车用塑料的应用进展

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摘要：
以聚丙烯（PP）、聚氨酯（PU）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）为例，介绍了塑料在汽车上主要应用部位，分析了塑料应用于汽车零部件的进展情况，指出纤维增强PP、聚氨酯弹性体和ABS合金将在未来得到更深入的开发和应用研究。
关键词：车用塑料；应用；进展
引言
当今社会对节能与环保的要求使轻量化成为现代汽车工业发展的主要方向之一。行驶同等公里数时，汽车自重每减少10%，燃油消耗量可降低6%～8%，污染物排放量也随之降低[1]。采用塑料这种轻质材料替代传统车用金属材料，是实现汽车轻量化的有效手段之一。随着塑料应用技术的不断发展和各国政策的逐渐支持，塑料在世界先进汽车上的使用量由占总重的6%增至20%。我国汽车消费塑料总用量的排列次序为聚丙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、不饱和聚酯、ABS、酚醛树脂、聚乙烯和聚酰胺[2]。本文以国内车用塑料中用量较大的三种材料，聚丙烯（PP）、聚氨酯（PU）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）为代表，介绍车用塑料的应用进展。
1.聚丙烯
聚丙烯及其改性塑料是汽车上用量最大的塑料，约占世界汽车塑料总用量的21%，约占国内汽车塑料总用量的40%[3-5]。聚丙烯材料在汽车上获得如此大规模应用的主要原因是具有密度小、无毒无味、抗弯曲疲劳性能好、化学稳定性好、产量大、性价比高、易于加工成型和可回收利用等优点，并且可以通过共聚、共混、填充增强等方法来克服材料本身耐低温冲击性差、收缩率较大、不耐磨和易老化等的缺陷。将聚丙烯改性后使用，是当前汽车上使用聚丙烯材料的主要方法。改性聚丙烯主要分为两种，一种以弹性体和/或滑石粉为主要添加材料，另一种以纤维为主要增强材料。
用于聚丙烯改性的弹性体主要有乙丙橡胶（EPR）、三元乙丙橡胶（EPDM）和丁苯橡胶（SBS）。就PP/弹性体二元体系来说，加入三元乙丙橡胶时，增韧改性效果最佳并且当前用量最大的，加入20%wt的EPDM使缺口冲击强度提高了160%左右[6]。使用这种材料的厂商包括一汽奥迪、东风雪铁龙、上海桑塔纳、天津夏利和北京切诺基等，主要应用于保险杠面板、仪表板、手套箱、杯托、下格栅和雾灯盖板等。加入EPDM会导致刚性和加工性能的下降，加入滑石粉可起到改善作用，所以PP/EPDM/滑石的三元共混体系也有一定应用[7]。以EPR为主增韧剂的改性聚丙烯，通常会辅以一定量的聚乙烯，并添加一定量的无机填料和添加剂，可用于汽车保险杠和铅酸蓄电池外壳[8]。以SBS为主增韧剂的改性聚丙烯，通常添加滑石粉和碳酸钙、降解剂和内外润滑剂，硅烷偶联剂界面相容剂、抗氧化剂等，可用于经济型轿车的方向盘和仪表盘[8]。对使用弹性体改性聚丙烯的一项最新研究表明，均聚和共聚聚丙烯各占总重的30%，热塑性弹性体占18%，滑石粉占20%，抗氧化剂、偶联剂等助剂2%为汽车内饰件的最佳综合性能配比[9]。
单独以滑石粉作为主要添加材料的改性聚丙烯相对于纯PP综合力学性能有了较大的提升，缺口冲击强度最高可提升109.5%[6]。再增加适当增加高分子界面增容剂和弹性体，可用于空调外壳、出风口、进气格栅，立柱护板，灯具灯体，内后视镜镜壳和门内板等。以弹性体和/或滑石粉为主要添加材料的聚丙烯仍在不断的优化和改进中，丰田公司就开发出汽车仪表盘和保险杠用高取向结晶性的“新一代”聚丙烯配混料，性能与热塑性聚烯烃（TPO）相当，成本低30%。
