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工藝應用
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在汽車領域里的應用

汽車工業用材料的未來發展方向

“十二五”期間,我國汽車工業超高速發展,產銷量躍居世界第一。來自中國汽車工業協會統計顯示,2010年我國生產汽車1826.7萬輛,比2005年增長22%,銷售汽車1806.9萬輛,比2005年增長213.7%。按照汽車“十二五”規劃,到2015年將形成2500萬輛產能。從目前各企業已透露出的產能規模到2015年,我國汽車實際產能將達到5300萬輛。

我國汽車工業未來發展將由追求產能產量和規模,將逐漸轉變為更加注重質量和水平。輕量化、綠色環保、舒適安全,將成為我國汽車用材料未來發展的三大主題。

據有關資料統計,目前我國一輛轎車,PU平均用量為15~20 kg。2010年我國汽車工業PU消費量30萬t左右。PU材料在轎車上應用,是衡量轎車質量一個重要標志之一。歐美高檔轎車,PU用量25~30 kg。

2009年我國PU產品消費量達550萬t,2010年消費量達640萬t。2009年消費MDI 100萬t,TDI 143萬t,聚醚多元醇135萬t,我國PU產業快速發展。為我國汽車工業高速發展創造了必要條件。

汽車工業用的PU材料制品,主要包括軟質、硬質、半硬質、泡沫塑料、PU彈性體(含CPU、TPU微孔彈性體)、膠粘劑、密封劑和涂料等(見表1)。

2.PU是實現汽車材料輕量化的關鍵材料

PU泡沫在汽車內飾件上的應用:2010年我國汽車內飾件PU軟泡用量為15.2萬t,PU硬泡用量為6.7萬t。主要用于汽車儀表盤、座墊、靠背、頭枕、車門、扶手、方向盤總成、汽車頂棚、門內板和密封件等部位。降低PU泡沫密度是實現汽車內飾件輕量化的一條重要技術途徑。目前國內主要采取的技術途徑:采用高固含量、低粘度POP(接枝聚醚)和高官能度、高活性聚醚等技術途徑。

RIM(反應注射成型)、RRIM(增強反應注射成型)和SRIM(結構型反應注射成型)PU制品在汽車實現輕量化上的應用:RIM、RRIM和SRIM在歐美

表1 汽車聚氨酯制品一覽表



汽車工業上已得到廣泛應用,主要用于保險杠、方向盤、車身壁板、發動機罩、行李箱蓋、散熱器格柵、檔泥板、擾流板等。RRIM制品的重量只有鋼的一半,是實現汽車輕量化的一個重要途徑。目前國內汽車工業RIM等技術,與歐美相比在用量和質量上尚存在一定差距,有待進一步加強開發。

PU材料是汽車實現塑料化的最有發展前途的重要材料。目前世界汽車(主要是轎車和新能源汽車)的發展方向是輕量化。輕量化是提高燃油燃燒效率和降低汽車尾氣排放,也是實現汽車節能減排的重要技術措施。而汽車材料的塑料化,以塑代鋼,是汽車輕量化的發展必然趨勢和重要技術途徑。不同材料的汽車零部件,耗能不同。

以生產重量相同(450克)的零部件為例,采用塑料件所耗能源折合汽油3.9~4.5 kg,若采用鋁或鋼,所耗能源折合汽油5.3~6.8 kg。統計顯示,汽車自重每減輕10%,燃油消耗可降低6%~8%。

目前技術發達國家轎車平均塑料用量120 kg/輛,德國轎車平均塑料用量300 kg。我國轎車平均塑料用量80~100 kg/輛,奧迪A2型汽車用量為220 kg。到2020年,技術發達國家轎車平均塑料用量將達到500 kg/輛以上。BASF制造了全PU車身跑車,其最高時速可達270 km。采用了RRIM技術,該PU車身是一種碳纖維增強微孔PU彈性體復合材料。

3.TPU及其復合材料是汽車實現塑料化的重要原料之一

目前在轎車中應用的塑料件材料主要是PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PU和PA(尼龍)四種材料。汽車塑料件的發展方向是不斷推出性價比優良、并可回收再生的材料。而熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)材料可發揮其獨特的優勢。TPU已被用于汽車車體的多種構件,包括TPU塑料合金,如TPU與PP、PVC、PA等塑料構成性價比優良的復合材料,可在汽車工業中發揮重大作用。TPU橡膠復合材料:TPU與多種橡膠構成的復合材料在汽車工業中具有重要用途。

