近年来, 我国汽车产业不断发展壮大, 作为全球最大的汽车消费市场, 2016年汽车产销突破2800万辆, 连续8年位居全球第一. 随着汽车产销量的增长, 以及相关技术的进步, 中国汽车产业站在了转型升级的关口. 按照 '中国制造2025' 以及《汽车产业中长期发展规划》的要求, 既要加大力度推进新能源汽车的发展, 也要做好传统内燃机汽车的节能减排工作, 并将电子信息技术广泛应用在汽车上, 以信息化手段促进汽车工业发展. 另外备受瞩目的《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》(以下简称 '双积分' )政策已经于今年9月底正式公布, 该政策将于2018年4 月 1 日正式实行. 在双积分政策背景下, 中外车企大力发展节能与新能源汽车已经是大势所趋, 而汽车非金属材料在这一过程中扮演着十分重要的角色.
为促进我国汽车非金属材料及制品技术水平的提高, 中国汽车工程学会汽车非金属材料分会于11月28日-30日在哈尔滨举办了以 '轻量化, 功能化, 环保化' 为主题的年会, 以促进行业经验分享, 开阔科技人员技术视野, 增强自主创新意识和技术积累.
'以塑代钢' 的轻量化之路
中国制造2025明确提出, 到2020年, 乘用车(含新能源乘用车)新车整体油耗降至5升/100公里, 2025年, 降至4升/100公里左右. 到2020年, 商用车新车油耗接近国际先进水平, 到2025年, 达到国际先进水平. 而据国际研究机构实验表明, 如果汽车整车重量降低10%, 燃油效率可提高6%至8%;汽车整备质量每减少100公斤, 百公里油耗可降低0.3至0.6升. 因此, 在保证汽车的强度和安全性能的前提下, 尽可能地降低汽车的整备质量, 从而提高汽车的动力性, 减少燃料消耗成为各车企的发展潮流.
在汽车非金属材料分会第七届年会上, 中国一汽新能源开发院材料与轻量化所处长郑虹指出: '目前中国汽车行业成为全球汽车产业中的重要力量, 汽车强国的梦想正在逐渐变成现实, 为了推进汽车行业的绿色发展, 国家出台了一些列汽车产业发展政策, 尤其是双积分政策, 必然改变各大汽车企业的产品结构, 而非金属材料的开发和应用, 具有极大的轻量化优势, 既能缓解汽车企业在这两方面的压力, 又能给非金属行业提供更多的机遇, 必将促使行业创新技术, 开创汽车产业快速转型升级, 推动自主品牌全面振兴. '
近年来汽车轻量化成为降低汽车排放, 提高燃烧效率的有效措施, 也是汽车材料发展的主要方向, 汽车非金属材料的用量也随之上升, 其中塑料和弹性体在车身轻量化方面具有举足轻重的作用.
在车用塑料市场方面, 无论是外装饰件, 内装饰件, 塑料用量都在不断地增加. 并且随着工程塑料硬度, 强度, 拉伸性能的不断提高, 塑料车窗, 车门, 骨架甚至更多的汽车关键性部件都在采用塑料, 因此以塑代钢是汽车轻量化重要的发展趋势之一.
按地域划分, 车用塑料制品在汽车领域的应用主要分布在美国, 西欧, 日本和中国;按塑料制品类型划分, 在汽车上应用最多的是工程塑料和通用塑料, 其中聚丙烯(PP)制品在各大地域的应用是最广泛的;聚氨酯(PU)作为发泡材料在汽车行业中的应用也十分广泛, 根据IHS Markit 数据显示, 聚氨酯在各个国家汽车材料中占两成左右, 汽车内饰上聚氨酯用量非常之大. IHS Markit化工部副总监徐徐认为: '聚氨酯泡沫消费量按地区分布的话, 中国无疑是最大的市场, 个人认为, 聚氨酯材料是汽车用非金属材料中受市场波动影响最小的, 预测未来几年内, 聚氨酯材料在汽车用量当中还会正增长. '
弹性体在汽车领域可以分为两大类: 一类是轮胎应用还有一类是非轮胎的应用. 汽车轮胎市场是橡胶最大的终端市场, 基本上有70%的橡胶用于了轮胎市场. 中国在天然橡胶和合成橡胶市场都占据最大比例, 因此, 中国是全球最大的橡胶市场, 这也是受我国最近几年汽车产业和轮胎产业蓬勃发展的影响. 我国的天然橡胶与合成橡胶的消费量巨大, 但是自给能力呈现截然相反的状态.
