chǎn)汽車實(shí)現(xiàn)減重8%；2017—2020年，實(shí)現(xiàn)減重7%。國內(nèi)汽車材料目前仍以高強(qiáng)鋼為主，伴隨著先進(jìn)制造技術(shù)和材料的發(fā)展，應(yīng)用鋁鎂合金、“以塑代鋼”依然是未來我國汽車輕量化發(fā)展的主要方向［3，5］。

圖1 部分國家輕量化材料應(yīng)用占比Fig.1 Share of lightweight materials in several countries

3 塑料在汽車輕量化的應(yīng)用

塑料及其復(fù)合材料因柔韌性較好、耐化學(xué)藥品腐蝕、絕緣性好、單位質(zhì)量的塑料抗沖擊性也不亞于金屬，在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前，應(yīng)用在汽車上的塑料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）、聚甲醛（POM）等。我國車用塑料消費(fèi)量及預(yù)測(cè)見圖2［6-9］。

圖2 我國車用塑料消費(fèi)量及預(yù)測(cè)Fig.2 Consumption and outlook of automobile plastics in China

塑料廣泛應(yīng)用于汽車的內(nèi)飾件、外裝件、車身、車窗及結(jié)構(gòu)件［6］。PP主要應(yīng)用于保險(xiǎn)杠、儀表盤、門內(nèi)飾板、空調(diào)零部件、蓄電池外殼、冷卻風(fēng)扇、方向盤等；PE主要應(yīng)用于內(nèi)護(hù)板、地板、油箱、行李架、刮水器、扶手骨架等；PA主要應(yīng)用于散熱器蓋、襯套、齒輪、皮帶輪、氣缸頭蓋、水泵葉輪等；ABS樹脂主要應(yīng)用于儀表殼、工具箱、扶手、散熱格板、變速箱殼、內(nèi)護(hù)板、反射鏡殼體等；PC主要用于保險(xiǎn)杠、前端板、車門把手、擋泥板、前燈等；PBT和PET主要用于保險(xiǎn)杠、反射鏡外殼、車外部把手、安全氣囊通電部件、霧燈、音響喇叭、頂棚等；POM主要用于加載齒輪、燃油系統(tǒng)、電氣設(shè)備、軸承、襯套等。

我國每輛經(jīng)濟(jì)型轎車塑料用量為50～60 kg，中型載貨車塑料用量僅為40～50 kg；重型貨車可達(dá)80 kg左右。我國中、高級(jí)轎車大部分為發(fā)達(dá)國家引進(jìn)車型，汽車塑料的應(yīng)用量基本與發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)90年代水平相當(dāng)，為每輛車100～130 kg，因此，塑料在我國汽車上的應(yīng)用還會(huì)更加廣泛［9］。

3.1 外飾件

汽車外飾件包括保險(xiǎn)杠、進(jìn)氣格柵、雨刮器、車燈、門把手、門鎖等。保險(xiǎn)杠是使用塑料最多的外飾件，常用材料有改性PP、片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維氈增強(qiáng)的熱塑性聚合物（GMT）等。保險(xiǎn)杠主要由防撞梁、緩沖材料和外殼構(gòu)成，大部分防撞梁現(xiàn)已采用SMC，GMT等材料，緩沖材料又稱為保險(xiǎn)杠內(nèi)襯，車輛在低速碰撞時(shí)可以對(duì)汽車和人員起到保護(hù)作用，常用的保險(xiǎn)杠吸能緩沖材料主要是發(fā)泡PP。轎車的前后保險(xiǎn)杠殼體材料要求抗沖擊性好、流動(dòng)性高、尺寸穩(wěn)定性好、耐損傷性好等，一般分為軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料。其中，軟質(zhì)材料主要為聚氨酯，通過反應(yīng)注塑成型工藝制備，其具有良好的吸收沖擊性能，但是價(jià)格昂貴，只適用于高檔汽車；硬質(zhì)材料主要采用改性PP注塑成型，主要用于合成面板［6，8］。