(1)TPU/PP(聚丙烯)塑料合金

目前國內外正在開發針對汽車TPU-PP玻纖(包括長纖和短纖)的增強橡塑復合結構材料,此種材料具有質輕、性價比優良、可回收等優點,可望能廣泛用于汽車內外飾件,如保險杠及其支架,車上各種支架和結構框架等,一旦開發成功,則TPU在汽車上的應用將大幅增大。

(2)TPU/PC(聚碳酸酯)塑料合金

TPU/PC共混合金可改善PC的韌性、應力開裂性、斷口敏感性、耐溶劑、耐化學品性,同時可降低PC的成型加工溫度,在汽車工業擴大了其應用范圍。

(3)TPU/PVC塑料合金

TPU/PVC合金可明顯提高PVC伸長率(可替代有毒的DOP增塑劑)擴大了PVC應用領域。近來報導反應性共混技術制備TPU/PVC合金。首先將PVC溶解在TPU的原料二元醇中,隨后加入異氰酸酯進行原位聚合,形成TPU/PVC合金,性能優于一般的TPU/PVC共混合金,在汽車領域,擴大了應用范圍。

(4)TPU/PA6(尼龍6)塑料合金

尼龍6是尼龍中性價比最優、用途最廣的工程塑料。PA6具有強度高、耐腐蝕、耐油和自潤滑性優良等特點,但存在沖擊韌性不高、吸濕性較大缺點。因而限制了其應用領域。TPU彈性體具有高強度、高彈性、高耐磨性等特點,但存在耐溫性不高的缺點。開發TPU/PA6工程塑料綜合了上述兩種材料的優點,克服其缺點,將是一種新型高性能復合材料。在汽車工業具有廣泛的應用價值。

TPU塑料合金和TPU橡膠復合材料均具有可回收再利用優點,目前我國已有5000多萬輛廢舊車輛,每年將有1000萬輛舊車需進行改造和作廢。歐美先進國家對汽車工業用塑料件明確提出了可回收率指標和可利用率,要求汽車塑料可回收率達到95%以上、可利用率達到90%以上。我國發改委、科技部、環保局聯合制定了汽車部件回收利用技術政策“到2017年我國汽車可回收率要求達到95%以上、可利用率達到85%”。TPU是一種可回收的熱塑性彈性體,但是目前TPU在我國汽車工業上的年消費量只有3萬t左右,TPU塑料合金等復合材料無疑給新型TPU彈性體材料在汽車上的應用提供了新的巨大市場機遇。

4.PU綠色環保材料是汽車用材料發展必然趨勢

(一)開發低VOC PU泡沫塑料

汽車車內VOC(有機揮發物)含量已成為消費者對其產品認知度的重要評價指標;

車內PU泡沫材料、PU膠粘劑、PU涂料、PU合成革等中VOC揮發物是影響車內空氣質量的主要因素;

研究和控制PU材料中有害性氣體和揮發性問題以及有效防范措施對車內環境改善,對我國汽車工業發展均具有重大意義;

汽車內飾件用PU泡沫塑料VOC主要來源:聚醚多元醇(主要是POP)、催化劑、勻泡劑(穩定劑)、異氰酸酯中揮發性有機物包括芳香族化合物(甲苯、苯乙烯)和有機胺類化合物等;

開發高固、低揮發性POP、有機胺反應性催化劑、低揮發性勻泡劑等。

(二)積極開發生物質植物油基多元醇綠色技術

植物油是可再生資源,利用如大豆油、蓖麻油、棕櫚油等植物油為原料,可開發相應的植物油多元醇,以替代石化路線的聚醚多元醇。生物基PU泡沫循環利用率、有機物揮發以及CO2排放量均優于石油基PU泡沫,是一種綠色環保原料。美國重點開發大豆油基植物油多元醇,美國福特汽車公司已成功地開發成了大豆油基PU泡沫,用于汽車座墊和座椅靠背。馬來西亞利用當地資源,開發出一系列棕櫚油多元醇,廣泛應用于PU硬泡領域。日本豐田汽車公司已成功開發了蓖麻油基PU泡沫塑料座墊。

(三) 積極開發PU汽車綠色輪胎技術

目前全球汽車輪胎絕大部分采用橡膠輪胎。此種汽車輪胎在城市行駛時,由于與地面摩擦產生大量有害物質顆粒散發于空氣中,是造成城市空氣環境質量差的重要污染源。PU輪胎具有極為優異的耐磨性(是天然橡膠的3~5倍,實際應用高達10倍左右),不含炭黑和石蠟烴類有害物質,用于城市交通、必將極大改善城市空氣質量。PU輪胎比橡膠輪胎還具有加工能耗低、節能減排和使用壽命長等優勢。橡膠輪胎的重要原料是天然橡膠(NR),我國輪胎工業每年需NR 490~600萬t,占全球產量50%,而自給率只有13%~16%,大量需進口NR,目前NR價位已高達4萬元/t以上。因此積極開發PU輪胎已勢在必行,已列入中國PU工業協會“十二五”期間重點開發對象。

