汽车零部件塑料化发展趋势

汽车零部件塑料化发展趋势随着人们生活水平的不断提高，对轿车也提出了更高的要求，诸如要求有宽敞的车内空间、舒适的座椅、低的噪音、视觉美观及宽阔的视野等。而制造商们则用人体工程学设计和实用性来刺激顾客的购买欲，此外高速、安全、低耗、环保，最后归结到低廉的价格，要达到如此高的要求，用塑料来替代一些钢铁制的零部件是最明智的选择。塑料歧管的生产方法和材料汽车动力系统用进气歧管，历来是用金属制造的。由于歧管的形状复杂，以前是用铝含金铸造的，但内壁粗糙，使用时对空气的阻力很大，噪声大，致使燃烧不充分，废气排放多。在上个世纪80年代开始，欧洲开始用失芯制造法（CoreMelt），如此制成的歧管不仅成本高，而且有一定废品率，因为歧管的材料PA66（或PA6）经玻纤增强后，其加工温度在250至260℃，虽然在模内与型芯的接触时间仅几分钟，但部分型芯也不可避免地被熔解，使歧管的内壁尺寸难以被控制。近年来由于振动焊接技术的发展，对于大尺寸的玻纤增强PA66的焊接技术日趋成熟，为此歧管可用注塑成型为二片歧管零件，经振动焊接而成为一体。目前世界上多数汽车制造商使用此法生产歧管，使金属制歧管塑料化（见表1）。由于发动机周边的零件要求在工作时要承受220℃的高温下仍有高模量、高强度，在-40℃下仍有良好的机械性能和无碎裂的韧性，对于玻纤增强尼龙来说已不是最优秀的材料。目前国外已有用PPA树脂（聚邻苯二酉先胺）用模塑成型来制造汽车歧管，并已应用到克尔维特、卡麦罗、火鸟车型的LS1和LS6发动机用进气歧管。此种类型的进气歧管通常设计成三个部份，通过螺栓一起固定到发动机上。在高温高湿状态下，PPA的抗拉强度比尼龙6增加20%，也比尼龙66更高。此外PPA材料的挠曲（弯曲）模量比尼龙高20%，硬度更大，更能抗长时间内的拉伸蠕变；PPA的耐汽油、耐油脂和冷却剂的能力也比PA强。最重要的是减轻重量，用铸铝制造的进气歧管，重量达26磅，而用PPA树脂分三片模塑而成的同类型进气歧管仅重11磅，能多产生25%的气流。何况铸铝制品还会加热吸入的空气而降低功率，由于塑料是热的不良导体，故有隔热作用。离合器执行系统的新材料离合器执行系统的使用环境非常恶劣，长时间的经受高温，而且又暴露在压力油和润滑剂中。以往主动缸和从动缸组件都必须使用金属，近年来，美国一汽车产品公司向各大洲的车商提供用塑料制的离合器执行系统，该商品的商标为CSC，是用LFRT，即用50%的长纤维增强的黑色尼龙，该材料的硬度大、重量轻、比模量超过铝合金。它的纤维分布均匀，是随机分布的，尺寸稳定性好、收缩率低、约为0.2%。由于纤维完全浸润在尼龙树脂中，而且端头较少，完全能保证有出色的光亮表面。50%的长纤维，使热膨胀系统几乎与金属相同，该公司认为，如果仔细地将注塑件的尼龙成份烧掉，留下的骨架部分（纤维）几乎仍保留制品的形状。这表明产品中的纤维的分布是各向同性，所以收缩一致，抑制了翘曲。CSC的表面光洁度较铸铝件好，有助于延长从动缸的密封寿命。该产品的型号是PA66.GF50-02，完全符合所有的长期爆炸测试要求，室温下的抗拉强度几乎达到50,000lb/ft2，疲劳强度高，抗蠕变能力强，在149℃下，抗拉强度仍有20,000lb/ft2，50%长玻纤增强的PA，其密度为1.5g/cm3，所以也减轻了重量。通过注塑成型生产结构复杂的零件与铸铝相比，节约了成本。树脂基复合材料半个世纪以来，树脂基复合材料作为新材料领域中的后起之秀得到了很大的发展，为世人瞩目，目前在汽车领域里各国在研究使用的树脂基复合材料有以下几种：SMC/Sheetmouldingcomposite，称为片状模塑料。