工程塑料在汽车上的应用(上)

工程塑料在汽车上的应用(上)      汽车工业是发达国家工程塑料应用最为广泛、使用量最大的工业门类，也是中国工程塑料最有发展潜力的领域之一。      每辆汽车塑料的用量是衡量汽车生产技术水平的标志之一。日本、美国和德国等发达国家的每辆轿车平均使用塑料已超过100千克，平均占汽车总重量的8%。目前，中国每辆汽车平均塑料用量为70千克，平均占汽车总重量的6%左右。工程塑料在全部汽车用塑料中只占10%左右的比例。     尼龙是最重要的汽车工业用工程塑料。汽车零部件也是PA6工程塑料最大的消费市场，超过总消费量的三分之一。随着人们对汽车性能要求的不断提高和PA6工程塑料自身的发展，汽车用PA6正呈逐年上升的趋势。汽车上可使用PA6（包括改性产品）制作的部件有空气滤清器、外壳、风扇、车轮罩、导流板、车内装饰、储水器材盖、线卡、各种车内电气接插件等。PA6/ABS具有密度低，流动性好的特点，并有良好的噪声阻尼性和良好的耐热性、耐化学性和机械性能，可用於汽车内饰件；玻纤增强PA/ABS可替代ABS做汽车排风格栅，并有可能成为汽车排空气和除霜器护栅及车门组件，以及用於摩托车档板的制作。     现在PA9T也已在日本汽车工业上应用，如动力换向装置（齿轮结构）、滚动轴承架。PA9T耐燃油性强，适用於做汽车燃油系统部件。此外还可用於制造中间冷却器罐、发动机支架和要求低摩擦系数的滑动部件。     改性PPO主要用於制作一些薄壁的复杂硬质结构件，如仪表盘骨架等。GE公司推出的热固性PPO，具有高强、高韧性和良好的电性能，吸湿小，可用做汽车阀罩、燃油箱导电板、变压器和风力发动机叶片等。而PPO/PS合金加工性良好，可用做流体加工部件、汽车机罩下部件和电子接插件。     PC在汽车上也有广泛应用。PC的高透明性使之成为车灯罩的主要生产材料。硅橡胶/PC也可以用做汽车保险槓。而PC的另外一大用途是以合金的形式充当汽车内饰材料。PC/ABS外观好，容易着色，广泛用於汽车内饰件如仪表板等。     PBT加工性能和绝缘性能较好。PBT玻璃化温度低，加工周期短。PC/PBT、PBT/ABS等主要用於汽车内饰件。此外，由於PBT对汽油、发动机油的耐受性好，PBT也用於汽车发动机系统配件材料的生产。     聚甲醛树脂是高度结晶的聚合物，具有类似金属的硬度、强度和刚性，很宽的温度和湿度条件下都具有很好的自润滑性、良好的耐疲劳性、低磨擦系数，因此，聚甲醛主要用於定性要求比较严格的滑动和滚动机械部件上，包括齿轮、凸轮、轴承、槓杆、滑轮、扣链轮和轴衬等，与金属和尼龙相比，聚甲醛具有很低的磨擦系数，是很好的轴承材料。     特种工程塑料在汽车工业中也有应用，如聚醚亚胺（PEI），由於其玻璃化温度可达249℃，可满足汽车反光灯的反光板和软电路板、恒温箱板等产品的要求。     德国BASF公司开发的由聚醚石风UltrasonE制备的发泡塑料Ultratoct也已开始用於BMW公司M3CSL型运动车的後座靠背，这种新的後座靠背重5.5千克，重量仅为以前钢质结构的一半，汽车碰撞时显示同样的性能，而振动阻尼性则优於传统结构制品。     改性塑料对传统工程塑料的冲击     一方面，工程塑料新品不断，在不断开拓应用领域，并由於生产装置的扩大，成本逐渐降低；另一方面，改性技术使通用热塑性树脂不断具有工程化特点，并抢占部分传统工程塑料的应用市场。     ABS是最重要的“准工程塑料”，中国已成为全球ABS用量最大的国家。除此之外改性PP是最为活跃的产品。不断推出的PP增强和高抗冲新牌号，为其在一些领域替代工程塑料提供了可能。到2003年末，全球PP在汽车方面的消量将由目前的140万吨增至260万吨，增长率将达8-9%，其中亚太地区增长最快，估计年增长率达20%。     玻纤和矿物增强PP已用於汽车零配件，并对PC共混物市场构成较大冲击。改性PP也正在进入传统的PA领域，如泵体和风扇叶。