全塑汽車尾門材料的研究進(jìn)展

宋偉華，梁娜，王華，何璟，姚晨光

(合肥杰事杰新材料股份有限公司，安徽合肥 230601)

0 引言

近年來，各國(guó)陸續(xù)制定和實(shí)施了越來越嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)。美國(guó)從1990年開始執(zhí)行Tier 0排放標(biāo)準(zhǔn)；1994年開始執(zhí)行Tier 1排放標(biāo)準(zhǔn)；從1999年開始執(zhí)行Tier 2排放標(biāo)準(zhǔn)，此后多次對(duì)其中的限值進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。歐洲從1993年開始實(shí)施歐洲I號(hào)(EU I)法規(guī)，沿用至今的歐III、歐IV、歐V、歐VI等標(biāo)準(zhǔn)就是從這里開始的。歐盟在2009年通過了法規(guī)，旨在控制CO2的排放，其遠(yuǎn)期目標(biāo)是到2020年，CO2排放控制在95 g/km。從2001年開始，我國(guó)參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)先后出臺(tái)了中國(guó)I階段、中國(guó)II階段……。目前我國(guó)把國(guó)VI擺上了議程，預(yù)計(jì)在2020年在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)研究結(jié)果，汽車質(zhì)量每下降10%，燃油效率能提高6%～8%不等；汽車質(zhì)量每下降100 kg，CO2排放降低8.5 g/km。因此汽車輕量化是降低汽車碳排放、提高燃油效率的最有效措施之一[1-6]。

全塑尾門作為一項(xiàng)新興的輕量化技術(shù)方案，因其優(yōu)異的輕量化效果而受到各大主機(jī)廠的青睞。汽車尾門的材料已經(jīng)由傳統(tǒng)鋼制尾門，經(jīng)復(fù)合材料尾門向全塑尾門的方向發(fā)展，整件減重超過40%，生產(chǎn)效率也有質(zhì)的提升。隨著科技發(fā)展和塑料改性技術(shù)的進(jìn)步，全塑尾門有著廣闊的發(fā)展前景，本文作者主要對(duì)全塑汽車尾門材料的選材方案和研究現(xiàn)狀展開綜述。

1 全塑尾門應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)調(diào)研，目前全塑尾門模塊已經(jīng)在多款車型上成熟量產(chǎn)，還有一部分在開發(fā)研究中，即將上市。2012年雷諾新Clio，其內(nèi)板是長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯(PP-LGF)材料，噴漆的外飾板采用30%滑石粉增強(qiáng)聚丙烯(PP)材料；2013標(biāo)致新308的尾門，內(nèi)板采用PP-LGF材料，外板是PP材料，材料供應(yīng)商是SABIC；2013年日產(chǎn)第三代X-trail，內(nèi)板采用30% PP-LGF材料，外板為PP材料；2014年寶馬i3使用麥格納開發(fā)的全塑尾門，內(nèi)板是40% PP-LGF材料，外板是PP材料；2017年奇瑞eQ1電動(dòng)汽車尾門，應(yīng)用的是SABIC的PP-LGF材料；2017年?yáng)|風(fēng)風(fēng)神AX4采用延鋒彼歐自主開發(fā)的全塑尾門，內(nèi)板采用PP-LGF材料，外板采用PP材料?？梢钥闯?，已量產(chǎn)車型的塑料尾門，內(nèi)板采用的均為PP-LGF材料，外板均為PP材料。

2 全塑尾門板材料

全塑尾門的內(nèi)板和外板都采用改性塑料，部件全部使用注塑工藝成型，然后使用涂膠工藝進(jìn)行裝配，保證尾門的結(jié)構(gòu)性與外觀性要求。全塑尾門材料選材原則：

