塑料是乘用類汽車常用的非金屬材料之一, 在中級轎車, 塑料的用量已經佔到整車質量的12%到15%. 在車用塑料中, 聚丙烯是發展最快, 應用比例最大, 使用頻次最高的塑料之一. 以某款主流中級轎車拆解手冊數據為例, 聚丙烯類材料約佔整車塑料選用頻次的29%, 聚丙烯類材料約佔整車塑料用量比例的48%.
因此, 進行聚丙烯類材料性能分析及典型應用案例研究, 對汽車零部件原材料開發具有現實意義.
聚丙烯材料性能分析與典型應用
聚丙烯(PP)樹脂是由丙烯單體聚合而成的非極性的結晶類塑料. PP具有價格低廉, 密度較小, 容易加工和重複利用等優點;但PP具有成型收縮率大, 低溫脆性大, 易老化等缺點. 所以, 通常採用物理或化學改性技術, 添加滑石粉填充物, 玻纖等增強材料, 抗光/熱氧老化劑等助劑, 提高聚丙烯材料的綜合性能, 以滿足汽車部件性能要求.
汽車用聚丙烯材料種類, 特點及典型部件
汽車上除少量部件採用純PP樹脂加工外, 大部分部件皆採用改性PP材料進行加工. 北汽福田車型選材推薦部件, 如表1(下一頁)所示.
傳統改性聚丙烯主要用於汽車大部件有保險杠, 儀錶板護板, 門板, 立柱等部件, 長玻纖聚丙烯主要用在大部件汽車前端模組, 儀錶板骨架. 這幾個大部件PP用量, 約佔全車PP用量的一半, 因此材料性能要求具有代表性.
從改性聚丙烯材料在相關部件的應用現狀及發展趨勢進行闡述
(1) PP EPDM-TD類材料在保險杠外飾件的應用分析
針對前後保險杠本體的改性聚丙烯材料, 行業已進行了大量的研究, 改性PP保險杠具有成本低, 質量輕, 易塗裝, 可迴圈使用等優點. 目前, 北汽福田乘用車保險杠本體選材, 主要採用PP EPDM-TD10或PP EPDMTD20兩種改性聚丙烯材料. 通過添加10—20份的滑石粉, 即可保證材料收縮率和部件尺寸穩定;通過EPDM或POE彈性體增韌, 又可保證部件有良好的低溫衝擊性.
隨著汽車輕量化的關注度日益提升, 輕量化設計對塑料材料應用提出了大量的新要求. 保險杠可通過設計壁厚減薄而降重, 這樣對熔融指數要求越來越高, 對材料強度要求也提高;隨著降低成本壓力, 環保要求日益嚴峻, 免噴塗保險杠應運而生, 這對改性聚丙烯材料表面質量, 如耐劃傷性, 等提出更高的要求.
表1 乘車車用聚丙烯材料及典型應用部位
(2) 改性PP在內飾件上的應用分析
汽車內飾件採用改性PP材料製作的大部件有儀錶板, 門板, 立柱飾板等部件. 針對儀錶板本體及下護板, 門板本體, 立柱飾板等部件用改性聚丙烯材料, 行業已進行了大量的研究. 新車型開發中, 部件選材更多地結合車型定位, 成本, 法規, 性能等綜合因素而定. 比如, A級車(入門級乘用車), B級車(中級乘用車), 由於目標客戶及整車成本壓力, 輕量化要求等, 對零部件用材選材存在一定的差異. A級乘用類車型注重內飾件的經濟性, 比如: 一般多採用硬質儀錶板, 硬質門板, 硬質立柱, 其表面一般沒有或有很少採用面料或皮革進行裝飾.
因此, 塑料件的耐熱氧老化, 耐光老化, 耐刮擦性, 抗白痕性, 抗發粘性等性能, 基本由改性PP塑料粒子相關性能決定. 以硬質儀錶板選材為例, 材料以PP EPDM-TD20為主;力學性能方面, 關注高模量高剛性高抗沖性;關鍵力學指標: 拉伸強度≧20MPa, 模量≧1800MPa, 缺口衝擊≧20kJ/m2. 以門板本體和立柱飾板選材為例, 材料一般為PP EPDM-TD20;高剛性中等模量中等衝擊性能, 關鍵力學指標: 拉伸強度≧20MPa, 模量≧1400MPa, 缺口衝擊≧10kJ/m2. B級乘用類車型注重內飾件的裝飾性, 因此在儀錶板骨架, 門板, 立柱飾板表面多加上面料或皮革裝飾件.