目前全球90%的玻纤增强PP用於轿车上，其目标主要是用於发动机罩、仪表板骨架、蓄电池托架、座椅骨架、轿车前端模块、保险槓、行李架、备胎盘、挡泥板、风扇叶片、发动机底盘、车顶棚衬架等。全世界生产玻纤增强PP的厂商主要集中在美国、日本、德国等发达国家。     具有硬度和高抗冲牌号的PS，也在工程方面的应用上获得进展。由於开发改进、兼具抗冲性和高光泽的产品改进了流变行为，因而会使PS需求有上升的趋势。     SPS是由金属催化得到的间规聚苯乙烯，是一种结晶形聚合物，具有优良的耐热性、耐化学品性、良好的机械性能以及卓越的耐湿性、电性能和加工性能。其性质与价格可与多种热塑性工程塑料，如PET、PBT、尼龙66、PPS以及某些液晶聚合物相媲美。SPS无定型玻璃转化温度和结晶熔点均高於尼龙66、PET等，尺寸稳定性良好，加工过程中通常不需要预先乾燥，耐化学品腐蚀，具有良好的耐酸、堿、醇和大多数有机溶剂特性，其耐机动车油、防冻液和柴油性能优良，但耐汽油性一般。此外，其电性能也十分优越，主要的应用领域是汽车和电器零件。     中国的汽车塑料工业任重而道远     上汽汽车工程研究院副总工程师王东川     汽车塑料的用量是衡量一个国家汽车生产技术水平的标志之一。近30多年来，国际上汽车塑料的用量在不断增加。目前，我国对汽车塑料的应用情况还只停留在国外20世纪80年代中期的水平，尽管从加工能力方面来看，国内大多数供应商几乎不存在什么问题，但是在核心技术方面却表现出对引进技术的严重依赖。因此，中国的汽车塑料工业任重而道远！     当前，我国汽车行业正面临着两大发展问题，一是技术发展问题——就是如何适应未来汽车的发展方向和循环经济的要求，选择合适的技术路线，开发新能源汽车，以实现节能、环保、安全、个性化目标；二是自主战略发展问题——就是如何在当前国外品牌产品占据主导地位、国内汽车主要依赖国外技术的现实条件下，培育自主开发能力，逐步实现自主品牌和自主开发战略目标。汽车塑料零部件的开发在这两大发展问题中扮演着一定的角色，也面临着自身的发展机遇与挑战。     1、汽车塑料应用的国际趋势     汽车塑料的用量是衡量一个国家汽车生产技术水平的标志之一。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%，表中数据反映了欧洲汽车对塑料的应用情况。目前，我国每辆轿车塑料用量平均为100kg，占总重量的8%左右，达到国外20世纪80年代中期的水平。     自20世纪70年代开始，汽车塑料的应用经历了从内饰件向外部饰件不断扩展的发展历程。随着人们生活水平的提高，当前的汽车已经不再是简单的代步工具，提高内饰的居室化设计、改善乘员的舒适性已成为汽车技术发展的一个重点。近年来，国外普遍采用纳米高分子材料、抗菌高分子材料等新材料技术来改善汽车的乘坐舒适性。未来几年，塑料车身以及塑料挡风玻璃也将成为塑料应用技术发展的热点。     2、汽车新技术发展为汽车塑料应用带来了新的机遇与挑战     汽车塑料应用技术的发展与汽车新技术的发展密切相关。当前，汽车技术正朝着更环保、更安全、更舒适以及个性化方向发展。伴随着轻量化技术、行人保护安全吸能技术的广泛应用，为工程塑料的应用带来了良好机遇。     1)轻量化技术的发展为车身应用带来了机遇     塑料应用是实现轻量化的重要途径之一。以白车身为例，采用纤维增强复合塑料材料制作的车身与钢制车身相比，可实现降重35%的目标；如果采用碳纤增强复合材料，则可达到降重60%以上的效果。目前，国际上由塑料制成的车身已在小批量生产的汽车中或一些高档车型上得到了广泛应用。随着低压成型车身覆盖件制造技术研发的进一步深入，塑料车身部件将在未来的轻量化和个性化车型中具有广泛的应用前景。     (2)塑料将在碰撞能量吸收技术中发挥作用     随着安全法规的日益严格，目前轿车除了必须满足前碰撞乘员安全保护法规外，还必须满足行人安全保护要求。