高分子材料在汽车行业中的应用

高分子材料亮相车展高分子材料在汽车行业中的应用•高分子材料—汽车应用现状•汽车用塑料主要特点•汽车用塑料制品与材料•汽车常用塑料的具体性能与用途高分子材料—汽车应用现状•近30多年来，国际上汽车塑料的用量在不断增加，平均每辆车上塑料的用量从20世纪70年代初的50--60kg已发展到目前的150kg，而且增长还在继续。在日本、美国和欧洲等发达国家中，每辆轿车平均使用塑料已超过150kg，占汽车总重量的10%。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）。很明显，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。我国不同车型塑料用量分类塑料用量（Kg/辆）塑料占全车材料的百分比（％）轿车34.652t载货汽车27.71.544t载货汽车22.50.410t载货汽车25.80.32我国汽车塑料制品发展现状我国汽车塑料制品发展现状我国汽车中塑料件在各使用部位所占的百分比车型内饰件（％）外装件（％）机能结构件（％）天津TJ13352.31.546.2南京NJ13157.68.234.2国外小轿车40.934.524.6如图为福特公司CFRP实验车中复合纤维材料的结构图汽车用塑料主要特点•高分子汽车材料就其自身化学性质分析，在组成上，材料内部高分子链间的范德华力远远超过一般分子，赋予了高分子材料以强度，这就是高分子材料能作为结构材料使用的根本原因，而起这一特性，恰好符合汽车对于车体材料安全性的考虑。由于化学性质的特殊，高分子材料其化学上的可变性就决定了其强大的适应性，从而能够满足汽车行业对于多方面的不同要求。高分子汽车材料外在特点主要表现为重量轻、有良好的外观装饰效果、有多种实际应用功能、容易加工成型、节约能源，可持续利用等各方面，主要特点如下。•⑴、重量轻；•高分子汽车材料最突出的优点之一就是具有轻质高强度的特性。由于各种塑料的平均比重只有一般普通钢材的15-20%，也比一般木材轻。这一特点对高档大型轿车尤其有突出的优点，可以减去大量的自重，更加合理的分配其动力。在驾驶方面，汽车轻量化后加速性提高，车辆控制稳定性、噪音、振动方面也均有改善。从碰撞安全性考虑，碰撞时惯性小，制动距离减小。此外车辆每减重100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里。•⑵、良好的加工性能；•高分子汽车材料具有非常好的加工性能。由于高分子汽车材料的可塑性和与其它材料之间良好的兼容结合性能，可以利用不同的材料组分，借助于各种现代化的成型加工机械，通过挤出、注塑、压延、模塑、吹塑等方法加工成具有各种不同形状、不同性能、不同颜色的、不同功能的高分子汽车材料，如，直接挤成管材、型材、板材，注射成有各种造型的制品、压延加工成薄膜等，还可根据需要制成各种颜色、有夹层、中空、放嵌件等各种产品，还可根据要求进行二次加工，如机械制品样的车削、冲切、裁剪、焊接、也可热熔、冷锯、复合等。⑶、优良的综合性能；高分子汽车材料的另一个优点是具有多种功能，可而被用于特殊的场所。大多数高分子材料除了具有可塑性外，还有众多优秀的理化性能。塑料具有良好的绝缘性能、卓越的防腐蚀性能、耐老化性能、良好的耐磨和耐洗刷性能、良好的防水性能和力学性能、良好的粘结结合性能，被加工成各种被加工成各种要求多种性能和功能的汽车内外饰件。⑷、优秀的装饰效果；高分子汽车材料最突出的优点是装饰效果优秀。它可以被一次加工成具有复杂造型和多种色彩的制品，有时还需印刷、贴膜、轧花、复层、着色，加工成具有非常逼真的形象、花纹和图案，可以仿制天然木材、金属、动物皮的纹理，还可以表面烫金贴膜、镀银、镶嵌等。⑸、节能和环保；高分子汽车材料还有一个优点是能节约能源和促进环保。由于能替代大量的天然材料，就可以相应节约大量的资源，起保护森林和石材资源的作用，不破坏更多的生态环境，具有节能的社会价值和环保意义。同时，相应实验得出，汽车轻量化1%油耗降低0.7%，这一点进一步体现了高分子汽车材料的经济性和相应的环境利益。由于塑料加工成型的方便性，制造高分子汽车需要的能源远远小于加工同等功能的天然材料，比如钢铁、动物皮等，可节约大量人工和能源。大多数汽车材料用的塑料是热塑性塑料，其废旧料能方便地回收，直接再制造，使高分子汽车材料走上可持续加工的清洁生产道路，有着极其积极的环保意义。高分子汽车材料的特性还有很多，其中也有一些不如传统材料的地方，主要缺点表现在它的刚性、耐热性和可燃烧性、耐老化性能、表面耐刻划性和抗冻性等。1、聚氨酯泡沫塑料制品聚氨酯泡沫塑料广泛应用于汽车内饰和吸收振动的零部件上。其主要制品有：仪表板、后视镜框、保险杠、座椅软垫、头枕、转向盘、控制箱、仪表板防振垫、前后支柱装饰、中间支柱装饰、前顶衬里、窗框架、顶棚与侧顶架装饰、门衬板、遮阳板、后顶架装饰等。