塑料是乘用类汽车常用的非金属材料之一, 在中级轿车, 塑料的用量已经占到整车质量的12%到15%. 在车用塑料中, 聚丙烯是发展最快, 应用比例最大, 使用频次最高的塑料之一. 以某款主流中级轿车拆解手册数据为例, 聚丙烯类材料约占整车塑料选用频次的29%, 聚丙烯类材料约占整车塑料用量比例的48%.
因此, 进行聚丙烯类材料性能分析及典型应用案例研究, 对汽车零部件原材料开发具有现实意义.
聚丙烯材料性能分析与典型应用
聚丙烯(PP)树脂是由丙烯单体聚合而成的非极性的结晶类塑料. PP具有价格低廉, 密度较小, 容易加工和重复利用等优点;但PP具有成型收缩率大, 低温脆性大, 易老化等缺点. 所以, 通常采用物理或化学改性技术, 添加滑石粉填充物, 玻纤等增强材料, 抗光/热氧老化剂等助剂, 提高聚丙烯材料的综合性能, 以满足汽车部件性能要求.
汽车用聚丙烯材料种类, 特点及典型部件
汽车上除少量部件采用纯PP树脂加工外, 大部分部件皆采用改性PP材料进行加工. 北汽福田车型选材推荐部件, 如表1(下一页)所示.
传统改性聚丙烯主要用于汽车大部件有保险杠, 仪表板护板, 门板, 立柱等部件, 长玻纤聚丙烯主要用在大部件汽车前端模块, 仪表板骨架. 这几个大部件PP用量, 约占全车PP用量的一半, 因此材料性能要求具有代表性.
从改性聚丙烯材料在相关部件的应用现状及发展趋势进行阐述
(1) PP EPDM-TD类材料在保险杠外饰件的应用分析
针对前后保险杠本体的改性聚丙烯材料, 行业已进行了大量的研究, 改性PP保险杠具有成本低, 质量轻, 易涂装, 可循环使用等优点. 目前, 北汽福田乘用车保险杠本体选材, 主要采用PP EPDM-TD10或PP EPDMTD20两种改性聚丙烯材料. 通过添加10—20份的滑石粉, 即可保证材料收缩率和部件尺寸稳定;通过EPDM或POE弹性体增韧, 又可保证部件有良好的低温冲击性.
随着汽车轻量化的关注度日益提升, 轻量化设计对塑料材料应用提出了大量的新要求. 保险杠可通过设计壁厚减薄而降重, 这样对熔融指数要求越来越高, 对材料强度要求也提高;随着降低成本压力, 环保要求日益严峻, 免喷涂保险杠应运而生, 这对改性聚丙烯材料表面质量, 如耐划伤性, 等提出更高的要求.
表1 乘车车用聚丙烯材料及典型应用部位
(2) 改性PP在内饰件上的应用分析
汽车内饰件采用改性PP材料制作的大部件有仪表板, 门板, 立柱饰板等部件. 针对仪表板本体及下护板, 门板本体, 立柱饰板等部件用改性聚丙烯材料, 行业已进行了大量的研究. 新车型开发中, 部件选材更多地结合车型定位, 成本, 法规, 性能等综合因素而定. 比如, A级车(入门级乘用车), B级车(中级乘用车), 由于目标客户及整车成本压力, 轻量化要求等, 对零部件用材选材存在一定的差异. A级乘用类车型注重内饰件的经济性, 比如: 一般多采用硬质仪表板, 硬质门板, 硬质立柱, 其表面一般没有或有很少采用面料或皮革进行装饰.
因此, 塑料件的耐热氧老化, 耐光老化, 耐刮擦性, 抗白痕性, 抗发粘性等性能, 基本由改性PP塑料粒子相关性能决定. 以硬质仪表板选材为例, 材料以PP EPDM-TD20为主;力学性能方面, 关注高模量高刚性高抗冲性;关键力学指标: 拉伸强度≧20MPa, 模量≧1800MPa, 缺口冲击≧20kJ/m2. 以门板本体和立柱饰板选材为例, 材料一般为PP EPDM-TD20;高刚性中等模量中等冲击性能, 关键力学指标: 拉伸强度≧20MPa, 模量≧1400MPa, 缺口冲击≧10kJ/m2. B级乘用类车型注重内饰件的装饰性, 因此在仪表板骨架, 门板, 立柱饰板表面多加上面料或皮革装饰件.