因此，今后在轿车的前保险杠系统中必须装载前碰撞能量吸收系统，而塑料材料在能量吸收系统中起着关键的作用，例如，可发性聚丙烯泡沫能量吸收块或依靠前碰撞变形吸收能量原理的聚丙烯能量吸收构件等都是较为成功的碰撞能量吸收解决。     (3)塑料应用面临的挑战     尽管汽车塑料应用不断增加，但不可回避的是，汽车塑料应用发展正面临着回收问题的制约和轻金属材料技术发展等方面的挑战。塑料应用虽然具有诸多优点，但相对金属材料而言，一方面，塑料材料成本偏高；另一方面，塑料部件的回收成本偏高，特别是纤维增强热固性复合材料的回收更困难。所有这些因素都成为制约塑料应用发展的障碍。     值得注意的是，近年来高强度钢板、镁合金等新材料应用技术发展迅速，特别是镁合金在轿车仪表板骨架、前端支架、座椅骨架等应用方面已成为塑料材料的竞争对手。因此，塑料材料企业和零部件企业必须加快新技术的开发，通过降低成本、提高材料的回收利用性来迎接挑战，以获得可持续发展。     3、我国汽车塑料零部件加工行业存在的问题     我国的汽车塑料零部件加工行业是随着20世纪80年代轿车合资企业在中国的建立以及国外技术的不断引进而发展起来的，因此国内大多数知名的塑料零部件供应商所走的道路几乎都是“从引进到不断引进“的发展道路。尽管从加工能力方面来看，国内大多数供应商几乎不存在什么问题，但是在核心技术方面却表现出对引进技术的严重依赖。例如，尽管目前国内供应商能够按照国外的技术要求制造各种汽车内饰件以及保险杠系统部件，但由于缺乏保险杠系统的设计开发能力，他们只能加工塑料保险杠外壳，却不能独立开发保险杠防撞能量吸收系统。也就是说，他们还不具有为主机厂(OEM)提供能满足前碰撞、行人保护法规要求的保险杠系统结构设计和材料工艺等多种解决方案。     多年来，汽车塑料零部件行业的总体表现是，一旦主机厂引进了一部国外新车型，零部件供应商也就同步地从国外订购相应的制造装备和工装模具，并完全按照主机厂提供的图纸和技术要求组织生产。其结果是：企业在增加自身成本、丧失自主核心技术的同时还导致了严重的重复引进问题，而且这样的引进也只是停留在“复制制造模式(CopyingManufacture)”的水平上。     4、对汽车塑料零部件开发的一些建议     近年来，面对国际汽车巨头不断加大进入中国市场的竞争压力，提高自主开发能力已成为中国汽车工业实现可持续发展的重要途径。当然，要实现整车的自主开发首先必须实现零部件的自主开发。     塑料在汽车上的每一种应用都包含着要解决结构设计、制造工艺与装备、材料选择与改性等方面的问题。除此之外，还必须解决制品的表面或涂装、联接、试验等问题，所有这些都被称之为应用技术。根据自主开发的需要，要求塑料零部件商、材料供应商和主机厂应联合起来，针对未来新车型开发的需要，开展一些诸如塑料车身覆盖件、塑料挡风玻璃、行人保护系统、轻量化隔音降噪系统等塑料新材料零部件应用技术的研究工作。     根据目前的实际情况，建议国内的相关企业首先应加强低压成型等低成本制造工艺技术与装备的研究，开发出低成本、高柔性的塑料零部件制造工艺。通过降低大型塑料部件所需模具和工艺装备的成本，达到降低塑料件、特别是大型塑料车身覆盖件的成本的目的，以促进塑料车身技术的发展。     另外，还应积极开展塑料回收技术的研究。塑料回收、特别是纤维增强复合材料以及多材料部件的回收，是关系到未来汽车塑料应用能否得到持续发展的问题。根据谁生产、谁回收的原则，建议主机厂和塑料零部件厂共同开展对塑料件回收利用的技术研发，研发工作可根据塑料部件的不同从三方面进行：对可回收的热塑性塑料部件（如保险杠）的回收再利用工艺技术研究；对多材料部件（如汽车仪表板总成和车门护板）的分离技术与再利用技术研究；对热固性纤维增强复合材料的回收技术研究。     面对国际汽车塑料应用技术的快速发展，对于中国的汽车塑料加工工业而言，尽快提高自主开发能力已显得非常迫切。为此，需要塑料材料供应商、塑料零部件生产商以及汽车主机厂共同努力，开创中国汽车塑料技术的新天地。     