(四)車用水性PU膠粘劑發展前景廣闊

隨著環保法規的健全以及環保意識的不斷增強,溶劑型車用膠黏劑將會逐漸被環保型膠粘劑,如水基膠黏劑所取代。尤其是水基汽車內飾膠的推廣應用已勢在必行。水基內飾膠主要用于粘合汽車頂棚、地板、地毯、儀表板、門板等內飾件。目前,日本汽車內飾膠全部達到水性化,美國為60%,我國僅為20%。在水性汽車內飾膠中,PU膠為主要品種。我國水性PU內飾膠技術已日趨成熟,應積極推廣在汽車領域中應用。

此外,隨著汽車輕量化,塑料件用量不斷增加,環保型無溶劑PU結構膠黏劑在汽車領域中應用發展前景廣闊,如玻纖增強塑料(FRP)和片狀模塑復合材料(SMC)目前在歐美、日本已被廣泛用于汽車車身面板、頂棚、座艙頂蓋等。FRP和SMC不能使用傳統焊接技術,與車身構架組裝,必須采用粘結技術。無溶劑PU膠黏劑是其中重要品種。

(五)車用水性PU涂料發展前景光明

水性PU柔感涂料是一種低VOC涂料,比傳統溶劑型涂料VOC揮發物低10倍以上。隨著汽車輕量化,塑料件應用不斷擴大,環境友好型綠色水性PU柔性材料是未來汽車塑料件涂料發展方向。

(六)PU合成革在汽車內飾上應用前景廣闊

PU合成革與真皮相比,具有無味、手感柔軟、耐磨性好、抗撕裂強度高、成品色牢度好等優點,并克服了真皮資源日趨緊張、環境污染嚴重的問題,符合汽車內飾件綠色環保要求。尤其是PU超纖仿鹿皮絨具有外觀豪華、質感柔軟、優雅光澤和耐用性好等優點,使汽車內飾件有了居室感覺,已得到汽車生產商的青睞,成為高檔汽車不可缺少的高級內飾環保材料。

5.PU材料舒適安全是其重要發展方向

(一)提高汽車舒適性是PU汽車內飾件重要發展方向

汽車上座墊、靠背、頭枕是聚氨酯泡沫塑料在汽車上用量很大的部位, 也是人們乘坐舒適性最敏感的地方, 因而對產品的性能要求也很嚴格。目前, 國內汽車用的聚氨酯泡沫座墊大多為均一密度的冷熟化產品。近幾年發展起來的新型汽車座墊采用的是雙硬度或多硬度泡沫,這種雙硬度座墊的生產既可以采用聚醚多元醇和異氰酸酯經由雙頭或多頭混合頭注入模具來實現,也可以采用全MDI冷模塑工藝,通過改變異氰酸酯指數來準確控制座墊不同部位的硬度— — 座墊中部柔軟、兩側較硬。軟泡沫給人以舒適感,兩側堅硬部分提供支撐性能,當汽車高速行駛或轉彎時,有助于保持駕駛員和乘客的身體穩定,提高乘坐的安全性。武漢興橋高分子科技有限公司已采用多組分混合技術生產出雙硬度和多硬度泡沫,技術水平在國內居于領先地位。

(二)微孔PU 用作汽車底板減振墊

微孔聚氨酯泡沫塑料有望在大多數車體中替代橡膠材料用作車身底板減震墊。北美汽車制造廠正在努力使汽車更加安靜和舒適。減震墊安裝在車的底盤上,用于隔離車體與框架,以改善乘車及駕駛質量。微孔聚氨酯是獨特的隔音、消振(NVH)的革新材料。

微孔聚氨酯作為橡膠車體裝配的替代品,具有競爭性的價格,能有效地改善減震性能、延長材料性能保持時間、減輕質量,并且改善了組裝工藝。使用微孔聚氨酯的另一個優點是,通過改變材料密度,可方便地使車身底盤防震膠墊最佳化,而不是像傳統工藝那樣必須通過改變材料生產配方或產品幾何形狀來調整。后者需制作原型,成本高且費時。