金旸（廈門）新材料科技有限公司［10］發(fā)明了一種高光澤度免噴涂汽車保險(xiǎn)杠護(hù)板專用PP，將36.6%～73.3%（w）的PP，3.0%～8.0%（w）的氯化改性PP，5.0%～20.0%（w）的氫化石油樹脂，3.0%～6.0%（w）的增韌劑，0.2%～0.6%（w）的抗氧劑，0.2%～0.8%（w）的分散劑，15.0%～25.0%（w）的無機(jī)填料，0.3%～3.0%（w）的金屬顏料混合，通過同向雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，制備具有高光澤金屬質(zhì)感的免噴涂汽車保險(xiǎn)桿護(hù)板專用PP，該P(yáng)P材料解決了汽車保險(xiǎn)桿護(hù)板免噴涂化的技術(shù)難點(diǎn)。福建和動(dòng)力智能科技有限公司［11］發(fā)明了一種將甲基丙烯酸丁酯、溴化亞銅、乙酸乙烯酯和苯乙烯進(jìn)行聚合制備汽車保險(xiǎn)杠中緩沖材料的方法。該方法通過增加聚合物分子鏈的長度和支鏈數(shù)，分子鏈之間相互滲透、相互貫穿、纏結(jié)，增大聚合物體系的物理交聯(lián)，限制分子鏈運(yùn)動(dòng)，聚合物趨于半結(jié)晶或結(jié)晶狀態(tài)，使聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，提高聚合物的阻尼性能和受熱溫度，添加石墨和云母特殊的片狀結(jié)構(gòu)，在聚合物上形成微觀孔，有利于產(chǎn)生界面阻尼，進(jìn)一步增加聚合物的阻尼性能，以達(dá)到較好的緩沖減震效果。

3.2 內(nèi)飾件

汽車內(nèi)飾件包括儀表板、車門內(nèi)板、方向盤、座椅、頂篷、地墊、遮陽板等。內(nèi)飾件表面要光潔，耐磨、耐熱、低反光、具有吸音和遮音等功能，在陽光直射下不易揮發(fā)有毒性氣體。目前，汽車內(nèi)飾件所用的塑料量已經(jīng)占整車塑料用量的50%以上，以PP作為主要原料制成新型汽車儀表板，不但韌性、強(qiáng)度、外觀等綜合性能良好，而且使汽車成本降低，故其在汽車儀表板上的用量很大。歐洲企業(yè)生產(chǎn)的汽車儀表板接近一半的材料使用PP，這個(gè)趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)增長［6，8，12］。

為了避免光線反射給駕駛?cè)藛T帶來安全隱患，汽車內(nèi)飾件一般都采用消光處理，盡可能降低內(nèi)飾件的光澤度。湖北格霖威新材料科技有限公司［13］發(fā)明了一種低光澤度高抗沖阻燃PC/ABS合金的制備方法，將30.0～60.0 phr的PC，15.0～40.0 phr的ABS，0.5～3.0 phr消光劑，3.0～6.0 phr增韌劑，0.1～0.4 phr抗氧劑，8.0～11.0 phr阻燃劑，2.0～4.0 phr協(xié)效阻燃劑，0.02～0.10 phr白礦油投入低速混合機(jī)中得到預(yù)混料，再經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)造粒，制成PC/ABS合金。該合金具有PC，ABS的優(yōu)點(diǎn)，在保持良好力學(xué)性能的同時(shí)，明顯提高了合金的抗沖擊性能和阻燃性能，且選用效果最好的消光劑，使PC/ABS合金在60°入射角測(cè)試中光澤度明顯降低，具有優(yōu)異的消光效果，可廣泛應(yīng)用于汽車儀表板、內(nèi)飾件等。金發(fā)科技股份有限公司［14］用高密度聚乙烯（HDPE）改性PP，制備適合汽車儀表板用PP復(fù)合材料。采用乙烯、丙烯合成的二元嵌段共聚聚丙烯A 20.0～62.0 phr，采用1-丁烯、乙烯、丙烯合成的三元無規(guī)共聚聚丙烯B 10.0～20.0 phr，填料10.0～25.0 phr，增韌劑10.0～20.0 phr，PE 8.0～15.0 phr，潤滑劑0.1～0.3 phr，光穩(wěn)劑0.1～0.3 phr，抗氧劑0.2～0.6 phr加入高速混合機(jī)中混合3～5 min，再將混合料加入雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行熔融擠出，造粒，干燥，冷卻，制備了汽車儀表板用PP復(fù)合材料。該方法生產(chǎn)工藝簡單，降低了材料光澤度，適合大批量生產(chǎn)。