GE全面推进汽车的塑料化进程     GE塑料     GE高新材料集团公司汽车部推出了种类繁多的高性能的工程热塑性塑料及复合物，以全面推进塑料在车身板材与车窗玻璃、零部件、照明部件、构架和内饰件、引擎盖下的部件中取代钢材和玻璃，从而为汽车OEM厂商们提供多种具有创新性的有助于减轻重量和节约成本的解决方案，同时也为汽车的安全性和环保性提供了很好的解决方案。     车身板材与车窗玻璃     每个汽车生产商都希望借助汽车外观工艺方面的最新技术，从而使自己的汽车更具有独创性。为此，GE高新材料公司汽车部在汽车车身板材、免喷漆和车窗玻璃方面，能够通过其新型的高模数可塑材料和高性能热塑复合材料(HPPC)技术，使汽车的重量更轻，制造成本更低。     在车身板材这一产品中，GE的“免喷漆”方案无需进行二次喷漆的操作，这样有助于节省成本。这种“免喷漆”的方案采用了一种高级LEXANSLX薄膜，能够为车身板材提供A级水平的表面，其极好的光泽度受到了汽车用户的青睐。此外，这种薄膜可以经受长时间紫外线的照射而不褪色，同时它还具有很强的防刮伤能力和化学稳定性，经测试其寿命可以超过10年。     GE的车身板材同样允许客户基于三种传统的喷漆方式而定制个性化的喷漆方案。离线解决方案包括可喷漆的车身板材、预着色注模、XENOY树脂板材。离线和在线的喷漆车身板材也可以用NORYLGTX树脂制造。     在车窗玻璃这一产品中，GE的环绕式车窗玻璃将设计水平提高至一个新的层次，可使司机和乘客获得360的视野，另外它还具有出色的抗冲击性能。这种大型三维玻璃车窗的设计是基于高性能的LEXANGLX树脂和Exatec的独特涂层技术的完美结合。LEXANGLX树脂玻璃能够生成全景车顶系统中具有复杂形状的一体化部件，而这是普通玻璃材料所无法提供的特性。此外，GE的这种设计可以使多个部件与车窗系统更方便地整合在一起，从而节约成本。如：后尾门和车窗系统就包含了与聚碳酸酯材料结合在一起的注塑紧固元件、后刹车灯、把手和锁以及转向柱覆层等部件。与一般玻璃和金属的车窗系统相比，LEXAN树脂车窗玻璃系统可以减轻高达50%的车身重量，同时可帮助降低汽车的重心，从而保持更好的稳定性。     采用GE的环绕式车窗玻璃设计，可使司机和乘客获得360度的视野采用LEXANGLX树脂制造的后尾门和玻璃窗系统可使多个部件更方便地整合在一起。     零部件     GE高新材料公司为整部车由内至外的零部件应用提供了一批又一批种类繁多的高性能的工程热塑性塑料及复合物。例如，GELOYXTW树脂是一种革命性的材料，能提供比传统丙烯酸—苯乙烯—丙烯腈材料高3~5倍的色泽和光泽的保持度，并且可呈现光谱中的各种颜色，使之成为“免喷漆”材料。该树脂的应用包括反光镜外壳、缝饰、内饰和栅格。由于它使用了新型的具有抗老化性的聚合体结构单元，从而大大增强了其作为外饰产品的耐侯性。尽管预着色注模没有使用油漆和坚硬的涂层，但是汽车制造商们同样可以实现更深更暗的黑色和更亮更纯的白色，以及被汽车用户赞赏的优异景深。同时，GELOYXTW树脂还是一种可以替代金属的“免喷漆”材料，因为不需要二次喷漆操作，使用它可以降低总体的系统成本。     Visualfx特效树脂用在汽车的内外部件上，同样也可以实现“免喷漆”。。Visualfx树脂能够实现多种视觉效果（例如：发光、漫反射及其他效果），使用它能够生产出流光溢彩的汽车外部部件。因为无需进行花销甚大的二次喷漆及涂层操作，Visualfx树脂能够帮助设计师打破色彩设计上的局限。     该图为用GE的GeloyFXW751SK或Visualfx树脂制造的福特汽车的换档旋钮。与涂漆的部件相比，它可以长久地保持美观效果，不会像涂漆部件会随着时间的推移而褪色和掉色。     GE新型的Noryl*BN9003G树脂可以帮助汽车厂商生产吹塑扰流器——如图示的PontiacGrandPrix扰流器。