(1)良好的抗沖擊性能，能吸收低速撞擊中的大部分沖擊力，保護(hù)乘客安全；

(2)良好的尺寸穩(wěn)定性，裝配縫隙小，在長(zhǎng)期的工作中不變形；

(3)良好的流動(dòng)性，滿足注塑加工工藝的要求，保證車身良好外觀；

(4)良好的加工性能，造型自由度高，便于注塑模具設(shè)計(jì)；

(5)良好的耐熱性，防止在高溫暴曬下變形、老化等；

(6)價(jià)格低廉，可以有效降低使用成本；

(7)密度低，減重明顯，以利于汽車輕量化設(shè)計(jì)；

(8)易加工，開發(fā)和生產(chǎn)周期短，易維修。

2.1 全塑尾門內(nèi)板材料

尾門內(nèi)板是承力結(jié)構(gòu)，需要滿足尾門的功能性要求，內(nèi)板材料在選材時(shí)需要考慮尾門整體的剛度目標(biāo)和其他零件的安裝需求[7]。

玻纖具有高強(qiáng)輕質(zhì)、抗腐蝕、耐高溫、電絕緣性能好等多種優(yōu)點(diǎn)，是常用的增強(qiáng)材料原料之一。將玻纖添加至熱塑性樹脂中，可以有效地提高復(fù)合材料的機(jī)械性能。研究資料表明，為了使玻纖在熱塑性樹脂中很好地起到提高強(qiáng)度的作用，必須使玻纖長(zhǎng)度大于其臨界長(zhǎng)度，就玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料而言，其臨界長(zhǎng)度為3.1 mm。PP-LGF材料中玻纖單向排布且其長(zhǎng)度與樹脂粒料長(zhǎng)度相同，其粒子中玻纖長(zhǎng)度一般在10～25 mm，經(jīng)過注塑等工藝后部品中形成玻纖長(zhǎng)度大于3.1 mm，超過其臨界長(zhǎng)度，增強(qiáng)效果顯著。PP-LGF材料密度低，力學(xué)性能優(yōu)異，耐腐蝕、耐蠕變、耐疲勞，尺寸穩(wěn)定性好，特別是材料的低溫抗沖擊性能極為優(yōu)異，能滿足汽車尾門內(nèi)板的力學(xué)性能要求。

馬秋等人[8]針對(duì)汽車后尾門的應(yīng)用需要，開發(fā)出不同玻纖含量的PP-LGF材料，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)行為研究，對(duì)PP-LGF30材料在不同的拉伸速率下進(jìn)行了對(duì)比，并研究了不同潤(rùn)滑體系對(duì)材料力學(xué)性能的影響。其研究結(jié)果表明PP-LGF材料中增強(qiáng)組分玻纖在含量30%～50%范圍內(nèi)，隨著玻纖含量的上升，材料的力學(xué)性能，包括拉伸性能、彎曲性能和韌性都有不同程度的提高。高的應(yīng)變速率會(huì)提升PP-LGF材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。

閆溥等人[9]依據(jù)全塑尾門的性能要求，通過特制的浸漬設(shè)備制備PP-LGF材料。其研究結(jié)果表明材料的拉伸性能、彎曲性能和韌性隨著玻纖含量的增加而增大，且基體樹脂流動(dòng)性越好，玻纖保留長(zhǎng)度越長(zhǎng)，復(fù)合材料的力學(xué)性能越優(yōu)異。在玻纖含量為40%時(shí)，在滿足剛性的同時(shí)，又能最大化地實(shí)現(xiàn)塑料尾門的輕量化。研究結(jié)果還表明表面極性劑HT-17的添加能明顯提高材料的黏結(jié)性能，當(dāng)其添加量為3%時(shí)，玻纖含量為40%的復(fù)合材料的表面張力為48 N/m，制品的剪切強(qiáng)度為1.65 kJ/m2，界面破壞形式為80%膠內(nèi)囊破壞，復(fù)合材料性能滿足全塑尾門要求。

