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干貨 | 聚丙烯(PP)材料在汽車零部件上的應用與展望

發布日期:2020-09-11 15:37:47 來源:找塑料 分享到:

新材料研習社報道,隨著汽車工業的快速發展,輕量、舒適、綠色、環保成為汽車工業發展的主要方向。汽車輕量化技術能夠減輕車身重量、降低油耗,是實現節能減排的重要措施之一。目前,汽車零部件更多地采用塑料材料替代笨重、昂貴的金屬構件,“以塑代鋼”成為解決汽車工業發展要求的最佳方案,汽車塑料化程度已經成為衡量汽車設計和制造水平的重要標志。


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在當前的車用塑料中,聚丙烯是用量最大、使用頻次最高、增長速度最快的品種。聚丙烯在汽車工業中用量迅速增長是因為其密度小、體積輕、設計空間廣,綠色環保、性能優異及其制造成本低


聚丙烯在汽車外裝飾件的應用特點是以塑代鋼,減輕汽車自重。聚丙烯是一種由丙烯聚合(均聚PP)或丙烯和乙烯共同聚合(共聚PP)而成的無臭、無毒、半透明的聚合物,其結構式如圖1所示。


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聚丙烯按甲基(-CH3)空間排布的位置可分為等規聚丙烯(Isotactic polypropylene)、無規聚丙烯(Atactic polypropylene)和間規聚丙烯(Syndiotactic polypropylene)三種。聚丙烯具有優良的柔韌性、耐化學腐蝕性、耐熱性、介電性能,以及高強度的機械性能和高頻絕緣性,且不受濕度的影響,聚丙烯的種類及性能如圖2所示。


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目前,為了進一步改善聚丙烯的性能,通常采用化學改性(共聚改性、交聯改性、接枝改性、添加成核劑等)或物理改性(添加有機或無機助劑等)改變高分子組分與大分子結構、晶體構型或填充、共混、增強等來實現性能優化。改性聚丙烯根據特點和功能可分為長玻纖增強聚丙烯材料、免噴涂聚丙烯材料、聚丙烯微發泡材料、高溶體強度聚丙烯、環保阻燃聚丙烯材料、抗菌聚丙烯、耐刮擦聚丙烯材料,及低氣味、低VOC聚丙烯材料等。



01

聚丙烯的車用優勢


性能優勢

聚丙烯在強度、剛度、硬度、耐熱性上均優于聚乙烯;能夠在100℃的溫度下正常使用,具有良好的尺寸穩定性、熱穩定性、較好的力學性能、較高的耐沖擊性、機械性質強韌,化學穩定性良好且不受濕度影響。聚丙烯外觀透明而輕,密度為0.89~0.91 g/cm3,是目前塑料中最輕的品種之一。


因此,采用聚丙烯替代傳統的金屬材料可以進一步實現重量的降低。另外,由于近年聚丙烯改性技術的發展使聚丙烯在汽車工業的發展占據絕對優勢。


環保優勢

聚丙烯為無毒、無味、無臭的乳白色透明高結晶聚合物,屬于環保材質。聚丙烯不僅可回收再利用,而且在聚丙烯主鏈上含有叔碳原子,在高溫和氧化作用下能夠產生分子鏈分解反應,使聚丙烯具有降解特性,大大地降低了白色污染帶來的環境問題。


成本優勢

聚丙烯的生產原料來源路徑多樣,主要有油、煤、甲醇、丙烯等。煤制聚丙烯是 目前聚丙烯中增長最快的一種原料來源方式,如圖3所示。

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由于我國煤炭資源豐富,且煤炭的價格較為穩定,煤制備聚丙烯成本浮動小。同時,聚丙烯容易加工成型,生產工藝簡單,其生產成本遠遠低于現有的其他塑料材料。



02

車用聚丙烯的改性研究


聚丙烯是汽車領域應用的核心基材,但由于聚丙烯的性能缺陷,包括收縮率大、容易產生翹曲變形、低溫易脆斷等,決定其必須通過改性才能滿足車用部件的特殊需求。聚丙烯的改性原理是基于車用零件的具體要求,優化基體樹脂的結構和組成,采用化學或物理方法來進行改性。


