工程塑料在汽车上的应用

工程塑料在汽车上的应用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（如图1所示），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（如图2所示）。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方案。(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、试验评价等问题，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（如SMC、RTM部件）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