是由长玻纤增强不饱和聚酯制成的片材，然后经过热成型加工可以做成各种车用零件，另外也可用此类浸有树脂的玻纤织物用手工法糊成许多种零件部件，经固化后即可使用。BMC/Bulk.mouldingcomposite，称为固状模塑料。用此类树脂通过热固性注塑机可制成各类零部件。用碳纤维、玻纤、超高摩尔PE纤维等与树脂复合（热固、热塑）（增强浸渍）而成树脂基复合材料，可制成许多零部件。(见表2)英国的瑞利安公司、法国的Renault公司先后采用SMC制造车身及附件。美国GM公司在Camaro车和Fiebird车上使用了SMC车顶、后门和侧门。Ford公司在Mustang车上应用了SMC发动机罩，并将在Lincolncontinental车上应用了SMC盖板、发动机罩和前防护板。这些例子仅仅作为推广应用的前奏。安全气囊对气囊材料的要求是：在夏日的高温（80℃）和严冬（-40℃）状态下能正常触发，释放气囊，敏感度要高，任何撞击状态下都能发挥正常的功能，所以此材料不仅要承受高低温的考验，同时要有很高的耐冲击，高的撕裂强度，伸长率要小。近来国外报导用Akulon（PA6，PA66）以及Amitel（TPE-E）来制造安全气囊是最佳的材料，这两种材料是DSM公司最近推出的。它们不仅有良好的成型流动性和良好的加工性，这些性能均比普通尼龙提高80%，使产品壁厚可以减薄，此外TPE-E也比其它的热塑性弹性体注射性能更为稳定，废品率更低，还适用于发动机区域（UTB）的热空气管线，保护罩、波纹管以及气囊等。抗菌塑料、纤维纺织品在内饰件中的应用目前轿车中的纺织品材料品种繁多，且用量大。以轿车为例，表面装饰材料一般为25平方米/辆，质量为9至15公斤/辆。2003年国产轿车为200万辆，耗用纺织品在2万吨以上。（轿车内装饰物品种见表3）。对于此类高分子材料制造的内饰件面料的要求是阻燃、防紫外线、透气性好等，由于轿车工业的日益发展，人们不仅要求轿车要有宽敞的车内空间、视野开阔和乘座舒适，还要求车内空气质量新鲜，目前人们又提出如何防止轿车内的空气污染及有高质量的空气。车内空气质量差的原因之一是大部分车内饰件都是由高分子纤维织成，如PP纤维、PP发泡材料、PU发泡材料，PVC发泡材料、PET纤维等。仅有少量天然纤维和皮革制品。目前中国对塑料制品的抗菌已经有了一个工业标准正式公布，今后轿车内的塑料零部件都应按此标准来规范，以减少塑料件表面滋生细菌。抗菌标准是：抗细菌率符合Ⅰ≥99%的抗菌塑料可以作为强抗菌作用；抗细菌符合Ⅱ≥90%的抗菌塑料可以作为有抗菌作用。此外对于品种繁多的有机高分子织物，今后的方向应该是纳米化。因为一些材料纳米化后，可以有抗菌、无臭、杀菌作用。此类产品已有出售，从这几方面着手，对提高车内空气质量大有裨益。保险杠保险杠是轿车的主要塑料件之一，以上海桑塔纳轿车为例，前保险杠重4kg，后保险杠重4.4kg（时代超人超过此值）。保险杠也由面板和骨架材料组成。桑塔纳轿车的面板材料由共聚丙烯加热塑性弹性体，再加入其他助剂经注射成型而成。根据不同车型要求，某些车型的保险杠需要喷漆，如捷达王、新捷达、别克等车的保险杠进行表面喷漆。而桑塔纳和奥迪100等就直接采用注射成型的保险杠。目前国产车的保险杠大多是灰黑色的。随着时代的前进，人们已不满足于黑色的保险杠，而要求保险杠与车身同一色泽。保险杠表面经喷漆后，色泽漂亮，但成本增加近1倍。而经喷漆后的保险杠回收利用后的耐寒性、伸长率大幅度下降，不能再用于保险杠。所以开发可涂性PP制造保险杠是很迫切的研究课题。目前在世界范围内约有92%的保险杠是用高分子材料制成的(表3)。因为用塑料制造保险杠可以根据美学和实用两方面来塑造时尚美观且不失功能化的造型。