汽车制造中的新型工程塑料
在当今汽车上，塑料代替昂贵的金属材料在汽车上被广泛应用已成为一种必然的发展趋势。高强度的工程塑料不但降低零部件加工、装配及维修费用，还使汽车更轻量化、节能和环保。数据显示，塑料及其复合材料是最重要的汽车轻质材料，它不仅可减轻零部件约40%的质量，而且还可以使采购成本降低40%左右，因此近年来在汽车中的用量迅速上升。 工程塑料的机遇与挑战 20世纪90年代，发达国家汽车平均用塑料量是100kg/辆-130kg/辆，占整车整备质量的7%-10%;到2011年，发达国家汽车平均用塑料量达到300kg/辆以上，占整车整备质量的20%;预计到2020年，发达国家汽车平均用塑料量将达到500kg/辆以上。 目前，汽车塑料中用量最大的通用塑料品种是聚丙烯(PP)、ABS树脂、聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)。聚烯烃材料构成了汽车主要的塑料件，而且这种趋势在今后将会越来越明显。下面笔者将列举几种主流的汽车工程塑料解决方案，并对其特点进行解读。 聚丙烯(PP) PP可以用作多种汽车零部件，现在典型的乘用车中，PP塑料部件占60多个。PP汽车零部件主要品种有：保险杠、仪表板、门内饰板、空调器零部件、蓄电池外壳、冷却风扇、方向盘，其中前五种占全车PP用量的一半以上。 聚乙烯(PE) 通过对高密度PE和低密度PE树脂的接枝改性和填充增韧改性，得到了具有良好的柔韧性、耐候性和涂装性能的系列改性PE合金材料。PE主要采用吹塑方法生产燃油箱、通风管、导流板和各类储罐等。 近几年PE在汽车上的用量基本没增加，值得注意的是汽车轻量化的发展趋势促进了燃油箱的塑料化。欧洲汽车上正式采用塑料燃油箱，其主要材料为高分子量高密度聚乙烯(HMWHDPE)。 ABS树脂 ABS树脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三个单体的三元共聚物，可以用于制作汽车的外部或内部零件如仪表壳体、制冷和采暖系统、工具箱、扶手、散热器栅板等；它也可以用于制作仪表板表皮、行李箱、杂物箱盖等。 近年来，ABS树脂在汽车上用量的增幅不是很大，这主要是由于ABS树脂和PP树脂的竞争十分激烈，而且ABS本身也存在耐候变色性差、易燃等方面的缺陷，因此它在汽车上主要部件如汽车仪表板、格栅等方面的应用也受到限制。 聚酰胺(PA) 聚酰胺俗称尼龙，具有很高的耐冲击强度、耐摩擦磨耗特性、耐热性、耐化学药品性、润滑性和染色性。作为汽车结构件，PA的用量不断上升，并可应用在发动机周围的苛刻环境下。 聚甲醛(POM) 具有优良的耐摩擦磨耗特性、长期滑动特性、成型流动性和表面美观、光泽特性，也适用于嵌件模塑。汽车底盘衬套，如转向节衬套、各种支架衬套、前后板簧衬套、制动器衬套等广泛采用聚甲醛型三层复合材料，它是以冷轧钢板为基体，以烧结多孔青铜粉为中间层，表面覆合改性聚甲醛作减摩层的三层复合材料。并轧出一定规律的储油坑，其结构决定丁它的特殊性能：既具有钢的机械强度和刚性，同时又有优良的边界润滑条件下的减摩抗磨特性。其它应用包括车门把手、安全带机械部件、组合开关和反射镜等。 工程塑料进一步改良 在上述材料中，用于汽车结构件的尼龙材料的使用环境最为苛刻，面对越来越严格的各项汽车级标准，工程师对工程塑料进行着不断改进，传统的尼龙玻纤增强已经不能满足更新的需求。而针对聚甲醛材料也已经出现了更先进的解决方案。 