長玻纖增強聚丙烯

長玻纖增強聚丙烯是采用長度為 10~25 mm的玻璃纖維與基體樹脂進行復合而形成的改性聚丙烯復合材料,與普通聚丙烯材料相比,通過玻璃纖維增強的聚丙烯的機械性能能夠得到成倍甚至數倍的提高,能夠與ABS塑料的相關產品相媲美。
長玻纖增強聚丙烯具有更好的耐熱性能,且成本遠低于ABS塑料;另外,長玻纖增強聚丙烯的高溫耐疲勞強度甚至比以耐熱性著稱的玻纖增強尼龍高出10%,同時兼具更優異的抗翹曲特性。普通聚丙烯與長玻纖增強聚丙烯的性能對比如表1所示。


發泡改性聚丙烯

發泡改性聚丙烯是以聚丙烯材料為基體,通過物理或者化學的方式使塑料中間層密布尺寸十到幾十微米的封閉微孔結構。

發泡改性技術突破了傳統聚丙烯的諸多局限,可以減輕制品的質量和成型周期;同時使制品具有內應力、翹曲小的特性,在注塑成型中更平整、筆直和穩定;另一方面,由于微孔的支撐作用,使材料的抗沖擊性能和抗壓吸能性能更優異,在受到多次連續撞擊和撓曲變形后能夠很快恢復原始形狀。


低氣味、低VOC聚丙烯

低氣味、低 VOC 聚丙烯材料的研究是車用塑料發展的一個重要方向,尤其針對處于相對封閉空間的汽車內飾用聚丙烯材料,對聚丙烯提出了綠色、環保的要求。低氣味、低 VOC 聚丙烯是通過在填料、加工助劑的選擇、成型及后處理工藝等各個環節上來優化以減少小分子的產生,從而控制氣味的產生。


免噴涂聚丙烯

免噴涂聚丙烯是在聚丙烯基體中通過熔融共混的方式加入具有不同顯示效果的金屬粉、陶瓷粉、高光色粉等,使其能夠自帶特殊的色彩,具備高光澤的特性,免噴涂聚丙烯能夠應用于汽車的外飾件。



03

聚丙烯材料在汽車領域的應用


保險杠(bumper)

保險杠作為汽車的重要組成部分,承擔著吸收和緩和外界沖擊力的作用,保障駕駛員的自身安全。在進行保險杠加工時,常選取聚丙烯或改性聚丙烯材料作為保險杠的材質,如圖4所示。


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聚丙烯保險杠的成型工藝普遍采用注塑和吹塑,注塑成型生產效率較高,能賦予保險杠剛性;吹塑成型使制品具有剛性和彎曲強度的同時,外觀質量也能得到大幅改善。


聚丙烯作為質輕材料,用于制作保險杠能在一定程度上減輕汽車的自重,而且聚丙烯的抗彎曲性能、耐腐蝕性能對延長保險杠的使用壽命起到無可替代的作用;同時,聚丙烯具有黏彈性,吸收沖擊能量大,可以應對不同程度外力的作用,增強汽車的安全系數。


Kim G H等探索了玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的應變速率力學性能及其對汽車保險杠梁結構性能的影響。通過采用有限元仿真分析軟件LS-DYNA對玻璃纖維增強聚丙烯復合材料進行了沖擊仿真實驗,驗證了可以通過使用應變速率精確預測玻璃纖維增強聚丙烯復合材料保險杠的沖擊響應。


Ramaswamy K等研究了來自全球三家不同供應商的聚丙烯微發泡材料的機械性能的差異,通過實驗模擬了聚丙烯微發泡材料保險桿模型在各種載荷條件下的性能變化,了解了各供應商之間聚丙烯微發泡材料性能之間的差異對應用于低速保險杠的影響。


GovindarajK等選擇滑石粉作為無機礦物填料,用來制備滑改性聚丙烯共聚物(PPCP),將PPCP材料用于薄壁前保險杠集成式格柵構件,驗證了設計結構的耐久性,并對產品的關鍵技術指標進行了驗證,該設計完全符合規格要求。基于PPCP材料的薄壁前保險杠集成式格柵部件減輕了車身400g的重量,從而有效實現低排放和低成本。



擋泥板(fender)

汽車擋泥板的主要作用是防止在行車過程中泥土濺到車身、拉桿、球頭上。當泥土飛濺到擋泥板上時,則容易引起生銹,并且在外力沖擊時擋泥板容易被破壞。采用聚丙烯或改性聚丙烯材料用于擋泥板,由于聚丙烯柔軟、耐沖擊、耐腐蝕的特點,擋泥板用聚丙烯材料可以有效防止生銹,保持擋泥板的美麗外觀。另外,外力沖擊時容易引起變形,不容易直接毀壞部件,如圖5所示。


