常州工程职院高分子物理教案12汽车内六种部位材料的分析、选择、改性

项目 12 教学中的必要准备内容项目 12《汽车内六种部位塑料材料的分析、选择、改性》具体任务第一组：请为汽车方向盘的生产选择合适的高分子材料；第二组：请为汽车仪表盖板的生产选择合适的高分子材料；第三组：请为汽车烟灰缸的生产选择合适的高分子材料；第四组：请为汽车暖风机叶轮的生产选择合适的高分子材料；第五组：请为汽车座垫、靠垫的生产选择合适的高分子材料；第六组：请为汽车车门内填料的生产选择合适的高分子材料。一、有关内容简介汽车这种现代化的交通工具，目前面临着污染、安全及节能三大问题，选用轻质的塑料材料可有助于解决安全和节能两方面问题。用可吸收冲击能量的弹性体和发泡塑料制造保险杠、仪表盘、座椅、头枕等制品，在发生交通事故时，可减轻对人体的伤害，提高汽车的安全系数。用密度仅为钢材 1/8 的塑料材料制造汽车制品，可有效地降低汽车的自重，从而达到节能的目的。目前，世界各国大都立法规定汽车的最低耗油指标；以美国为例，其汽车耗油指标从 1978 年的 7km/L 上升到现在的 11km/L；而日本则达到 l2km/L。汽车的能耗绝大部分消耗在汽车行驶时克服空气阻力和轮胎滚动阻力上，空气阻力可通过改进汽车流线造型来降低，轮胎滚动阻力则要靠减轻汽车自重来降低。例如， 1600kg自重的汽车耗油为 10km/L，如自重降低为 800kg，其耗油则降低为 21km/L，节能幅度高达 110%，可见节能效果是多么明显。目前，各汽车制造商都在逐步增加塑料材料在汽车上的使用量；美国 1980 年汽车用塑料仅为 6%，到 2000 年则可达到 30%以上。我国汽车塑料化也进展很快，目前桑塔那轿车的自重已降为 991kg以下，接近世界先进水平。几种汽车制品用塑料材料后的轻量化情况如下表所示。配件名称原质量/kg 塑料质量/kg 减轻质量/kg 轻量化率，% 空碉器支架盘式制动器活塞发动机盖后门座椅架(2座) 燃料箱轮胎(4 只) 驱动轴叶片弹簧门梁车身车架车门(4 扇) 前后保险杠车头车轮(4 只) 3.18 0.82 16.34 20.88 22.7 22.7 54.48 10.22 12.71 7.72 209.29 128.48 70.82 55.84 43.58 41.77 0.91 0.41 12.26 12.71 11.35 18.16 40.86 4.31 2.04 3.18 94.43 93.98 27.69 9,98 13.17 22.25 2,27 0.41 4.1 8.17 11.35 4,54 13.62 5.9 10.67 4.54 114.86 34.5 43.13 35.87 31.42 19.52 71502539502025588459552761647047 721.53 377.69 344 47.7 一般情况下汽车每增加 50kg每百 km增加 2升汽油，则车身减轻 344kg可比原来节约 7升汽油。归纳起来，用塑料材料制造汽车制品的优点如下。①减轻重量，达到节能的目的；②塑料材料可有效地吸收冲击能量和震动能量，减少汽车在撞击时对人体的损伤，提高汽车的安全系数；③提高汽车的功能性，如用塑料材料制造的保险杠，对吸收冲击能大有改善，用塑料制造的燃油箱，提高了抗腐蚀性，降低了火灾爆炸可能性；④成型加工容易，以燃油箱为例，用金属材料制造，需要 20 到工序，而用塑料材料制造，则只用 I 道工序即可。不过，用塑料材料制造汽车制品也有其自身的缺点，具体有成本高出钢材2 一 3 倍、耐热性差及强度低等。汽车轻量化除可用塑料材料外，还可用高强度钢、铝合金、镁合金及精密陶瓷等，但其使用量远远落后与塑料材料。二、汽车制品中常用塑料的选材塑料汽车制品又称为汽车配件，一般可分为三类即内饰件、外饰件和功能结构件。其中内外饰件对所用塑料材料的性能要求不高，可用普通的塑料材料即可，而结构件对所用塑料材料的性能要求则高，常用优质工程塑料或其合金。 (1)内饰件内饰件指轿车内部的装饰部件，具体名称及所用材料见表 10­18 所示。汽车常用的内饰件及所选材料内饰件主要原料要求性能可代替材料方向盘 PP、PU、HDPE 等耐热、手感好热塑性弹性体仪表板金属骨架＋半硬发泡 PU＋ABS 或 PVC 皮、ABS、ABS/PVC、PPO/ABS、增强 PP 等耐光、抗冲击冷硫化 PU、SMA、 PC/ABS 等仪表板芯 ABS 强度、涂漆性增强 PP 仪表盖板 ABS 尺寸稳定、耐热增强 PP 杂物箱 PP 铰链特性烟灰缸 PF 耐热 GFPBT 仪表板底架 PP 价格低车门内手柄 ABS、PVC 皮＋PU＋PE 韧性好热塑性 PU 座垫、靠垫软发泡 PU 回弹性高、柔软头枕芯半硬发泡 PU 柔软暧风机壳 ABS、增强 PP 耐热、强度暧风机叶轮 POM 强度表皮 PVC 革柔软、耐寒填料发泡 PU 隔热、隔音发泡 PE 及 PS 车门内饰板芯材硬纸板价格低 PP＋废纸表皮 PVC 膜或壁纸柔软、耐寒布填料发泡 PU 隔热、隔音发泡 PE 及 PS 车顶棚衬里芯材塑料毡＋PF 价格低 PS 泡沫 (2)外饰件外饰件除应具备内饰件的性能外，还要具有高强度、高韧性、耐环境性能及耐冲击性能等。外饰件的具体品种及使用材料如下：①前后保险杠，选用 PP/EPDM、RIM­PU、TPU、PC/PBT、EPDM、SMC(UP)及 MPPO 等；②车身、棚，选用 SMC 及 PC/ABS 等；③外门板，选用 SMC、ABS、增强 PP 及 RIM­PU等；④挡泥板，开始使用 SMC、HDPE，近期开发增韧，PP、RIM­PA、MXD6­PA及 PBT等；⑤轮罩壳，选用增韧 PP、ABS 及 PPO/ABS 等；⑥镜框，选用 PP、PU及 PS 等；⑦灯罩，选用 PMMA、PC 及 SMC 等；⑧散热器隔栅，低档用 ABS、增强 PP 及 SMC 等，高档用 MPPO 及改性 POM 等；⑨遮阳板固架，选用改性 PP 等；⑩遮阳板面料，选用软 PVC 片等。 (3)结构件结构件对所用塑料材料的性能要求很高，不仅要求材料的强度要高，而且耐热性也要好。可用塑料材料制造的结构件及具体品种有：发动机及周边产品，要求耐热 160一 200C，可选用 GF­PA66 及 GF­MPPO 等，发动机罩可用 SMC 等；蓄电池壳，选用改性 PP 等；风扇叶，选用增强 PP 等；车轮，选用 SMC 等；传动轴，选用玻璃纤维或碳纤维增强 EP 等；座椅架，选用增强 PP 等；燃油箱，选用 HDPE冲 A斤 DPE 及 UHMWPE 等；燃油管，选用 PAll 及 PAl2 等；密封条、圈，选用 EPDM、PVC 及 PU等；窗玻璃，选用 PC 和 PMMA，目前应用较少，但不久肯定用塑料代替玻璃。 (4)几个常用汽车塑料件①保险杠。保险杠材料要求具有很高的冲击强度，以吸收万一汽车相撞时的冲击能量，保护汽车和驶乘人员的安全。保险杠分前、后保险杠和左右保险杠，其所用材料基本相同。可用于保险杠的塑料材料有很多种，常用的有 PP/EPDM、TPU、RIM­PU、PC 冲 BT、EPDM、MPPO 及 SMC 片状模塑料等。其中 PP 几 PDM常用于中低档轿车，而其他种类材料常用于高档轿车。世界各国对上述各种保险杠材料的应用情况不同。我国的桑塔那、夏利及高尔夫等和日本的日产、丰田、马自达、三菱及本田等用 PP 甩 PDM;法国常用 SMC 片状模塑料；德国普遍采用 PP 甩 PDM，高档车用 PU；美国多用 PU和 PC，但也逐渐转向 PP 几 PDM。上述几种材料的价格大小为：MPPO＞PC/PBT＞PU＞EPDM＞SMC 片状模塑料＞PP＞EPDM。保险杠所用材料不同，其结构也不同。其中，PP/EPDM、MPPO，PC 件 BT 及 SMC 片状模塑料等五种保险杠由于本身强度和韧性较高，可不加钢衬单独成型。而 PU、EPDM 等保险杠材料韧性高而强度不高，需要加钢衬支撑。