纤维增强聚丙烯是近年来发展较快的改性聚丙烯，成分通常是玻璃纤维或有机纤维、无机填料（滑石粉、碳酸钙）、弹性体和添加剂。玻璃纤维增强聚丙烯相比无增强聚丙烯，缺口冲击强度最高可提升286.5%，拉伸强度最高可提升175%，弯曲强度最高可提升246%[6]。另外，含有玻璃纤维的聚丙烯具有良好的耐热性和尺寸稳定性。短纤维增强的应用是通过注塑成型制成结构复杂的零件，例如引擎盖开启拉手、外后视镜基板、外门把手。长纤维增强的应用是通过压铸成型，制成底部护板、发动机盖板、净水器滤瓶、汽车挡泥板和冷却风扇叶等。最新的应用报道是雷诺在其Modus汽车上使用长玻纤增强聚丙烯制造后门、水箱和保险杠。另外值得一提的是，我国已经研发出一种电学性能优良、阻燃性能良好的玻纤增强聚丙烯，预定用于汽车分电器盖，为改性聚丙烯应用于汽车电器件奠定了基础[8]。
其他改性聚丙烯的应有还包括：聚丙烯/聚酰胺（PA），可用于制作轮罩护板、挡泥板等零件；PP/聚乙烯（PE），可用于门内饰板[6]。用天然纤维如亚麻、剑麻代替玻璃纤维增强聚丙烯制作车身底板，制件更易于回收，避免工人除因玻纤引起的皮疹和呼吸道疾病[10]。耐磨聚丙烯可取代聚甲醛塑料，应用于齿轮、轴等耐磨制品[11]。另据报道，我国开发出的聚丙烯免喷涂金属光泽产品，具有工艺简单（一次注射成型）、环保（不产生挥发性有机化合物）、成本低，易回收等优点，预计可应用于汽车内外饰件，如仪表盘、门内饰板、保险杠、格栅和防擦条等[12]。
PP改性塑料还应用于车身暖风组件、散热器罩、护风圈、暖风机壳、加油踏板、转向护套及杂物箱等部件。尽管有人认为PP是用于经济型轿车的首先材料，但是随着改性PP的性能的不断提升，特别是玻纤增强PP的发展，将使聚丙烯迎来更加广阔的应用。
2.聚氨酯
聚氨酯具有可发泡、可塑性好、回弹性好、粘结性好、耐磨、耐低温、耐溶剂、抗紫外线、无污染、无毒无害等优点，广泛应用于汽车中，占世界汽车工业塑料用量的20%[13]。聚氨酯材料不像聚丙烯那样具有十分清楚的结构，它通常指含有特定基团的一类聚合物。通过采用不同原料来调节NCO/OH的比例，以制得预定产品，例如聚氨酯泡沫塑料、聚氨酯弹性体、聚氨酯复合材料、胶黏剂和涂料等。
聚氨酯泡沫塑料通常分为软质、半硬质、硬质、自结皮和反应注射成型泡沫塑料等。软质、半硬质和硬质泡沫塑料是由传统工艺生产出的、按照整体韧性程度划分出的。自结皮和反应注射成型泡沫塑料是由较新的工艺生产出的泡沫塑料。软质聚氨酯泡沫塑料韧性好、压缩永久变形小、回弹快，通常由于制造座垫、座椅靠背、头枕、装饰条、足垫、隔音垫、密封垫等。半硬质聚氨酯泡沫塑料抗压能力好、减振性能好，最典型的应用是中高档轿车的仪表盘，还可用于止推垫、柱状物、喇叭盖、扶手、头枕、遮阳板、地板背衬阻尼层。硬质聚氨酯泡沫塑料的隔热性能非常出色，同时又具有密度低、强度高、尺寸稳定好等优点，是豪华客车和冷藏专用车车厢的首选保温材料。另外，还可用作轿车车门内衬及内装板、座椅靠背盖壳、空调风管、油浮子以及发动机隔热罩等。自结皮聚氨酯泡沫塑料采用了一种特殊工艺，使聚氨酯原料一次性形成带坚实表皮的制品，最具有代表性的零部件是方向盘。制品表面坚韧致密、内部是具有高回弹性的内芯，从内到外密度逐渐增大[14]。这种工艺还可用于制造扶手、头枕、喇叭盖、扰流板、变速手柄等零件。反应注射成型制得的泡沫塑料可应用于汽车保险杠、发动机气门室罩和油底壳[11]。传统车用聚氨酯泡沫坐垫大多硬度均一，近年发展趋势是双硬度或多硬度泡沫，使坐垫中部柔软、两侧较硬。两侧坚硬部分提供支撑性能，当汽车高速行驶或转弯时，有助于保持驾驶员和乘客的身体稳定，提高乘坐的舒适性[15]。有报道称德国宝马汽车旗下部分车型已采用双硬度PU泡沫塑料坐垫。