2、工程塑料汽车零部件工程塑料制造的汽车机能件较多，其中常见的零部件有：散热器格栅（其材料有ABS、20％玻璃纤维增强聚丙烯）、空气滤清器壳（聚丙烯）、行里箱盖（聚丙烯）、仪表板（聚丙烯）、曲轴箱盖（尼龙6）、正时齿轮链盒（聚丙烯）、正时齿轮（30％玻璃纤维增强聚甲醛）、挡泥板（尼龙R－RIM）等。3、塑料基复合材料汽车制品塑料复合材料如SMC、DX（聚甲醛复合材料）开始用于制造汽车结构件，对减少汽车自重起了重要作用。如SMC材料模压成型制造汽车门板，聚甲醛复合材料制造传向节主销衬套。汽车用塑料制品与材料汽车常用塑料的具体性能与用途•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。据美国汽车塑料协会发布的资料显示，2006年，北美汽车共消费767百万磅PP，单车用量为45.5磅；预计2011年，这两个数字分别可以达到91百万磅和51.3/磅。•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）。汽车常用塑料的具体性能与用途•聚苯乙烯（PS）•聚苯乙烯由苯乙烯经自由基聚合反应而得，是无色透明、易着色、介电性能和耐辐射性能良好的刚性材料，但质脆而硬、不耐冲击、耐热性低（80℃）、耐有机溶剂性能较差。它主要用来生产注塑制品，广泛用于汽车仪表包装防震材料、隔热和吸声材料。•ABS塑料•ABS塑料是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯3种单体构成的一系列聚合物的总称，包括3种单体的共聚物、两种单体共聚物的混合物、接枝共聚物等。当前主要用接枝共聚工艺生产ABS树脂。ABS为浅黄色粒状或珠状不透明树脂，无毒、无味、吸水率低，具有优良的综合性能。此外，容易电镀，易于成型，价格低廉。其缺点是：可燃，热变形温度较低，长期使用容易起层，耐候性较差。为改变这方面的性能，发展了用乙丙橡胶或氯化聚乙烯代替含有双键的丁二烯链段的高抗冲耐老化的三元共聚物。前者称为EPSAN，后者称为ACS。ABS塑料主要作为工程塑料，用做机器零件，各种仪表的外壳，设备衬里等。汽车常用塑料的具体性能与用途•聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)•聚甲基丙烯酸甲脂是由甲基丙烯酸甲脂经自由基聚合而成，采用本体浇注方法直接生产板材、管、棒等制品。局甲基丙烯酸甲脂的特点是：适光性能优良，可见光透过率为92%，紫外光透过率为73.5%，透光率优于其他透明塑料和普通硅玻璃，强度是普通玻璃的8倍～9倍，但它比硅酸盐玻璃昂贵，所以主要用于汽车的尾灯罩、指示等罩、仪表透明罩板、模型材料等。•聚酰胺（PA)•聚酰胺，俗称尼龙，工业上重要的聚酰胺有尼龙-6、尼龙-66、尼龙-1010、尼龙-610以及共缩聚酰胺和耐高温的聚芳酰胺。由聚酰胺得到的合成纤维，我国称为棉纶。聚酰胺塑料是最重要的通用工程塑料，其产量居5大工程塑料之首，主要用于汽车制造工业、电气工业和机器制造工业作为耐磨部件和一般零件。聚酰胺树脂大量用于生产合成纤维，另外还用于制造涂料和胶黏剂等。聚酰胺是不透明或半透明的角质状固体，表面光亮度良好，无臭无味、无毒，抗霉菌，具有柔韧度好、强度高、耐摩擦、自润滑、电绝缘性好、耐弱酸碱和一般溶剂以及透氧率低的特点，但对强酸、强碱、酚类等抵抗力较差。此外，热导率低、热膨胀大，有冷流性及较大的吸水性和收缩率。汽车常用塑料的具体性能与用途•聚甲醛(POM)•聚甲醛由高纯度甲醛或三聚甲醛经阳离子催化聚合而得，聚甲醛是高度结晶的热塑性塑料，具有优良的综合性能。它突出的优点是：刚度高、硬度大、耐蠕变性和耐疲劳性优异。另外，它的强度和冲击性能良好，并且容易成型加工。其缺点是：阻燃性较差，耐候性不理想。其产量仅次于尼龙合聚碳酸酯，位居第三。它主要用作汽车零件的制造，如齿轮、轴承等。它是在众多领域中能代替钢、锌、铅、铜等金属材料的优良材料。•聚碳酸酯（PC）•聚碳酸酯是淡琥珀色透明固体，具有耐热性优良，抗冲击强度高，刚度好，尺寸稳定性良好，吸水性、抗蠕变性能优良等特点。聚碳酸酯在汽车中的应用有越来越多的趋势，PC常用于需要采光又有一定强度要求、需直接接触光照处。材料高分子在材料领域中有它特殊的地位，特别是交通工具，可以替代比重较大的金属与陶瓷，以及木材及其它天然材料。例如汽车车身与车壳结构材料中已经有50％用高分子材料，下世纪将增至70％至100％。再如宇航与航空机身与机翼，减轻重量可以大大省油，因此都用高分子复合材料，从80年代的30－40％总重量，至90年代的50－60％，估计21世纪可达70－80％。高分子材料在许多应用领域中，不仅可替代传统材料（金属、木材、天然橡胶、棉、麻等），还大量地替代了大多数合金，还可提供更优异的性能。高分子材料的前景让人觉得期待！