高分子材料在交通运输中的应用

1高分子材料在交通运输中的应用随着科学技术的不断进步，具有质轻、高强、耐腐蚀、易成型等优点的高分子材料及其复合材料越来越多地在现代交通运输业(包括基础设施建设和海上陆地交通运输工具)中得到广泛的应用。应用于交通运输行业的高分子材料主要包括塑料及其复合材料和橡胶两大类，当然其他以高分子材料为基础原料的材料如胶粘剂、油漆等也大量用于交通运输业，但用量远远低于塑料和橡胶。交通运输行业中，目前得到广泛应用的高分子材料主要包括塑料及其复合材料、橡胶、胶粘剂等，本文分别从塑料及其复合材料和橡胶两个方面介绍高分子材料及其复合材料在交通运输行业包括交通运输基础设施和交通运输工具上的应用现状。一、塑料及其复合材料在交通运输中的应用塑料及其复合材料在基础设施建设方面，主要应用于路基、高等级公路的护栏，各种交通标识、标牌；高速铁路的钢轨扣件(包括绝缘板、垫和挡板座等)，轨道的填充材料、弹性枕木等部件。而在交通运输工具方面，应用塑料材料最多的是汽车工业，而在机车上，塑料则主要用于无油润滑部件、制动盘摩擦片、车窗玻璃等，在其他类型的交通运输工具上，塑料及其复合材料的应用也越来越广泛。1、基础设施（1）公路基础设施根据我国公路交通的阶段发展目标，到2010年全国公路总里程将达到210～230万公里，到2020年全国公路总里程将达到260～300万公里，高速公路里程达到7万公里以上。虽然我国高等级公路建设发展迅速，但因交通量大、车辆超载严重、车速快，对路基路面的危害导致我国一部分高等级公路路面损坏现象十分严重，对路基路面的强度和稳定性都提出了更高的要求。聚苯乙烯（PS）泡沫板材在国外作为路基填充材料已有30年历史，在美国和欧洲已被普遍采用。PS泡沫板材在公路建设上的应用，可有效改善路面质量，更好地保证道路完好平坦。由于PS泡沫比强度高、质量小、可承受较大的交通负荷、轻质防水，能更有效地防止路面在使用过程中雨雪对路基的侵蚀，提高了防止路面局部塌陷的能力。PS泡沫材料的优异性能能够在一些特殊地段大显身手，如在沼泽地带的路段上用作路基填料，可大大减少路面的沉降及侧压力，利于保持路面的稳定完好及地下排水系统的畅通；用于冻土地区还可减少冰冻现象；在雨雪较多的山地，还可提高坡体的稳定性，使坡体变得稳定坚固，能有效减少山体滑坡现象的发生。用聚苯乙烯泡沫板作路基填料的费用低廉，维护工作量和费用也大大降低。另外，路基用PS泡沫板还可以采用包装材料的回收料来制作，为包装废弃物寻找了一个合理的去处。尽管我国开发路基用聚苯乙烯泡沫板材才刚刚起步，但在沪宁高速苏州段路基上的应用已经为我们展示了良好的市场前景。高等级公路防护栏也是塑料及其复合材料应用的一个重要方面。现在高等级公路使用的防护栏多用钢材制成，但钢护2栏自重大，安装维修不方便；耐腐蚀性差，易受汽车尾气的严重侵蚀；标识能力差，且耐撞击性能也有待提高。所以，现在很多国家都在大力研究塑料复合材料护栏，并已经取得了一些突破性进展。玻璃纤维增强塑料(GFRP)强度高，刚度小，受撞击后不易断裂，又能吸收更多的能量，最大程度地保证公路交通安全；加之GFRP具有优越的耐化学药品性，优良的成型加工性，因而可以很好地解决公路护栏锈蚀的问题，提高护栏的使用寿命；而且GFRP质轻、安装方便、标识性强，通过特殊设计，其使用性能优于钢护栏，而且成本较低。塑料及其复合材料制品广泛应用于公路的其他附件设施中，如高速公路的隔音板、防眩目光板以及各种公路交通标识制品等。比如，广泛采用聚碳酸酯(PC)制作的交通指挥灯、路标灯灯罩，可以避免玻璃破碎伤人、更换灯罩不及时而影响市容等一系列问题。交通标识制品在户外使用，承受着风、雨、烟雾、汽车尾气、日光等外界因素的多重污染和侵蚀，所以，对其耐老化性能有较高的要求，而且，标识制品也应有承受一定应力破坏的能力，对制品的印刷、着色性能要求也很高。目前，改性聚烯烃制品已获得应用。