聚氨酯弹性体可分为浇注型聚氨酯弹性体（CPU）、热塑性聚氨酯弹性体（TPU）和微孔弹性体。CPU的承载能力强、抗撕裂强度高、耐磨性能好，通常用于制造减震缓冲块、轴承套、汽车轮胎、钢板弹簧吊耳衬套、门锁、手柄轴密封圈、转向节衬套等[13]。TPU在具有高伸长率和高弹性的同时，还具有较高的模量、强度和耐老化性能，适合于制造减震垫块、钢板弹簧隔垫、弹簧线圈护套、齿轮传动装置单、车窗件、装饰护条、传送皮带、顶蓬等。TPU产品的废料还可以回收再利用[16]。TPU另外一种广泛应用的形式是与其他塑料结合使用，例如玻纤增强TPU/PP复合材料，质轻、可回收，预计可用于支架结构；TPU/聚碳酸酯（PC）塑料合金可改善PC塑料的韧性、缺口敏感性，扩展了PC在汽车上的使用；TPU/尼龙6（PA6）塑料合金能够综合PA6的强度高、耐腐蚀等优点和TPU的高弹性、高韧性等优点，使得该合金成为目前在汽车工业上极具潜力的塑料合金。微孔弹性体与上述两种弹性体相比，更加柔软，尺寸稳定性和耐挠曲性能更为优异，并具有独特的隔音、消振的性能优势，最重要的应用是在高级轿车中替代橡胶材料用作车身底板减震垫。另外还可以制造方向盘、滤清器密封垫、保险杠、止位块、密封条、挡泥板、侧防护条、扰流板、缓冲件、车内转角立柱、行李箱底板及盖、卡车承载地板等[13]。
聚氨酯复合材料通常是指以玻璃纤维、天然纤维或碳纤维为增强体的聚氨酯产品。通常用于制作座椅缓冲层、隔音阻尼密封垫及条、车门内衬、顶衬、保险杠外壳、侧梁外板、侧嵌条、导流板、轮罩拱、长流道等[17]。例如德国宝马某型汽车的仪表盘、方向盘采用了一种长纤维增强PU复合材料；德国赢创开发的高性能硬质PU泡沫和碳纤维PU复合材料面板组成的夹层结构部件，已用于车顶、掀背式后门、引擎盖及车门等车身部件[16]。采用天然微孔木质纤维素制得的PU复合材料具有隔热、隔音的特点，可用于内饰件、衬板、顶棚、隔音垫等。聚氨酯复合材料的制造工艺包括反应注射成型（RIM）、增强反应注射成型（RRIM）和结构型反应注射成型（SRIM）。德国克劳斯玛菲（KraussMaffei）公司采用这三种工艺制成纤维基PU复合材料系列产品，已广泛应用于欧美和我国高档汽车内饰件和外饰件以及空气过滤器、电缆护套和窗户封装等零部件。最新发展出来的制造工艺有拉挤、缠绕、真空灌注和长纤维喷射等，已应用于轿车、卡车和越野车的大型结构件生产[16]。
聚氨酯胶黏剂也是聚氨酯在汽车上的应用之一，可以粘接不饱和聚酯增强模塑（SMC）材料，进行风挡玻璃粘接与密封，以及点火线圈和空调件的灌封等。环保、无溶剂PU结构胶黏剂是目前较为先进的品种，可用于玻纤增强塑料（FRP）和片状模塑复合材料（SMC）与车身构架组装时的粘接。聚氨酯制成的合成革，具有无味、手感柔软、耐磨性好、抗撕裂强度高、成品色牢度好等优点，在汽车中也得到了广泛应用，更成为高档汽车不可缺少的高级内饰环保材料。另外，聚氨酯也可制成涂料，用于涂装或修补内饰件、外装件和车体等[13]。
3.丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物是由丙烯睛、丁二烯、苯乙烯共聚而成，它综合体现了这三种材料的优良性能，具有抗冲击、耐高低温性能好、强度和硬度高、电气性能优良、尺寸稳定性好等性能优点，以及表面光泽性好、易加工、可表面喷镀等工艺优势。ABS及其复合材料在汽车工业中得到了广泛应用，占车用塑料总用量的8%[18]。控制ABS中各种组分的比例可以调节其性能，生产出满足不同需求的产品。因而ABS的分类较为多样，例如按照性能可分为低气味型、消光型、电镀级、耐热型、耐候型、阻燃型，或者基于其工艺性能划分通用型、挤出型、高流动型、注射型、挤出型、吹塑型等。
低气味型ABS是指其中的小分子不易挥发到空气中，可减轻驾驶室内污染，因此主要用于中高档轿车的内饰件，例如内门板、仪表板饰框、手套箱、中控仪表板等面积大，直接暴露在空气中的零部件[10，18]；消光型ABS是对ABS基本材料进行了一定改性，提高表面粗糙度，从而使照射在上面的光线散射，达到消光效果，可用于制造方向盘、中控仪表盘等对光线敏感的部件；耐热型ABS通常用于制造车内空调出风口、散热格栅等耐热部件以及灯壳部件；电镀级ABS和耐候型ABS主要应用于外饰件，例如散热格栅、饰标、牌照板、镜框等[18]。采用注射工艺加工ABS的典型代表是某型奥迪轿车，其门内板的骨架部分由ABS注塑而成，再把衬有PU发泡材料的涤纶表皮以真空成型方法，复合在骨架上形成一体。