在非轮胎应用领域, 三元乙丙橡胶(EPDM)和热塑性聚烯烃弹性体(TPO)有着广阔地应用. 数据显示, 2001年至2015年, 全球乙丙橡胶产量和汽车产量走势基本平行, 某种程度上, EPDM的生产状态也可以反映整个汽车市场的状态. 但是我国的EPDM产能相对较低, 依赖于进口.
随着 '以塑代钢' 轻量化思路的深度应用, 介于橡胶和塑料之间的热塑性弹性体(TPE)的研发与应用也越来越成熟, 越来越广泛. 2016年全球热塑性弹性体消费量, 已经达到了600万吨, TPE的发展与汽车产业的发展有很大关系, 因为TPE的总消费量分布中, 有43-44%是用于汽车行业. 其中广泛应用于密封条和导槽的TPV 产品在未来市场具有挖掘的潜力.
总而言之, 汽车轻量化是全球汽车市场发展的必由之路, 据高盛集团预测, 到2025年, 整车制造企业(OEMs)生产的每辆车将减重约200公斤以满足相应需求. 在众多的轻质化材料中, 橡塑材料作为非金属材料, 在汽车轻量化中将起到越来越重要的作用.
安全环保与轻量化不可偏废其一
2014年, 全球交通运输业的碳排放量占到了29%, 是仅次于重工业的能源企业, 说明汽车工业在碳排放比例中占到了相当大的比例, 而汽车非金属材料作为轻量化的有效手段被越来越普遍地应用. 与此同时, 汽车非金属材料的蓬勃发展, 也要重视一些问题.
随着消费者对车内气味VOC的要求不断提高, 车内空气质量强标的推进, 内饰件VOC管控成为各主机厂, 内饰件产业面临的挑战.
在汽车VOC这一块, 随着国家强标的修订工作的持续进行, 以及车内空气质量首次纳入了国六的管理, 对于整车企业来说, 控制整车企业的VOC符合法律标准的压力越来越急迫. 车内气味是各大主机厂最为关心的一块领域, 无论是第三方研究机构发布的研究报告还是消费者的投诉情况来看, 车内气味作为消费者对于车型主观化的一个评价, 对于车企来说, 如何改善车内空气质量也是非常重要的.
中国汽车技术研究中心数据资源中心王雷认为: '在汽车研发阶段是不会出现问题的, 它出现问题是在量产过程中某一批次的产品, 因为工料的问题造车了车内气味让消费者不舒服. '
汽车零部件和车内装饰材料中所含有害物质的释放, 包括汽车使用的塑料和橡胶部件, 织物, 油漆涂料, 保温材料, 粘合剂等有可能会造成VOC的超标. 这些材料中的挥发性物质可以在汽车使用过程中不断释放, 持续几个月甚至几年. 有研究表明, 按照新国标要求的限值, 整车VOC超标主要集中表现为乙苯, 二甲苯超标, 其中密封条, 天窗, 门锁, 座椅, 顶衬, 工艺胶对整车VOC含量有很大 '贡献' , 因此这些部件也是整车VOC控制的重点零部件.