由于其减少了打磨时间，提升了生产效率，因而降低了系统成本。与传统材料如高温丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)相比，用这一新材料注塑的部件壁更薄、耐高温性更好、抗张力和冲击力更强，并且热膨胀系数更佳。此外，这一新材料的气味较淡，而且扰流器表面的抗汽油和柴油的耐化学腐蚀能力更强。     此外，GE推出的用于汽车零部件的新型材料还包括用于踏脚板和脚蹬的XenoyX4000BM树脂；用于外门和内门把手、踏脚板、轮毂罩、栅格、顶架和饰件的CycoloyCP8930树脂；以及用于油箱盖的、导电的、可以在线静电喷涂的NorylGTX树脂。     照明部件     采用GE高新材料公司的树脂所生产的汽车照明系统具有坚固、美观的特性，并且能够耐受聚光灯和雾灯的高热环境。全球数以百万计的汽车上都安装着用LEXAN树脂生产的具有高度抗撞击能力和高清晰度的前灯玻璃和表盘玻璃。如今，LEXAN4401R树脂代表着GE高新材料公司在树脂的流动性和耐热性的平衡技术上所取得的成功，这种材料非常适合制造既需要直接用金属法电镀（要求耐热性好），又要求具有高表层质量（要求流动性好）的表盘玻璃，同时它拥有更快的生产周期和更高的生产率。     ULTEMXH6050树脂同样可以提供高模量和优异的耐热性能，它可以耐225℃的高温。该树脂具备极好的空间维度稳定性、强度和耐久性，并且可以通过标准设备实现100%的回收利用。     构架和内饰件     GE高新材料公司汽车部在汽车构架和内饰件方面的经验非常丰富，其产品包括新型仪表板、车顶篷以及符号合“美国联邦机动车辆安全标准(FederalMotorVehicleSafetyStandard)”及全球“行人冲撞保护要求”的能量吸收系统。其集成的前端模块(Front-endModules)推动了汽车轻型全塑前端模块的发展，同时也推动了诸如HydroPlast?架构的高级钢材/塑料系统和用于集成安全气囊设计的材料的发展。     随着GE的“新型仪表板”地推进，该公司推出了一个既美观又安全的解决方案，该方案包含一个用LEXANEXL树脂制造的无缝集成的安全气囊门的仪表板系统。这种革新的设计可以使气囊门与仪表板无缝结合在一起，不但美观，而且有助于释放出坚固的气囊，即使在-40℃的温度下释放气囊时也不会破裂，从而提高了气囊的安全系数。     HydroPlast?构架方案是一套金属/塑料的混合方案，这个方案结合了钢材的强度以及塑料的质轻这两个优点，而且这种构架可以在一个单一的、低成本的成型过程中完成。因为该方案有着可观的节省成本的前景，GE高新材料公司将这个创新技术集中运用于汽车的大型首尾构架的开发，以帮助减轻车重、降低成本，同时减少体积，并简化零件的整合过程。HydroPlast?构架和SmartLok?的连接允许高压力铸成的钢件与工程热塑性构架一次注模成型。     引擎盖下的部件     GE高新材料公司可提供多种耐高热环境和能够适应苛刻的化学环境的工程树脂和复合物，其产品在引擎盖下的应用范围非常广泛，涉及到从空气进气系统到引擎盖下的各种应用。这些塑料部件能够降低成本、减轻重量、提高集成度，以及具有可与金属媲美的高空间维度稳定性。例如，由GE的高耐热ULTEM树脂制成的电子节气门可以降低系统成本，并减少30%的组成部件，而且与传统金属材料相比，它能够免除二次加工工序，并减轻多达50%的重量。     GE新型的柔性Noryl树脂用于制造汽车引擎盖下的电线电缆     GE在引擎盖下应用的最新材料是基于阻燃的柔性Noryl树脂的电线材料，该树脂可以帮助OEM厂商替代目前使用的传统卤化电线材料。作为汽车行业创新的电线电缆材料的解决方案，柔性Noryl树脂要比聚氯乙烯(PVC)和交联聚乙烯(XLPE)的性能更为优越，它可以通过显著减轻电线电缆的重量和尺寸来满足节省能源和空间的需求，同时还满足了汽车行业对不含卤素和铅零部件的需求。