王韜等人[10]對(duì)當(dāng)前量產(chǎn)車型的塑料尾門內(nèi)板的兩種主要材料SMC和PP-LGF材料進(jìn)行了對(duì)比研究，從塑料尾門的扭轉(zhuǎn)剛度、材料物理性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、質(zhì)量收益、生產(chǎn)設(shè)備等5個(gè)方面對(duì)比了兩種塑料尾門的差異。其研究結(jié)果表明大尺寸尾門由于扭轉(zhuǎn)剛度的限制，必須采用熱固性SMC材料模壓工藝，而小尺寸尾門則由于可以獲得好的VOC以及可回收性原因，建議采用熱塑性PP-LGF40材料，同時(shí)尾門需要增加金屬加強(qiáng)件。

邵萌等人[4]對(duì)PP-LGF塑料尾門與金屬尾門進(jìn)行了對(duì)比。PP-LGF材料的強(qiáng)度沒有金屬高，但是通過改變厚度或者優(yōu)化結(jié)構(gòu)完全可以達(dá)到與金屬相同的強(qiáng)度，并且質(zhì)量更輕。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，PP-LGF材料完全可以達(dá)到金屬尾門的強(qiáng)度要求。塑料尾門與金屬尾門相比：(1)減重為25%～30%；(2)集成度高、設(shè)計(jì)性強(qiáng)、降低造車成本；(3)復(fù)原性好，用車成本少。

尾門內(nèi)板主要作用是承載和提供強(qiáng)度剛度支持。PP-LGF材料在滿足部品剛度目標(biāo)的同時(shí)，能為設(shè)計(jì)人員提供更大的設(shè)計(jì)靈活性，比如可成型形狀復(fù)雜的部件，集成零部件使用數(shù)量，節(jié)約模具成本，減少能耗，簡(jiǎn)化裝配工序，適用于汽車輕量化部件，是全塑尾門內(nèi)板設(shè)計(jì)方案的首選用料。上述研究為PP-LGF材料國(guó)產(chǎn)化并在全塑尾門上應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.2 全塑尾門外板材料

塑料具有熱脹冷縮的特性，固體物質(zhì)的溫度每改變1 ℃時(shí)，其長(zhǎng)度的變化和它在原溫度時(shí)長(zhǎng)度之比，叫做“線性膨脹系數(shù)(CLTE)”。

塑料尾門外板需要選擇與內(nèi)板CLTE接近的材料，以免出現(xiàn)變形導(dǎo)致外觀缺陷，各種材料之間的CLTE匹配是全塑尾門設(shè)計(jì)上最關(guān)鍵的部分，直接關(guān)乎整個(gè)尾門安裝以及后期壽命，甚至是整車安全[11]。

為保證車身良好的外觀和手感，尾門外板一般選礦物填充改性PP材料。目前市場(chǎng)上PP-LGF材料的CLTE一般在4×10-5K-1左右，而普通礦物改性PP材料的CLTE在8×10-5～10×10-5K之間[12]。兩者的CLTE差異太大，注塑的部品尺寸難以匹配，限制了其在尾門外板上的應(yīng)用，礦物改性PP材料CLTE高的缺陷問題亟待解決。

吳國(guó)峰等[13]綜述了影響車用PP材料CLTE的因素以及降低方法。PP樹脂、彈性體、填料和成核劑對(duì)CLTE的影響較大。提高PP樹脂結(jié)晶性和分子鏈取向，降低彈性體粒徑使彈性體與PP基體形成雙連續(xù)結(jié)構(gòu)，添加無機(jī)填料和成核劑均可降低聚丙烯材料的CLTE。