王雷介绍: '对于企业来说要做到整车VOC的一个管控, 不管是VOC还是气味我们会把目标分解到主要的二三十种内饰的零件, 再逐级分解到初始的原材料, 就是我们的车内非金属材料, 对于大多数整车企业来说, 管控体系已经基本建立完备了, 采取逐级筛选, 纵向管控的方式, 整车企业达到VOC国家标准的压力并不是很大, 企业的重心放在怎么在国家标准的基础上, 更进一步的提升整车的VOC性能. '
另一方面, 在整车VOC的控制中, 对原材料的优化是根本措施, 但同时除原材料本身的配方对VOC的影响较大外, 零件的成型工艺和后处理工艺也会影响零部件的挥发物含量, 因此VOC的控制从原材料的合成, 改性, 加工, 零件的制作, 装配, 存储, 运输, 零件在整车上的装配, 设计制造全环节都会影响到整车的VOC. VOC的整改需要整个产业链的变革和管控力度的加强来支持.
除此之外, 建立统一的材料检测标准以及明确的评价指标也不可缺少.
生物材料与3D打印技术前景广阔
在汽车环保与轻量化的目标之下, 对于新材料和新工艺的开发越来越得到企业的重视. 而生物材料和3D打印技术的进步给汽车产业带来更光明的前景.
在生物材料方面, 采用聚乳酸PLA+PC, 大豆发泡聚氨酯等生物材料, 是公认的环保型友好材料, 这样可以尽量降低二氧化碳的排放, 降低汽车车内的空气污染. 创办于1985年的鑫达集团, 已经成功将生物基材料应用于轻量化, 鑫达集团董事总经理代汝军介绍说: '生物基材料将玉米, 甘蔗等作为淀粉的来源合成聚乳酸, 作为可降解的材料分解成水和二氧化碳. 另外植物纤维的应用也可以降本减重, 比如稻壳儿, 秸秆都可以磨成粉添加到材料中, 不仅达到轻量化的要求, 还可以降低成本. '
鑫达除研发生物材料外, 还聚焦3D打印技术的开发. 3D打印技术源于上世纪七十年代的美国, 是一种以数字模型文件为基础, 运用粉末状金属或塑料等可粘和材料, 通过逐层打印的方式来构造物体的新型成型技术. 3D打印技术相较于传统技术, 具有多样化, 节省材料, 制造技能简单等特点, 是具有颠覆性的技术.
全球3D打印市场在2013年的市值是23亿美元, 有望在2020年达到86亿美元, 其复合年均增长率(CAGR)为20.6%, 同时, 医疗, 航空, 汽车, 教育等领域将成为3D打印市场的最大增长点. 据了解, 到2022年全球医疗3D打印市场规模将达到38.9亿美元(约合人民币260亿人民币). 市场研究公司Allied Market Research通过一份报告给出了预测, 未来5年, 汽车3D打印市场将以21.8%的复合年均增长率快速发展, 最终到2022年全球规模达23.9亿美元.
代汝军谈到3D打印技术在汽车领域的应用时说道: '一辆车从规划设计, 定型生产, 中期改款到最终下线, 过程中需要经历多次修改, 验证, 在此期间需要进行制造许多样件, 传统方法采用快速成型技术, 耗时高, 成本高, 而利用3D打印技术可有效降低成本, 缩短研发周期. '
在整车设计环节, 与3D打印技术结合的案例有东风公司采用3D打印技术打印整套汽车内饰, 装配在样车上供专业人员对外观进行评审, 也开放到车展上供观众参观并收集观众意见, 以用于后期的设计优化参考. 吉利汽车采用3D打印技术制作了空调HVAC总成和风道总成, 综合测试空调系统的风量大小, 风量非配的合理性, 除霜风口出风方向风速的准确性. 3D打印技术除了在设计阶段, 样件的制造外, 可以直接生产车用的外饰件, 内饰件, 功能件等, 比如标致Fractal概念车在车内饰上使用了大量的3D打印的零部件……
作为专业从事高分子复合材料研发生产销售的企业, 鑫达的产业规划是打造中国汽车用高分子复合材料产销第一;另外在创新生物可降解材料方面打造从丙交酯, 聚乳酸到复合乳酸产业链最全, 中国行业内产销第一;而且要达到创新高分子材料3D打印耗材品种最全, 国内行业产销量第一.