3.3 車身覆蓋件

車身覆蓋件又稱車身外板，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、翼子板、車門、后備箱蓋等。車身覆蓋件目前仍以鋼板為主，在歐美等發(fā)達(dá)國家已大量使用SMC或GMT作為車身覆蓋件的材料，但因?yàn)槠涿芏容^大，輕量化效果不顯著，正在逐步被改性PP，PC/PBT，聚苯醚/PA等熱塑性材料所取代。據(jù)統(tǒng)計(jì)，車身覆蓋件塑料化后，后備箱蓋可減重約8.17 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋可減重約4.1 kg，車門（四個(gè)）可減重約43.13 kg，車身可減重約94.43 kg，車身覆蓋件“以塑代鋼”的空間很大［6，8］。

傳統(tǒng)的翼子板用PP復(fù)合材料一般采用滑石粉填充增加剛性，同時(shí)為保證其韌性，添加大量的熱塑性彈性體，但這種改性PP的線性膨脹系數(shù)極大，導(dǎo)致不同季節(jié)尺寸變化大，影響翼子板的裝配，同時(shí)會(huì)造成翼子板與車身之間出現(xiàn)“間隙面差”，影響汽車美觀。江蘇金發(fā)科技新材料有限公司［15］采用乙烯-1-辛烯共聚物、氫化苯乙烯/丁二烯/苯乙烯彈性體和乙烯/丙烯酸酯彈性體進(jìn)行協(xié)同增韌，獲得了溫度為-30～85 ℃的低線性膨脹系數(shù)的PP復(fù)合材料，解決了這一問題。將29.0～65.0 phr的PP，0.1～2.0 phr熱穩(wěn)定劑，0.1～1.0 phr加工助劑，5.0～20.0 phr乙烯-1-辛烯共聚物，1.0～7.0 phr氫化苯乙烯/丁二烯/苯乙烯共聚物，1.0～7.0 phr乙烯/丙烯酸酯共聚物加入長徑比為40∶1的雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合分散，25.0～35.0 phr超細(xì)滑石粉從側(cè)喂料加入雙螺桿擠出機(jī)，擠出造粒得到產(chǎn)品。該P(yáng)P流動(dòng)性好、剛性高、抗沖擊性能好、線性膨脹系數(shù)低，滿足汽車翼子板材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)檢測(cè)，該材料的熔體流動(dòng)速率大于等于20 g/10 min，彎曲模量大于等于2 500 MPa，線性膨脹系數(shù)小于等于4×10-5。

3.4 車窗

傳統(tǒng)的汽車車窗玻璃由玻璃原片經(jīng)二次加工而成，主要有夾層玻璃和鋼化玻璃兩種。前風(fēng)擋玻璃普遍采用夾層玻璃，其余一般為鋼化玻璃。若采用塑料替代傳統(tǒng)玻璃，車窗可減重30%～40%。PC因優(yōu)異的耐熱性、剛性、抗沖擊性、尺寸穩(wěn)定性和良好的透光率成為汽車塑料車窗的首選材料；但是，我國目前還沒有塑料車窗的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，塑料車窗本身的應(yīng)用也面臨提高耐候性、耐磨性、抗沖擊性等方面的要求，因此，車窗的塑料化預(yù)計(jì)還需要一個(gè)長期的過程［8，16］。

由于PC的耐磨性、耐氣候性和憎水性較差，直接使用PC作為車窗玻璃容易產(chǎn)生刮花、密封性差、不能防水防霧導(dǎo)致影響視線等問題。神通科技集團(tuán)股份有限公司［17］發(fā)明了一種輕質(zhì)耐磨汽車側(cè)窗玻璃的制備方法，用雙色注塑模具先將PC基層注塑成型，再在同一模具內(nèi)將PC/ABS黑邊層注塑成型；將PC基層與PC/ABS黑邊層烘烤去除內(nèi)應(yīng)力，并用醇類溶劑擦洗表面，淋涂并烘干得到表面涂層。表面涂層的涂料由表面接枝聚二甲基硅氧烷的納米SiO2與PC-聚二甲基硅氧烷共聚物按質(zhì)量比為（1～5）∶100分散到溶劑中得到。該方法極大提高了側(cè)窗玻璃的耐磨性、耐候性和憎水性，實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化的同時(shí)提高了車窗玻璃的使用性能。