Hostaform®XGC 作为全球性工程塑料生产商，塞拉尼斯的Hostaform® XGC系列材料拥有更出色的耐化学性、高温环境下的长期稳定性、高耐磨性、尺寸稳定性、卓越的热稳定性和工艺稳定性，广泛应用于汽车结构件中。 XGC系列材料即便在零下30℃-零下40℃的环境温度下仍然可以保证强度、刚度和韧性之间的平衡。其还采用了塞拉尼斯专属的混配主链改性技术。常规的玻纤增强材料中，树脂和玻纤在熔融状态下只进行了物理混合。而XGC材料是在熔融状态下同时有类似偶联的化学反应在内部进行，一部分POM的分子链会接到玻纤上面去，因此它不是纯粹的物理反应。这样的材料在抗冲击性能方面比常规的材料要高出至少50%。 Hostaform® XGC 扩大了玻纤增强型 Hostaform® 共聚甲醛的应用范围，并对现有的玻纤增强产品组合加以补充。XGC 系列的性能可以与非同类基材PBT 和 PA玻纤增强型产品相媲美。下图显示的是机械性能对比，以下列出的是潜在的应用优势：
Hostaform® XGC 系列产品与各种可替代的玻纤增强材料的机械性能对比 更高的强度–符合未来的规格要求且/或减轻组件重量，同时仍满足应用功能的要求。 更好的韧性–适用于在使用过程中，部件可能承受较高冲击力的应用（典型案例包括雨刮臂、输送系统和滑雪板固定装置）。 优异的抗疲劳性能–车窗和车门系统的传动齿轮是在操作过程中组件承受了严苛的周期性应力的典型应用。 更高的拉伸强度和刚性–针对新零件，有机会减少加强筋及降低壁厚，和/或使用比非同类树脂更低的玻纤含量。这能够实现轻量化和/或在现有部件设计中确保更高的安全系数。 免于湿度影响–在较广操作温度范围内提供尺寸稳定性，这对于精度要求较高的应用（如车门、车窗和雨刮系统中的齿轮系统）至关重要。塞拉尼斯的 Hostaform® 玻璃纤维增强型产品凭借这些优点与其他所有备受推崇的性能优势的结合，使设计工程师能够从全新的高度来看待材料选择。 在抗冲击性方面，Hostaform® XGC系列也在原有的典型玻纤增强产品基础上大幅提高（如下图所示），可以看到XGC 的抗冲击性能已经得到明显改善，超过了标准玻纤增强型（C9021GV1/30）品级。
Hostaform® C9021GV1/30与XGC25对比 Hostaform® PTX 汽车制造商正面临着减轻重量、降低成本以及提高燃料效率的压力。使用高性能的工程材料可帮助制造商在成本和竞争压力日益增加之际依然维持利润。 塞拉尼斯Hostaform® PTX系列针对冷抗冲性、熔接强度和耐燃油性设定了基准。这些新型 POM 品级具备低吸湿性、绝佳的机械性能和摩擦性能以及高水平的耐化学性和耐燃油性。Hostaform® PTX 可以挤压成平管和波纹管，可用于燃油、气动刹车系统、离合器、新鲜空气通风口和衬板应用。
据了解，Hostaform® PTX与常规POM的区别在于前者很软，后者刚度很高。这样一来，PTX系列材料则更多地应用于汽车管路中，典型的应用就是汽车油箱内的油管。 早期汽车油箱软管采用的是尼龙11、尼龙22这类材料，它们的缺点在于：长期经受燃油浸泡，很容易有低分子量的尼龙分子析出，随着油温变低，这些物质就沉淀下来，久而久之会堵塞油路、喷油嘴。而PTX材料则不会出现低分子量的聚甲醛析出的情况，是燃油箱软管的理想材料。 小结 汽车中包含着数以万计的零件，不同部位对于材料特性需求也有很大差别，随着汽车设计的进步与消费者理念的改变，人们对于汽车材料需求越来越多。无论是法规层面还是消费者需求层面，工程塑料由于其环保、轻质、节能、多样化的特性已经成为了汽车新材料的必然趋势。 |