俞飛等人[14]針對(duì)乘用車的輕量化、以塑代鋼的需求進(jìn)行聚丙烯研究，對(duì)不同種類填料、不同填料含量、不同種類PP、不同黏度增韌劑、不同增韌劑含量進(jìn)行系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明隨著滑石粉和晶須含量增加PP復(fù)合材料的收縮率和CLTE不斷下降，其中當(dāng)滑石粉和晶須含量達(dá)到40% 時(shí)復(fù)合材料的CLTE可以達(dá)到3×10-5K-1級(jí)別；隨著增韌劑含量的不斷增加PP復(fù)合材料的收縮率和CLTE不斷下降，增韌劑含量達(dá)到30% 以上時(shí)，復(fù)合材料的CLTE可以達(dá)到3.0×10-5K-1以下。這種PP 復(fù)合材料收縮率低、線性膨脹系數(shù)低，對(duì)于汽車輕量化有著重要的意義，有望用于汽車尾門外板、翼子板等以塑代鋼輕量化部件。

馬秋等人[15]為研究一種適用于汽車尾門板的熱塑性材料，以乙烯-辛烯共聚物為增韌劑，滑石粉為無機(jī)填料，通過熔融共混法制備了增強(qiáng)改性PP復(fù)合材料。其研究結(jié)果表明，在高速拉伸下，隨著拉伸速率的提高，材料的拉伸強(qiáng)度升高，斷裂伸長(zhǎng)率先升高后降低；在非高速拉伸下，隨著拉伸溫度的降低，材料的拉伸強(qiáng)度增大。隨著滑石粉含量的增加復(fù)合材料的彎曲模量增大，沖擊強(qiáng)度降低，CLTE減小，結(jié)合汽車尾門板材料的綜合性能及汽車輕量化要求，滑石粉的最佳添加量為20%。其研究結(jié)果為尾門零部件計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

閆溥等人[16]以全塑尾門所用的低CLTE的PP+EPDM-TD30材料為研究對(duì)象，研究了PP種類、POE種類、滑石粉粒徑和表面極性劑用量對(duì)材料性能、CLTE和黏結(jié)性能的影響。研究結(jié)果表明，以BX3800為基體樹脂，Solumer 8613L為增韌劑，AHCP250為增強(qiáng)填料，HT-17用量達(dá)到3%時(shí)，復(fù)合材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，極低的CLTE，性能滿足汽車塑料尾門專用料的要求。

上述研究的成果均為低CLTE材料，為汽車尾門材料的國(guó)產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。只有降低PP材料的CLTE，使其尺寸穩(wěn)定性提高，才能改善裝配效果，提升部品的裝配安全性，將其應(yīng)用于生產(chǎn)汽車尾門外板。經(jīng)過特殊改性后，PP材料CLTE可以達(dá)到2×10-5～5×10-5K-1之間，這樣與PP-LGF材料或部分金屬材料的線膨脹系數(shù)接近，不同材料生產(chǎn)的零部件裝配時(shí)，尺寸精度可以得到保障。

3 結(jié)束語

以塑代鋼已經(jīng)成為汽車輕量化的重要手段之一，全塑尾門是以塑代鋼的典型案例，是當(dāng)前汽車新材料應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。全塑尾門具有設(shè)計(jì)自由度高、成型工藝性好、生產(chǎn)周期短、外形美觀、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好，同時(shí)輕量化效果顯著等優(yōu)點(diǎn)?？梢灶A(yù)期，未來的塑料尾門，內(nèi)板用PP-LGF材料，外板用低CLTE改性PP材料，然后內(nèi)外板復(fù)合為成品，將會(huì)成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

目前國(guó)內(nèi)塑料尾門材料開發(fā)還處于起步階段，已經(jīng)量產(chǎn)的全塑尾門大部分使用的還是進(jìn)口原料，國(guó)產(chǎn)材料在全塑尾門上的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程與應(yīng)用開發(fā)相對(duì)滯后。隨著國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)PP-LGF材料和低CLTE改性PP材料進(jìn)行深入研究并實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，國(guó)產(chǎn)材料也能夠滿足塑料尾門的應(yīng)用需求。相信通過一系列的試驗(yàn)、研究和嘗試后，塑料尾門產(chǎn)業(yè)環(huán)境日漸成熟，國(guó)產(chǎn)材料在汽車尾門中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。