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聚丙烯擋泥板的成型工藝與擋泥板的結構和尺寸有很大關系。從工藝角度看,目前國內外汽車擋泥板的成型工藝主要包括沖壓、折彎、焊接、注塑、滾塑等


Shunichiro I的發明提出了一種聚丙烯類樹脂組合物,其中聚丙烯的含量為75~97%。本發明的聚丙烯類樹脂組合物的模制品在汽車工業,尤其是在汽車零部件,諸如擋泥板、門板、車頂等部件上具有很好的適用性。


Inal M等提到低流動聚丙烯均聚物(LPPH)是一種廣泛應用于汽車的熱塑型塑料,由于其高的抗沖擊性能,在汽車工業上常用作其緩沖作用的擋泥板原材料。



儀表板(instrument board)

儀表板作為汽車設計的重要環節,是一個集裝飾性、功能性、舒適性、安全性為一體的核心部件。作為汽車的內飾構件,儀表板直接面對駕乘人員,對駕乘人員的安全起著重要作用。


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由于聚丙烯優良的剛性和出色的韌性,通過擠出和注塑成型制作的聚丙烯儀表板,既可以保證儀表板在使用過程中不出現變形,又可以增加氣囊有限爆破的難度,保證駕乘人員的安全,如圖6所示。


Yang B等的發明公開了聚丙烯組合物的制備方法,將該聚丙烯組合物制成薄膜或片材,可以應用于汽車的內飾零部件,如儀表板、輔助儀表板等。聚丙烯薄膜或片材可以與儀表板的氣囊門區域結合在一起,提高儀表板與氣囊之間的焊接力,提高用于儀表板氣囊門的沖擊阻力,防止安全氣囊門的破裂。


Noh J G等發明了一種用于汽車內飾構件的聚丙烯樹脂組合物,其具有優異的涂料黏合性,無須底漆處理就可以直接涂漆在汽車內飾構件的表面,如儀表板表面等,并且具有極好的抗沖擊破壞性、優異的剛性和較低的重量,可以有效降低汽車內飾構件的重量。



風扇葉片(fanblade)

汽車發動機的冷卻風扇葉片是保證汽車發動機使用壽命的關鍵構件。風扇葉片的質量直接影響發動機的冷卻效果和工作噪音的大小。聚丙烯風扇葉片具有重量輕、噪音低、壽命長等優點,并且葉片形狀可以通過注塑成型制成各種有利于空氣流動的飛機機翼形。因此,聚丙烯塑料成為汽車發動機風扇壓片的首選塑料材料,如圖7所示。


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Yan X等通過采用注射成型工藝制備了玻璃纖維和玄武巖纖維增強的聚丙烯雜化復合材料。由于玻璃纖維、玄武巖纖維增強的聚丙烯復合材料在汽車工業中有的應用備受歡迎,在汽車發動機風扇葉片上的應用則是最為典型的代表。



其他應用(other)

聚丙烯及其改性聚丙烯材料除了在汽車保險杠、擋泥板、儀表板及風扇葉片上的應用外,在汽車上的應用還包括前端模塊、換擋器座底、底護板、天窗排水槽、發動機罩蓋、排檔盒底座、后視鏡支架、車門內板、座椅護板、門護板、柱護板、包裹架護板、后護板、油箱、散熱器水室、油門踏板、卡車保險桿支架等。



04

聚丙烯材料在汽車領域亟待解決的技術難題和發展方向


聚丙烯通過增韌、填充、增強、共混等改性方法可得到性能各不相同的材料,在汽車外裝飾件、內裝飾件、功能與結構件上得到了廣泛的應用。目前,市場上新能源汽車的保有量不斷上升,前景十分廣闊。


面對“國六”即將全面到來,隨著汽車制造水平及消費者對汽車安全性、舒適性及審美的要求,對聚丙烯材料的性能提出了更多、更高的要求,低密度、薄壁化、微發泡、高強度、低氣味是目前車用聚丙烯材料亟待解決的技術難題和未來主要的發展方向



05

結語


汽車塑料的用量是衡量一個國家汽車生產技術水平的關鍵指標。聚丙烯材料憑借其高性價比和優越的性能,在車用塑料中扮演著不可替代的角色。越來越多的汽車零部件采用聚丙烯材料替代金屬制件,以促進汽車工業的減重節能,提高汽車的美觀舒適度。本文闡述了聚丙烯及其改性材料在汽車領域的應用研究現狀,以及未來在汽車領域的發展方向。



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