同时, 总成性能的提升, 需要(力学等)性能更加优越的材料;随着轻量化要求, 部件轻量化设计需要更加轻质的材料. 比如: 软质仪表板骨架选材, 材料则以PP-LGF20为主;主要力学性能突出高模量高刚性, 关键力学指标: 拉伸强度≧40MPa, 模量≧4000MPa, 缺口冲击≧10kJ/m2. 以门板本体或立柱饰板选材, 主选材料则为PP/PE-TD16, 或者PP/PE合金(根据需要可加入5—8份的滑石粉, 以调节材料收缩率).
随着对车内空气质量要求的提高, 对车内塑料饰件散发特性也越来越严. 内饰件散发特性包括气味性, 甲醛含量, 冷凝组分, 总碳含量. 目前, 汽车厂对改性粒子管控, 主要参照德系VDA标准: 比如气味≦3级, 甲醛≦10g/kg, 冷凝组分≦2mg, 总碳含量≦50μgC/g. 在项目中, 我们曾遇到改性PP粒子气味检测性合格, 但塑料件气味性超标的案例. 经过产业链跟踪分析, 发现在注塑时, 一方面喷了过量的脱模剂引入杂味, 另一方面注塑温度过高, 导致材料部分分解产生异味;最终出现改性PP粒子气味性合格, 但最终塑料件气味不合格的情况.
因此, 要彻底解决塑料件的气味性, 往往需要汽车厂, 零部件企业, 原材料商三方共同努力. 除散发特性之外, 塑料件的耐热氧老化, 耐光氧老化, 耐刮擦性, 抗白痕性, 抗发粘性等都属于材料认可时重点关注项目. 比如, 在汽车厂材料实验, 针对PP进行的150℃耐热氧老化测试, 更多地是评价材料本身在长期使用条件下的可靠性. 这需要在改性聚丙烯材料配方设计和加工过程前, 充分考虑最终制品性能要求.
(3) PP-LGF在前端模块上等部件的应用分析
对PP-LGF(长玻纤增强聚丙烯)材料的研究与应用, 是近年来的热点之一. PP-LGF材料中, 玻璃纤维长度一般可达15mm到30mm, 形成三维交叉结构. 结构决定性能, 因此PP-LGF相比普通4—7mm短玻纤材料具有更高的强度, 刚性, 韧性等优势. 对于汽车前端模块, 采用PP-LGF30材料, 可将散热器, 喇叭, 冷凝器, 托架等前端部件组合成一个整体;相比金属件耐腐蚀, 密度小, 重量轻, 减重约30%;相比玻纤尼龙, 有明显的成本优势.
随着汽车轻量化的研究与应用, '以塑代钢' , '以轻代重' 都给PP-LGF材料提供了广阔的发展空间. 比如, 李菁华等人研究了PP-LGF取代金属制造脚踏板的可行性;杨宇威研究了PP-LGF取代PA66-GF30制造车门拉手底座的可行性, 以及取代PBT-GF30制造雾灯壳体的可行性;李志虎等人研究了PP-LGF取代PA-GF在换挡机构的应用研究. 其它汽车部件, 比如车门板集成模块, 车顶窗框架/压条, 保险杠, 汽车行李架, 汽车蓄电池外壳/托架, 轿车座椅骨架, 齿轮箱外壳, 汽车外饰镜框架, 汽车雨刷器支架等, 都可选用PP-LGF材料代替金属和尼龙材料.
结论
改性聚丙烯根据汽车部件性能要求, 可分为增韧类, 矿物填充类, 玻纤增强类, 聚丙烯/聚乙烯合金等;
汽车塑料件的关注要点, 可转化成改性聚丙烯材料特征. 需结合配方设计, 加工工艺, 后处理工艺等综合考虑, 来满足汽车塑料件性能要求;
随着对乘用车空气质量要求的提高, 低气味聚丙烯类内饰材料的开发与应用是今后重点发展方向之一;
随着汽车轻量化, 改性聚丙烯材料将进一步拓展应用, 长玻纤增强聚丙烯代替金属, 玻纤尼龙材料具有明显的减重降本优势.