同時, 總成性能的提升, 需要(力學等)性能更加優越的材料;隨著輕量化要求, 部件輕量化設計需要更加輕質的材料. 比如: 軟質儀錶板骨架選材, 材料則以PP-LGF20為主;主要力學性能突出高模量高剛性, 關鍵力學指標: 拉伸強度≧40MPa, 模量≧4000MPa, 缺口衝擊≧10kJ/m2. 以門板本體或立柱飾板選材, 主選材料則為PP/PE-TD16, 或者PP/PE合金(根據需要可加入5—8份的滑石粉, 以調節材料收縮率).
隨著對車內空氣質量要求的提高, 對車內塑料飾件散發特性也越來越嚴. 內飾件散發特性包括氣味性, 甲醛含量, 冷凝組分, 總碳含量. 目前, 汽車廠對改性粒子管控, 主要參照德系VDA標準: 比如氣味≦3級, 甲醛≦10g/kg, 冷凝組分≦2mg, 總碳含量≦50μgC/g. 在項目中, 我們曾遇到改性PP粒子氣味檢測性合格, 但塑料件氣味性超標的案例. 經過產業鏈跟蹤分析, 發現在注塑時, 一方面噴了過量的脫模劑引入雜味, 另一方面注塑溫度過高, 導致材料部分分解產生異味;最終出現改性PP粒子氣味性合格, 但最終塑料件氣味不合格的情況.
因此, 要徹底解決塑料件的氣味性, 往往需要汽車廠, 零部件企業, 原材料商三方共同努力. 除散發特性之外, 塑料件的耐熱氧老化, 耐光氧老化, 耐刮擦性, 抗白痕性, 抗發粘性等都屬於材料認可時重點關注項目. 比如, 在汽車廠材料實驗, 針對PP進行的150℃耐熱氧老化測試, 更多地是評價材料本身在長期使用條件下的可靠性. 這需要在改性聚丙烯材料配方設計和加工過程前, 充分考慮最終製品性能要求.
(3) PP-LGF在前端模組上等部件的應用分析
對PP-LGF(長玻纖增強聚丙烯)材料的研究與應用, 是近年來的熱點之一. PP-LGF材料中, 玻璃纖維長度一般可達15mm到30mm, 形成三維交叉結構. 結構決定性能, 因此PP-LGF相比普通4—7mm短玻纖材料具有更高的強度, 剛性, 韌性等優勢. 對於汽車前端模組, 採用PP-LGF30材料, 可將散熱器, 喇叭, 冷凝器, 托架等前端部件組合成一個整體;相比金屬件耐腐蝕, 密度小, 重量輕, 減重約30%;相比玻纖尼龍, 有明顯的成本優勢.
隨著汽車輕量化的研究與應用, '以塑代鋼' , '以輕代重' 都給PP-LGF材料提供了廣闊的發展空間. 比如, 李菁華等人研究了PP-LGF取代金屬製造腳踏板的可行性;楊宇威研究了PP-LGF取代PA66-GF30製造車門拉手底座的可行性, 以及取代PBT-GF30製造霧燈殼體的可行性;李志虎等人研究了PP-LGF取代PA-GF在換擋機構的應用研究. 其它汽車部件, 比如車門板整合模組, 車頂窗框架/壓條, 保險杠, 汽車行李架, 汽車蓄電池外殼/托架, 轎車座椅骨架, 齒輪箱外殼, 汽車外飾鏡框架, 汽車雨刷器支架等, 都可選用PP-LGF材料代替金屬和尼龍材料.
結論
改性聚丙烯根據汽車部件性能要求, 可分為增韌類, 礦物填充類, 玻纖增強類, 聚丙烯/聚乙烯合金等;
汽車塑料件的關注要點, 可轉化成改性聚丙烯材料特徵. 需結合配方設計, 加工工藝, 後處理工藝等綜合考慮, 來滿足汽車塑料件性能要求;
隨著對乘用車空氣質量要求的提高, 低氣味聚丙烯類內飾材料的開發與應用是今後重點發展方向之一;
隨著汽車輕量化, 改性聚丙烯材料將進一步拓展應用, 長玻纖增強聚丙烯代替金屬, 玻纖尼龍材料具有明顯的減重降本優勢.