现在各种汽车保险杠材料的用量比例为： PP/EPDM53%、 RIM­PU24.4%、 PC/PBT10%、 SMC(UP)6.4%、其他 6.2%。 PP/EPDM 为黑色；PCWBT可与车身同一颜色，奔驰、宝马、福特常用。②仪表板。要求具有一定的强度、良好的韧性和冲击能量吸收性。仪表板可选用的材料很多。早期的仪表板为组合式，分基材、缓冲材料和面材三层;基材用 ABS，缓冲材料为 PU发泡材料或弹性体，面材为 ABS 或 PVC花纹膜。现在倾向于改为一体材料，具体材料有:SAN、增强 PP、SMC、ABS、ABS/PVC、MPPO、PC/ABS 及 RIM­PU等。对于一体结构仪表板，可采用板材二次热成型制造。仪表板塑料材料的用量顺序大小为：PU＞SAN＞ABS＞PS＞SMC＞PP。③燃油箱。塑料燃油箱最早由德国大众公司于 1972年开发成功。燃油箱要求所用塑料具有耐油性好、油渗透率低、防静电、高低温性能、耐化学腐蚀性及抗冲击等性能特点。与金属燃油箱相比，塑料燃油箱的优点如下:塑料燃油箱的形状可任意变化，可充分利用汽车的不规则空间作为燃油箱的外形，因而燃油箱的体积可增大，一般增大 10%一 20%；塑料燃油箱的重量可比金属降低 30%左右;塑料燃油箱的耐化学腐蚀性好；塑料燃油箱的隔热性好，遇火升温慢；另外，碰撞不产生电火花，可降低爆炸和燃烧的可能性;成型加工容易。塑料燃油箱常用交联聚乙烯 (XLPE)、高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)、 HDPE/PA/HDPE 三层复合材料、PA11 及 PAl2 等，以期中以 HDPE 和 UHMWPE 最为常用，现在倾向于用 PAU和 PAl2。德国 BASF 公司的 4261A高分子量聚乙烯塑料为燃油箱用科。塑料燃油箱采用中空吹塑一次成型，为进一步降低汽油渗透率，吹塑后可进行表面磺化或氟化处理。 XLPE 常采用离心浇铸方法成型。④方向盘。方向盘要求用材料耐热性及手感好。方向盘可用的材料很多，具体有 HDPE、PP、PU 及 ABS 等。⑤挡泥板、车轮罩及车身等。要求性能为抗冲击性好、易成型大型制品、不易发生形变及表面易涂装等。挡泥板和车轮罩可用材料为HDPE、增韧 PP、ABS、PA6、MPPO/ABS、SMC 及 RIM­PU(20%GF)等。车身可用材料为 SMC（20%GF)及 PC/ABS 等。三、汽车常用的塑料材料在汽车配件中，世界各国所用塑料材料的比例不同。1990 美国轿车用塑料材料的用量次序如下：PU ＞PP＞PVC＞PU＞ABS＞PE＞PA＞PC＞PF＞PBT＞EP＞PMMA＞POM＞MPPO＞PS＞TPU。其中，PU 占 23%、PP 占 20%、PVC14%、不饱和聚酯玻璃钢 (UP)占 12%、ABS 占 10%、PE 占5%。1998年日本汽车用塑料的用量次序为：PVC＞PP＞PU＞UP＞ABS＞PE＞PA。我国汽车用塑料的用量依次为 PP＞PVC＞ PU＞ABS＞PE＞PA。 1、PP PP是一种最常用汽车塑料材料，在我国其用量可占汽车用塑的40%以上，欧洲占28.1%，日本占28.8%，除美国外大居各塑料之首。纯 PP 在汽车中应用的不多，应用最多的为'的增强和增韧改性品种。可用 PP 制造的汽车配件种类很多，具体有:保险杠、仪板、挡泥板、车轮罩、方向盘、风扇叶片、蓄电池壳、座椅架、内门板、行李架、空调器壳及配件、散热器隔栅等。下面介绍 PP 改性专用科的配方设计。 (l)PP 增韧料 PP 增韧料的改性配方中包括：本体 PP 树脂，POE 和 EPDM 等增韧材料，刚性填料如碳酸钙、滑石粉及云母粉等，相容剂如 PP 接枝马来酸酥。具体配方实例如下: PP 55%～75%     PP­g­MAH(MAH0.1%～0.3%)3%～5% EPDM                 15%～25% HDPE                   5%～10% 滑石粉(1.5spm以下) 1%～7% 我国开发成功 PP 增韧料的单位很