将ABS与其他塑料共混，形成合金，是当前最热门的研究领域。PC/ABS合金是其中的一种典型代表，据报道该合金的产量以每年10%的速度增长。它具有冲击韧性好、尺寸稳定性好、耐热性和耐候性好等性能优点，可用于汽车内饰的仪表板面板、副仪表板等阳光照射的地方，以及内外门把手、车轮罩盖、车灯支架、标牌字牌等[4]。早先PC/ABS内饰件需要喷涂哑光漆，以达到耐刮蹭的目的和减少驾驶员视觉疲劳的功能。目前国内已经成功研制出哑光级PC/ABS系列材料，应用于上海大众汽车斯柯达晶锐汽车的方向盘上下盖板以及上汽红岩的依维柯重型卡车仪表板的下部材料，直接外露无需喷漆[10]。当采用注射工艺加工PC/ABS时，还可以生产具有复杂结构的壳体、骨架等。PVC/ABS合金可用来制作内饰嵌条、密封条、仪表板等，例如桑塔纳的车顶嵌条、内水切密封条，捷达的仪表板、车顶嵌条、AB柱总成[18]。PA/ABS合金可用于制造汽车仪表板、排气孔部件风扇的减振器和仪表壳体等，其中PA/ABS哑光材料具有特殊的表面柔和哑光效果，成功应用在雪铁龙、标致多种车型的仪表板周边部件，例如控制面板、仪表盘罩两端侧板等。另有报道称，法国拜耳公司的研究人员使用聚酸胺、ABS聚合物和矿物质填充物制造出一种在频繁撞击、恶劣气候的场合下能够保持尺寸稳定的混合物，适合于制造挡泥板。
4.结束语
随着汽车产业的快速发展，带动了车用塑料的跨越式前进。通过添加物改性、纤维增强、合金化等方法，塑料在汽车上的应用得到了极大的扩展。预计在未来，纤维增强PP、聚氨酯弹性体和ABS合金将会得到更加深入的开发和利用。
参考文献：
[1]肖永清.低碳节能为汽车新材料产业发展插上腾飞的翅膀[J].交通与运输，2011，1：60-61
[2]杨忠敏.绿色环保逐成趋势车用塑料引领未来[J].聚氨酯，2013，2：68-72
[3]罗礼培，陈萌.探析车用聚丙烯及其复合材料的应用[J].聚氨酯，2013，3：74-79
[4]杨忠敏.节能环保的工程塑料给现代汽车增添精彩[J].聚氨酯，2012，10：40-44
[5]李婷.塑料助推汽车轻量化节能减排添精彩[J].聚氨酯，2013，10：70-75
[6]田永，韦俊.车用聚丙烯及其复合材料的性能与应用[J].automobile parts，2012，06：66-70
[7]肖汉文，何昌鑫，路国红.汽车用三元乙丙橡胶改性聚丙烯[J].弹性体，2001，11（4）：49-51.
[8]陶亮.改性聚丙烯材料在汽车上的应用分析[J].汽车工程师，2012，3：58-61
[9]刘仿军，吕恒勇，李亮等.汽车内饰件用聚丙烯材料的研究[J].塑料科技，2013，41（6）：49-52
[10]肖军.车用塑料市场分析[J].上海塑料，2010，149：22-27
[11]肖九梅.节能减排为车用塑料技术拓展新天地[J].聚氨酯，2013，2：44-47
[12]丁超，罗忠富，丁亚正等.车用改性材料应用级新品开发[J].现代零部件，2013，2：38-39
[13]陆刚.车用聚氨酯材料述评[J].化学工业，2012，30（10）：20-24
[14]张文琪.聚氨酯产品在汽车中的应用[J].塑料助剂，2012，1：19-23
[15]韩宝乐，于文杰，徐归德.聚氨酯在现代汽车工业中的应用[J].化学推进剂与高分子材料，2007，5（1）：1-6
[16]贾润萍，黄茂松.中国汽车用聚氨酯材料发展方向[J].化学推进剂与高分子材料，2012，10（1）：23-28
[17]杨卫民，丁玉梅，谢鹏程等译.施陶贝尔[德]，福尔拉特[德]主编.汽车工程用塑料外部应用[M].北京，化学工业出版社，2011：49-50
[18]田永，韦俊.车用ABS材料的性能和应用研究[J].汽车使用技术，2013，06：79-83.