充電(加油)口蓋塑料基材性能及表面噴涂工藝對比分析

張亮，李海龍，何家志，王澤升，廖蘭，黎源泉

威馬汽車科技集團有限公司成都研究院，四川成都 610100

0 引言

新能源汽車與傳統(tǒng)燃油車最大的差異在于動力系統(tǒng)，燃油車補能的方式為加油，而純電動車為充電。這種差異導致車身相同位置上的零件在叫法上也存在區(qū)別，前者叫加油口蓋，后者叫充電口蓋。充電(加油)口蓋是一種固定在車身位置，可以翻轉(zhuǎn)打開，用來遮蓋充電(加油)口的裝置[1]。目前，按照開啟方式，常見有機械式和電動式兩種[2]。充電(加油)口蓋處于車身腰線醒目位置，外觀、光澤、顏色與車身的差異在日常使用過程極容易被用戶感知到。因此，其外觀質(zhì)量的控制對于主機廠非常重要[3]。

早期的充電(加油)口蓋材質(zhì)大都采用金屬材料，如DCO6等[4]。金屬材料耐高溫，應用已非常成熟,但缺點為質(zhì)量大、防腐性差、易銹蝕、外形美觀性差、檔次感低、匹配的鎖結(jié)構(gòu)單一、無密封結(jié)構(gòu)、防護性差、不易設計成電動開啟結(jié)構(gòu)等[5-6]。近年來，隨著新材料新工藝的迅猛發(fā)展，特別是輕量化的應用要求，塑料基材替代金屬材料應用在充電(加油)口蓋已獲得了快速發(fā)展。相比傳統(tǒng)金屬材料，塑料基材不僅成型快、裝配工藝簡單、外形美觀精致、兼容多種鎖止機構(gòu)，而且質(zhì)量輕、綠色環(huán)保[7-8]。然而，大多數(shù)塑料基材耐熱性較差，高溫下零件易發(fā)生變形和尺寸收縮，影響正常的裝配和使用功能。塑料基材按照耐熱性不同，成型的零件表面噴涂工藝通常分為在線噴涂和離線噴涂兩種[9]。離線噴涂是指單獨零件在供應商處噴涂，對基材耐熱性要求一般，可選的基材范圍較廣，缺點為與車身匹配有色差；在線噴涂是指在主機廠涂裝車間隨整車噴涂，與車身匹配無色差，但對基材耐熱性要求很高，可選的基材范圍較窄。

目前，充電(加油)口蓋在實際應用中，由于行業(yè)對各塑料基材與噴涂工藝的匹配主要憑借經(jīng)驗，缺乏科學的數(shù)據(jù)支撐，因誤用或混用導致的產(chǎn)品質(zhì)量問題時有發(fā)生。此外，由于行業(yè)缺乏對各塑料基材性能的比較研究，對各塑料基材性能之間的差異缺乏系統(tǒng)的認識和理解，這些都不利于主機廠平臺化產(chǎn)品選材、工藝匹配、成本控制和質(zhì)量管控，也不利于原材料的性能改進提升，更不利于新材料的研究開發(fā)。因此，有必要對各塑料基材的性能進行比較研究，了解各方面的差異。

本文從物理性能、力學性能、熱性能、加工性能、零件表面噴涂工藝方面，對充電(加油)口蓋常見的幾種塑料基材(PPE+PA、PC+PBT、PC+ABS)的性能進行了比較研究，同時對其匹配的表面噴涂工藝和應用趨勢進行了分析。分析結(jié)果為主機廠或零部件廠家設計選材、工藝匹配、成本控制、質(zhì)量管控等提供科學有效的數(shù)據(jù)借鑒，同時也能夠為材料廠家性能提升和新材料研究開發(fā)提供方向和動力。

1 試驗部分

本文按照以下試驗方法測試，除力學性能、阻燃性能試驗樣本量為5個，其余為3個，結(jié)果取平均值。

(1)密度：按照ISO 1183-1測試。

(2)熔體流動速率：按照ISO 1133-1測試，溫度為280 ℃，質(zhì)量為5 kg。

(3)吸水率：按照ISO 62測試，溫度為(23±2)℃，濕度為(50±5)%RH。

(4)阻燃性能：按照GB 8410測試。

(5)收縮率：按照ISO 294測試。

(6)拉伸模量：按照ISO 527測試，測試速度為1 mm/min。

(7)拉伸強度：按照ISO 527測試，測試速度為50 mm/min。

(8)彎曲強度、彎曲模量：按照ISO 178測試，測試速度為2 mm/min，試樣尺寸為(80±2)mm×(10±0.2)mm×(4±0.2)mm。

(9)簡支梁缺口沖擊強度：按照ISO 179-1/eA測試，溫度為23 ℃和-30 ℃，試樣尺寸為(80±2)mm×(10±0.2)mm×(4±0.2)mm。

(10)熱變形溫度：按照ISO 75測試，負載為0.45 MPa，試樣尺寸為(80±2)mm×(10±0.2)mm×(4±0.2)mm。

(11)維卡軟化溫度：按照ISO 306測試，加載50 N，升溫速度為50 ℃/h。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能對比分析