(三)微孔PU彈性體輔助彈簧減震器

轎車的前、后獨立懸掛減振器用輔助彈簧,由圓柱狀塔形微孔聚氨酯彈性體(微發泡型)制成,采用此種彈簧系統對提高車輛性能有特別明顯的效果。彈簧的拉伸強度~20 N/mm 、伸長率>300%、撕裂強度>8N/mm。彈簧壓縮應力上升很少,直到形變達到35%左右時應力才明顯上升,此時形變則迅速增加接近最大值,滿足了汽車形式平穩性和乘坐舒適性的要求,大大提高了減振器的使用壽命。有的車輛采用空氣彈簧與微孔聚氨酯彈性體彈簧配合使用,以縮小設計體積、提高車輛的行駛穩定性。車用微孔聚氨酯彈性體按其所用二異氰酸酯的類型有NDI型和MDI型兩種,其主要區別在于它們的動態性能和靜態性能。目前超過90%的高級豪華轎車都采用微孔聚氨酯減振緩沖塊,與橡膠減振緩沖塊相比,它具有非常高的可壓縮性、變形能力和優良的力學性能以及突出的耐動態疲勞性。

(四)PU保險杠

保險杠安裝于車前、車后,碰撞時起到緩沖、減少損傷的作用,所用材料要求既具有剛性又具有彈性。近年來,開始出現采用微孔聚氨酯彈性體制作的新型懸架結構保險杠,由于微孔彈性體硬度低、壓縮率高,通過變形能夠吸收80%的沖擊能量,其余的沖擊能量可轉移到底架上,這種保險杠具有質輕、安全、平穩、消音的功效。由于使用聚氨酯材料制造價格較貴,因此,在歐、美、日和我國。將它用作高級轎車的保險杠。

(五)PU安全氣囊

在汽車上安裝安全氣囊是現代汽車工業發展的必然趨勢,對保護駕駛員的生命安全有著重大作用。安全氣囊必須具有一定的強度,能夠承受高速的沖擊,還要求有較好的低溫柔韌性,因此適合采用聚氨酯材料來制作,氣囊的皮層選用聚氨酯彈性體,背面襯以聚氨酯泡沫,此外也可以使用自結皮聚氨酯泡沫塑料.每個安全氣囊的材料用量為200~400g。

(六)PU降噪技術

隨著汽車工業的發展,汽車作為一種代步工具,人們不僅對其性能提出了高要求,而且對其乘坐舒適性也提出了越來越高的要求,車內的噪聲水平是體現其舒適性的一項重要指標。為了提高車輛的舒適性,世界各大汽車公司都對車內噪聲水平制定了嚴格的控制標準,將車內噪聲的控制作為重要的研究方向。特別是轎車,車內噪聲狀況更是衡量轎車檔次的標準之一,汽車的運動噪聲水平直接反映了整車質量水平。

由于聚氨酯發泡材料具有多孔吸聲材料的內部結構,即具有許多微小的間隙和連續的氣泡,由于材料本身的內摩擦和材料小孔中的空氣與孔壁間的摩擦,使聲波能量受到很大的吸收并衰減,這種吸聲材料能有效地吸收入射到它上面的聲能,這就使它具有良好的高頻吸聲性能。由于摩擦和粘滯力的作用,使相當一部分聲能轉化為熱能,從而使聲波衰減,反射聲減弱達到吸聲的目的;其次,小孔中的空氣和孔壁與纖維之問的熱交換引起的熱損失,也使聲能衰減。

(七)無鹵阻燃PU內飾件

汽車內飾用PU泡沫塑料的阻燃性能也是衡量汽車安全性能的一個重要指標。此種阻燃材料需采用無鹵阻燃技術,目前在國內外一些高檔轎車中已得到應用。

6.結論

我國PU產業的快速發展,為我國汽車工業超高速發展創造了必要條件。反之,我國汽車工業將極大拉動我國PU產業的快速發展。

1. 我國汽車工業已是全球最大制造和消費大國,但不是制造強國。我國汽車工業未來發展將由追求產能、產量和規模逐漸轉變為更加注重質量和水平。

2. 汽車輕量化、綠色環保和舒適安全,將成為我國汽車工業用材料未來發展方向。

3. PU材料是實現汽車輕量化和塑料化的關鍵材料。

4. TPU塑料合金和TPU復合材料將是汽車實現塑料化的重要技術途徑。

5. 汽車內飾件PU材料、PU泡沫塑料、PU膠黏劑、PU涂料和PU合成革必須走綠色環保發展之路。

6. PU汽車輪胎和生物質植物油多元醇,是汽車PU綠色材料,具有巨大的發展生命力。

7. PU材料包括內飾件(座椅、靠背頭枕)、微孔PU彈性體減振墊、減震彈簧、保險杠、安全氣囊和PU降噪技術、PU阻燃材料是實現汽車舒適安全的重要技術途徑和發展方向。

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