3.5 功能結(jié)構(gòu)件

汽車的功能結(jié)構(gòu)件包括油箱、制動(dòng)踏板、發(fā)動(dòng)機(jī)、周圍部件、輪轂、電池、暖風(fēng)機(jī)等。功能結(jié)構(gòu)件要求塑料具有耐高溫、耐油、耐化學(xué)藥品腐蝕、防噪音、高抗疲勞性、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，但不同的功能結(jié)構(gòu)件對(duì)塑料性能的要求又有差異。目前，我國約80%的汽車已使用塑料油箱，與金屬油箱相比，塑料油箱能夠減重約30%。塑料油箱主要分為單層塑料燃油箱和多層塑料燃油箱，由于多層塑料燃油箱有阻隔層，其抗燃油滲透能力更強(qiáng)，是乘用車油箱的主流方向。油箱主要使用PE，其阻隔層主要采用乙烯-乙烯醇共聚物；鋼材、鋁鎂合金和復(fù)合材料是制造輪轂的主要材料，鋁鎂合金制造的輪轂在乘用車市場(chǎng)占主流，以碳纖維復(fù)合材料制造的輪轂較鋁鎂合金制造的輪轂質(zhì)量可降低20%～40%，但因其制造成本高，只在超跑車上有應(yīng)用，短時(shí)間難以大規(guī)模應(yīng)用于乘用車中；發(fā)動(dòng)機(jī)及周圍部件使用的塑料以PA為主［7-8］。塑料燃油箱一般采用HDPE，因其相對(duì)分子質(zhì)量較高，因此，可以保證油箱具有較好的剛性和抗蠕變性，同時(shí)還具有抗沖擊、耐化學(xué)藥品腐蝕、耐環(huán)境應(yīng)力開裂、抗靜電等優(yōu)良性能以及較好的加工性能。HDPE作為高電阻率絕緣材料，在其加工和使用過程中容易產(chǎn)生靜電積累，造成靜電吸塵乃至靜電放電等不良現(xiàn)象，易引發(fā)燃燒甚至爆炸。因此，生產(chǎn)燃油箱的HDPE，必須具有良好的抗靜電性能。中國石油化工股份有限公司［18］發(fā)明了一種具有良好抗靜電性能的PE制備方法，該P(yáng)E用于制備油箱，將5.0～10.0 phr炭黑、6.0～10.0 phr鄰苯二甲酸二（十一烷基）酯與丙酮共混后，于40～80℃真空干燥6～10 h，與由1-己烯為共聚單體制備的40.0～60.0 phr的PE1熔融共混，造粒；在以茂金屬為催化劑制備的40.0～600 phr的PE2中加入陶土0.5～3.0 phr，在高速攪拌機(jī)中混合2～5 min，熔融，造粒，將兩種PE顆?；旌?，制備了具有抗靜電性能的PE。該P(yáng)E具有優(yōu)良的力學(xué)性能、加工性能和導(dǎo)電性能，適用于中空吹塑加工。

哈爾濱工程大學(xué)［19］發(fā)明了一種輕質(zhì)低阻高強(qiáng)度碳纖維輪轂，包括碳纖維輪輞、輪輻、鋁合金花鼓，輪輻分別連接碳纖維輪輞和鋁合金花鼓，鋁合金花鼓的兩側(cè)均安裝軸承承盤，軸承承盤上設(shè)置大孔以及大孔與鋁合金花鼓之間的小孔，大孔里安裝氮化硅軸承，鋁合金軸伸入鋁合金花鼓中，鋁合金軸的兩端分別與鋁合金花鼓兩端的氮化硅軸承配合。該輪轂的氮化硅軸承置于軸承承盤內(nèi)，高強(qiáng)度鋁合金軸與軸承之間采用過盈配合，保證了氮化硅軸承、高強(qiáng)度鋁合金軸良好的可拆卸性，一方面將傳統(tǒng)工藝中的輪軸-軸套、軸承滾珠與內(nèi)外圈之間的二次摩擦轉(zhuǎn)化為軸承滾珠與內(nèi)外圈之間的一次摩擦，另一方面，也消除了傳統(tǒng)工藝中軸承與軸套之間的摩擦，達(dá)到了減小摩擦的效果。

4 結(jié)語與展望

輕量化是近幾年汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向，通過共混改性，塑料越來越多地應(yīng)用在汽車輕量化中。我國在汽車上的塑料用量與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距，這就預(yù)示著相關(guān)塑料在我國汽車工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，我國還沒有掌握一些新型復(fù)合材料（如納米復(fù)合塑料、生物基可降解塑料和塑料合金）的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，這就需要我國塑料生產(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)與汽車企業(yè)的合作，加快汽車相關(guān)塑料產(chǎn)品的研發(fā)，推進(jìn)塑料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以滿足我國汽車輕量化的需求。