传统道路照明灯杆以钢杆为主，而以树脂为基体，以玻璃纤维为骨架构成的复合材料—玻璃钢，由于具备优异的耐腐蚀性能，使用寿命长，无需维护，外表颜色可随意调配，有良好的绝缘性，重量轻，同等体积的玻璃钢重量仅为钢材的四分之一，比强度大大超过钢材及减振性好等性能，这些特点显然符合道路照明用杆的要求，可以用来制作道路照明用灯杆。此外，国外还在越野公路、山区道路上敷设PC反光道钉。这种道钉两侧贴上反光微珠，能防止车辆冲撞和碾压。白天可以作为分道线，夜间在汽车前灯照射下能够形成二三百米的光带，保证了行车安全。（2）铁路基础设施高速铁路是20世纪后半叶世界铁路的共同发展趋势，它要求铁路轨道结构具备较高的刚性、稳定性及适宜的弹性，实现高质量、少维修。因此，对应用在轨道结构中的高分子材料部件提出了更高的要求。铁路轨道结构中，扣件的挡板座是保护轨枕挡肩、绝缘、保持轨距的重要部件。要求其材料耐低温、抗冲击。制备这种部件选择高强度的增韧塑料材料是合适的。钢轨绝缘件是铁路轨道线路的绝缘部分，为保证轨道信号准确无误，钢轨连接要求具有良好的绝缘性和高的压缩强度。现在多采用尼龙(PA)、超韧PA、纤维增强塑料(FRP)等材料制作。为适应高速铁路的要求，设计了新型的提速道岔，并采用了混凝土岔枕，岔枕中配置了塑料套管。该套管要求具备高抗拔力、绝缘、强韧性等性能，现在多采用高强增韧PA材料制作。此外，塑料材料还用作可变垫板、电热垫板、轨道填充材料、弹性枕木等零部件；（3）桥梁经过近几十年的快速发展，我国桥梁的数量已十分庞大，其中有不少桥梁暴露出缺陷，更有一些桥梁在远没有达到设计寿命时出现耐久性能严重蜕化的现象，甚至出现倒塌等毁灭性事故。钢筋锈蚀是引起桥梁耐久性蜕化最重要的原因，解决结构耐久性不足的主要办法是改善原材料的耐久性及增加防护措施。而纤维增强塑料FRP因具有良好的耐久性和抗疲劳性，成为人们解决钢筋锈蚀问题的一个重要选择。目前，已经研究开发成熟并在土木工程中得到使用的纤维增强塑料FRP主要有3种，即碳纤维增强塑料CFRP、芳纶纤3维增强塑料AFRP和玻璃纤维增强塑料GFRP。其中CFRP是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟，用量最大的高性能纤维复合材料。与钢筋比较，FRP补强材料质量轻、比强度大、比刚度、抗疲劳性能好、减振性能好、与混凝土及钢材的热膨胀系数相近、耐腐蚀、非电磁性，用于加固修补混凝土结构的优势明显。利用FRP材料特别是碳纤维增强塑料CFRP或玻璃纤维增强塑料GFRP作为力筋修建、加固桥梁是近年来国际上的一个研究热点。日本最早采用CFRP绞线作为先张预应力筋修建了跨度576ｍ、宽70ｍ的Shinmia公路桥。近年来，国外又新建了很多不同型式的CFRP桥梁，包括连续梁桥、斜拉桥等，在设计理论、施工工艺等方面取得了新的进步。工程上常用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、受弯构件外部粘钢加固法、喷射混凝土补强法等。这些加固方法各有特点和适应范围，也都有一定的缺陷，共性的问题是化学腐蚀问题。因此，工程界近年出现了新兴的、科技含量较高的加固技术—纤维复合材料粘贴法，并已应用到工程实际中。GFRP常用于桥梁的桥墩等结构件中。该类结构件要求强度高、质轻、耐腐蚀，GFRP因其优异的性能，加很高的比强度、比刚度、抗腐蚀、耐疲劳等特性，以及很强的可设计性，现在已经广泛地应用于各类桥梁的建设中。2、运输工具（1）汽车目前，汽车研究目标仍然是节能、降低排放量及安全性能的改进。为此，美国重点从降低汽车自重等方面做出努力，力争将汽车的自重由目前水平再下降40％。而方法就是采用轻质材料，特别是广泛使用的塑料材料。塑料及其复合材料是重要的汽车轻质材料，不仅可减轻零部件约40%的质量，而且还可使采购成本降低40%左右。近年来，塑料在汽车中的用量迅速上升。据统计，2000年世界汽车平均每辆塑料用量在就已达105kg，约占汽车总质量的8～12%。塑料在轿车中的用量较高，如奥迪A2型轿车的塑料件总质量已达220kg，占总用材的24.6%。