而且从强度上考虑，金属在受到轻的碰撞后，会在金属面上留下痕迹，而用塑料制造的保险杠对类似的危害有更好的防御性。现在的塑料保险杠是由三层组成：面板材料是用PP、PE/ABS、PC/PBT；骨架材料可以是木材、金属；中间是以PP发泡材料或PU发泡材料。就目前的发展来看，此类材料不利于回收利用和不符合环境友好原则。近年来国外有人提出用TPE来制造汽车保险杠面板，而用玻纤增强PP制造骨架，再用发泡PP制作中间的缓冲层，都是同一族的材料，有利于回收循环使用。在回收循环使用前，只要清洁和干燥处理，就可以按一定比例重新制造保险杠。目前，国外中高档次轿车的保险杠已采用PC/PBT合金制作，此材料机械性能高，冲击强度尤其远超PP制的保险杠。如GE公司的PC/PBT合金属于Xenoy系列，其中最新的Xenoy-XT适合制作汽车保险杠。它不仅能承受碰撞，而且车体与保险杠经组成，再涂装（以使保险杠与车体保持同一色泽）时，能耐155℃/30min的烘烤干燥，世界上几家大公司如Bayer公司、BASF公司都有此品种，巴斯夫的PBT/PC合金，商品牌号是Ultrablend，它不仅具有PBT的耐化学药品性、耐油性及流动性，又具有PC的低温韧性，耐热性及高机械性能，（尤其突出的是高抗冲击性），已经大量用于保险杠。此外还有热塑性弹性体TPE，它在常温下具有橡胶特性，在高温下能塑化成型，用通用的塑料机械可以加工成各种零件。TPE系列有纯净型（即小分子单体通过一定聚合而成）如SBS、TPU等和掺混型如TPO、TPVC等。据统计，1991年世界消耗TPE为18万吨（用于汽车工业），而到1995年上升到28.5万吨，可见增长速度之快。用塑料类制造保险杠已占世界保险杠用料的90%以上，而金属保险杠仅占8.2%。可见世界保险杠市场将由塑料所替代，这是必然的趋势。业内人士认为，使用塑料可将保险杠梁、保险杠饰板、格栅架、标牌、车前灯及转向灯的反射镜和透镜结合成为一体的前端架组件。降低装配成本，并有可能进一步将前端架组合件和散热器组件一体化。这种构件目前称作模块。汽车窗玻璃的塑料化若用PC做风档玻璃，则在发生车祸时，能减少碎片对司机和乘客的伤害。在日本，耐候级PC板用作赛车车窗已获运输省批准。现已正式使用PC车窗的厂家有：本田、马自达等。PC窗存在问题是PC的收缩率大于玻璃，且表面硬度低，受风沙吹后易粗糙等。另一个材料是PVB树脂（聚乙烯醇缩丁醛）。此树脂透明、粘接性能十分优良，可作为二块无机玻璃之间的粘接层。当受到外力冲击时，由于优良的粘接力，碎玻璃仍被PVB膜粘接在一起。目前PVB已用于航空机上。但由于价格和PVB片材的加工工艺问题，作为汽车窗玻璃、还未普及。汽车零部件生产的模块化为了降低整车的生产成本，使汽车在市场有强大的竞争能力，国外一些汽车制造商们正在试验汽车零部件生产模块化。所谓模块化生产，即是以一个零件（或部件）为中心将周边的零件组合在一起经一次成型加工而成，这样可以减少许多制造工艺和模具数量，如BMW（宝马）系列的汽车变速箱组件是用Bayer公司生产的35%玻纤增强PA66制成，它集成了许多零部件于一体，不仅节约了发动机体内的宝贵空间，也减少了成型工艺；BASF公司正致力于一种新的构思，将汽车储油箱、永久性滤器和油泵集成于汽车底部一个用35%玻纤增强PA66制成的模块内；美国伊利诺州的TecAir公司用高流动尼龙制造出重5磅、22英寸长的汽车发动机冷却扇组件，它将风机轮子和其它进气组件组合在一起，这种产品已经应用到GM公司的某种车型上；也有人考虑将汽车散热器罩和前保险杠组合成模块进行生产。这种尝试是不是汽车零件塑料化的一种发展有待实践来证明。