如圖1a所示，3種塑料基材的密度分別為1.088、1.302、1.137 g/cm3，其中密度最小為PPE+PA，最大為PC+PBT。相比金屬材質(zhì)DC06密度7.8 g/cm3，3種塑料基材分別可降重86.05%、83.31%和85.42%，塑料基材輕量化優(yōu)勢非常明顯。此外，相比PC+PBT和PC+ABS，PPE+PA分別又降重16.44%、4.31%。因此，從輕量化角度考慮，PPE+PA表現(xiàn)最佳。

如圖1b所示，3種塑料基材燃燒速率分別為0、16.2、21.8 mm/min，其中PPE+PA燃燒速率最慢，且存在著自熄現(xiàn)象，然而PC+ABS、PC+PBT燃燒速率相對較快。PPE+PA的燃燒速率慢是由于PPE和PA66材料的氧指數(shù)都比較高。氧指數(shù)為材料燃燒所需最低的氧氣濃度，氧指數(shù)越高表示材料越不易燃燒，本體材料PPE的氧指數(shù)約為28%，添加改性的PA66氧指數(shù)約為26%，PPE屬于難燃材料。因此，從安全防災角度考慮，PPE+PA表現(xiàn)最佳。

圖1 物理性能對比分析

2.2 力學性能對比分析

如圖2a所示，PPE+PA、PC+PBT、PC+ABS的拉伸強度分別為60.3、58.0、52.5 MPa，其中PPE+PA最大，PC+ABS最小。拉伸強度反映材料受拉伸破壞(斷裂)能力大小，數(shù)值越大，表明材料受拉伸破壞(斷裂)的難度越大。這表明PPE+PA材料強度最大，受拉伸破壞難度要大于后兩者。

如圖2b所示，拉伸模量分別為2 474、3 126、2 314 MPa，其中PC+PBT最大，且遠高于其他兩種材料，PPE+PA略高于PC+ABS。拉伸模量反映材料受拉伸抵抗變形能力，數(shù)值越大，表明受拉伸越難變形，即剛性越強，這表明PC+PBT材料高模量，剛性最大。

如圖2c和2d所示，彎曲強度、彎曲模量最大為PC+PBT，分比為95.1、3 553 MPa；而最小為PC+ABS，分別為82.6、2 228 MPa。彎曲強度和彎曲模量反映材料受彎曲載荷發(fā)生變形或破壞的能力，數(shù)值越大，表明剛性越強。這表明材料剛性大小依次為PC+PBT、PPE+PA、PC+ABS。

如圖2e和2f所示，簡支梁缺口的沖擊強度(23 ℃和-30 ℃)最大為PC+ABS，分別為50.5、27.4 kJ/m2，遠高于其他兩種材料;PC+PBT最小，分別為11.5、4.4 kJ/m2;PPE+PA介于中間，分別為16.2、10.1 kJ/m2。由此可以看出，PC+ABS的沖擊韌性最好，PC+PBT的沖擊韌性最差，PPE+PA的沖擊韌性介于它們之間。PC+PBT沖擊韌性低，這與其高強度、高模量和高剛性的結(jié)果是一致的，主要是由于行業(yè)使用的PC+PBT通常會添加一定比例礦物改性。

圖2 力學性能對比分析

綜合以上分析可知，PC+PBT模量剛性最大，但沖擊韌性較差;PC+ABS沖擊韌性好，但強度和剛性相對較低。然而，PPE+PA材料力學性能各方面表現(xiàn)比較均衡，在保持高強度和剛性的同時，又兼具高抗沖擊性。由此可以看出，PPE+PA注塑成的零件具有高強度、高剛性和高抗沖擊性，尺寸更加穩(wěn)定，日常耐用性更好。

2.3 熱性能對比分析

如圖3所示，PPE+PA熱變形溫度、維卡軟化溫度分別為194.9、205.4 ℃，PC+PBT熱變形溫度、維卡軟化溫度分別為118.3、130 ℃，PC+ABS熱變形溫度、維卡軟化溫度分別為117.8、118.3 ℃。PPE+PA耐熱性最好，遠優(yōu)于其他兩種材料。PPE+PA熱變形溫度高達190 ℃以上，遠高于在線噴涂最高烘烤溫度140～160 ℃，適合在線噴涂。然而，PC+PBT和PC+ABS耐熱性相當，都比較低，熱變形溫度最高不超過120 ℃，無法滿足在線噴涂，只適合離線噴涂80～90 ℃使用。PPE+PA材料高的耐熱性主要歸因于組成PPE和PA66耐熱性都比較高，熔點都高達260 ℃。PPE材料分子鏈里含有大量的剛性芳環(huán)結(jié)構(gòu)，分子鏈剛性大，而PA66材料分子鏈規(guī)整，含有大量酰胺鍵，分子間作用力和氫鍵大，易結(jié)晶。這就要求前期產(chǎn)品設計選材和工藝匹配時，一定要根據(jù)材料耐熱特性匹配準確，否則容易導致出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題。