发达国家汽车用塑料现已占塑料总消耗量的7～11%，预计不久将达10～11%。目前，车用塑料的品种与所占比例大体为：聚丙烯21%、聚氨酯19.6%、聚氯乙烯12.2%、热固性复合材料10.4%、ABS8%、尼龙7.8%、聚乙烯6%。从品种上看，聚烯烃材料因密度小、性能较好且成本低，近来有把汽车内饰和外装材料统一到聚烯烃材料的趋势，因此其用量会有较大的增长，预计聚丙烯今后可保持8%的年增长率，聚乙烯的增长势头也比较强劲。我国汽车工业对聚丙烯的市场需求持续增长，主要是因为聚丙烯能够与多种材料很好配混，能够以较低的价格模拟高价格的工程塑料性能，以及能够薄型化和减轻重量等，使聚丙烯不仅在替代非聚合物，而且在与其它聚合物，如PVC、ABS、HDPE和工程塑料的竞争中也具有很大优势。许多汽车制造商都看好聚丙烯部件，并希望能够采用单一材料制造，以利回收，同时也希望材料的成本较低，聚丙烯因具有最佳的综合性能而成为首选。聚氨酯由于原材料的多样性，以及不同助剂和成型方法的使用，可制得符合汽车工业要求得不同类型的产品。目前聚氨酯泡沫塑料重点发展的车用制件包括座椅、保险杠、制动与输油管件、仪表盘、门内护板和主柱板、轿车复合型地毯、内饰顶棚、隔音耐热减震阻尼制品等。而聚氨酯弹性体则重点开发汽车传动皮带、油封、缓冲器、门窗封条、异型材胶带、高承载轮胎等。聚氨酯涂料和胶粘剂在汽车工业的应用也越来越广，以胶粘剂为例，可用作挡风玻璃胶、刹车蹄片胶、高强度压敏胶带以及行李箱、发动机盖、内饰件等的密封和粘结。ABS塑料具有良好的综合性能，在汽车零部件塑料化初期就已应用到塑料工业上。因其强度高、刚性好、耐高温、加4工成型性好、尺寸稳定、外观质量好等特点，因此广泛应用于汽车外屋和内部零部件，ABS在汽车上用量约占塑料总用量的10%。美国、西欧、日本在汽车上使用ABS塑料约占ABS总用量的20-25%。我国汽车用塑料需求量预测。汽车塑料的广泛应用带来了可观的经济效益和社会效益。经济效益是节能，减轻车身自重不仅可节约油耗，而且在汽车制造过程中也节省了能源消耗。社会效益是环保，国际上环保要求用在汽车上的材料80％以上必须能够回收利用，而塑料可以满足这一要求。此外，塑料部件用于汽车还有一次成型，减少了工序和能源消耗，避免了部件组装过程中的误差，提高了整体精度；保持干燥，塑料部件一般无须特殊处理就具有天然的防水性能；耐热性好；无须油漆等优点。国外汽车的内饰件已基本实现塑料化，如今塑料在汽车中的应用范围正在由内装件向外装件、车身和结构件扩展，今后的重点发展方向是开发结构件、外装件用的增强塑料复合材料、高性能树脂材料与塑料，并对材料的可回收性予以高度关注。我国汽车塑料的应用是伴随着汽车工业的发展而发展起来的，在其发展过程中，历经了热固性树脂制备电器绝缘件和转向盘等零件、汽车内饰化即利用PUR软泡、PVC革和PVC薄膜制备汽车座椅、仪表盘、顶棚、地垫、门内板等以及随着我国石化行业的快速发展和轿车材料国产化进程加速，使我国轿车上塑料应用跨入一个新的发展水平。目前，我国经济型轿车单车塑料用量已经达到50～60kg，中高级轿车60～80kg。目前，我国汽车塑料应用主要包括内饰件、外饰件和功能结构件。内饰件主要有仪表盘、车门内板、杂物箱盖、座椅、车内顶等。功能与结构件主要有油箱、散热器水室、油门踏板、风扇叶片等。外饰件主要有保险杠、档泥板、车轮罩、导流板等。（2）机车车辆自开始采用合成材料以来，纤维增强塑料作为半结构性材料已被大量应用于铁道机车车辆。从那以后，合成材料就被推广应用于铁道机车车辆，甚至在许多应用领域享有优先权。列车特别是高速列车必须实现车辆轻量化，单靠使用金属材料减轻其自重已经接近极限，所以，主要途径是大量采用高分子材料及其复合材料。在选用机车车辆用高分子材料时，从安全性、功能性出发，应该是在阻燃的基础上向低烟、低毒、高比强度、高比模量的方向发展。目前碳纤维、硼纤维的应用，各种先进结构形式加蜂窝状结构的选用是研究的重点。树脂基复合材料的夹层结构适用于制造高速列车流线型