圖3 熱性能對比分析

表1為3種塑料基材在線噴涂工藝前后外觀和形狀變化情況。結(jié)果表明：PC+ABS出現(xiàn)鼓包、起皺、嚴重變形和翹曲；PC+PBT出現(xiàn)嚴重變形和翹曲；PPE+PA未出現(xiàn)任何不良變化。因此，PC+ABS和PC+PBT耐熱性不能滿足在線噴涂工藝;PPE+PA具有優(yōu)異的耐熱性，可以滿足在線噴涂。

表1 3種塑料基材在線噴涂工藝前后外觀和形狀變化情況

2.4 加工性能對比分析

如圖4a所示，3種基材吸水率分別為0.85%、0.28%、0.20%。PPE+PA吸水率遠高于PC+PBT和PC+ABS，后兩者相當。PPE本身不吸水，甚至生產(chǎn)前不用烘料干燥，然而PPE+PA吸水率卻很高。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于添加改性的PA66材料導致。PA66為高吸水材料，分子鏈中含有許多極性酰胺鍵基，該基團為親水基團容易與水分子形成氫鍵，進而導致材料吸水性強[10]。原材料粒料中含有的水分，在高溫注塑過程容易產(chǎn)生水汽，導致材料發(fā)生水解降解，同時影響成型零件性能、尺寸和外觀質(zhì)量。因此，零件生產(chǎn)前，原材料粒料必須進行高溫烘料干燥，確保水分充分脫除，這對PPE+PA材料尤為重要。此外，烘料后需要及時生產(chǎn)，不可長期久置，久置容易再次吸收環(huán)境中水分。

如圖4b所示，PPE+PA收縮率1.55%，要遠高于其他兩種材料，后兩者收縮率均為0.52%。PPE+PA收縮率大主要是由于添加改性PA66材料所致。PA66材料收縮率較大，在1.5%～2%范圍內(nèi)[11]。由于收縮率差異很大，一旦模具開發(fā)出來后，若再想變更材料或噴涂工藝，會導致模具報廢，造成項目開發(fā)周期延遲和試驗開發(fā)費用浪費。因此，前期產(chǎn)品設計選材、匹配工藝和新開模具時，需要定義清楚材料和匹配的噴涂工藝，避免后期變更。

如圖4c所示，PPE+PA、PC+PBT和PC+ABS的熔體流動速率分別為1.52、5.40、5.60 g/min。熔體流動速率大小反映樹脂熔融后黏度大小和加工難度。PPE+PA材料的熔體流動速率要遠低于PC+PBT和PC+ABS，這表明PPE+PA樹脂黏度更大，加工工藝要求更高。因此，不同塑料基材成型工藝不能混用，更不能直接借用，在模具開發(fā)前期，需要進行CAE模流分析，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設計。同時，首模件需要進行試模，確認最佳的生產(chǎn)成型工藝參數(shù)，確保成型的零件外觀質(zhì)量、尺寸和性能等滿足設計要求。

圖4 加工性能對比分析

2.5 零件表面噴涂工藝對比分析

對充電(加油)口蓋兩種表面噴涂工藝進行對比分析，結(jié)果見表2。

表2 兩種表面噴涂工藝對比分析結(jié)果

3 結(jié)論

PPE+PA、PC+PBT和PC+ABS 3種塑料基材性能及表面噴涂工藝比較結(jié)果如下：

(1)物理性能：PPE+PA質(zhì)量最輕、安全防災性最好。

(2)力學性能：PPE+PA高剛性、高強度，同時兼具良好的沖擊韌性，力學性能各方面表現(xiàn)更均衡。

(3)熱性能：PPE+PA耐熱性最為突出，熱變形溫度高達194.9 ℃，滿足在線噴涂;PC+PBT和PC+ABS耐熱性較低，熱變形溫度不高于120 ℃，不滿足在線噴涂，僅適合離線噴涂80～90 ℃。

(4)加工性能：PPE+PA收縮率為1.55%，PC+PBT和PC+ABS兩種基材的收縮率均為0.52%，差異較大，導致模具無法共用，這就要求在前期產(chǎn)品設計選材和模具設計階段，材料定義和輸入要準確；PPE+PA吸水率為0.85%，遠高于PC+PBT(0.28%)和PC+ABS(0.2%)，生產(chǎn)前對原材料烘料要求更高；PPE+PA熔體流動速率為1.52 g/min，遠低于PC+PBT(5.4 g/min)和PC+ABS(5.6 g/min)，這表明PPE+PA樹脂黏度更大，加工工藝要求更高。

(5)表面噴涂工藝：相比離線噴涂，塑料基在線噴涂工藝優(yōu)勢更突出，具體表現(xiàn)為零件綜合成本低、外形美觀、成型快、工藝環(huán)保、不良率低等。

綜合以上分析可知，在線噴涂PPE+PA是未來發(fā)展的主流趨勢。