近年來, 我國汽車產業不斷髮展壯大, 作為全球最大的汽車消費市場, 2016年汽車產銷突破2800萬輛, 連續8年位居全球第一. 隨著汽車產銷量的增長, 以及相關技術的進步, 中國汽車產業站在了轉型升級的關口. 按照 '中國製造2025' 以及《汽車產業中長期發展規劃》的要求, 既要加大力度推進新能源汽車的發展, 也要做好傳統內燃機汽車的節能減排工作, 並將電子資訊技術廣泛應用在汽車上, 以資訊化手段促進汽車工業發展. 另外備受矚目的《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分並行管理辦法》(以下簡稱 '雙積分' )政策已經於今年9月底正式公布, 該政策將於2018年4 月 1 日正式實行. 在雙積分政策背景下, 中外車企大力發展節能與新能源汽車已經是大勢所趨, 而汽車非金屬材料在這一過程中扮演著十分重要的角色.
為促進我國汽車非金屬材料及製品技術水平的提高, 中國汽車工程學會汽車非金屬材料分會於11月28日-30日在哈爾濱舉辦了以 '輕量化, 功能化, 環保化' 為主題的年會, 以促進行業經驗分享, 開闊科技人員技術視野, 增強自主創新意識和技術積累.
'以塑代鋼' 的輕量化之路
中國製造2025明確提出, 到2020年, 乘用車(含新能源乘用車)新車整體油耗降至5升/100公裡, 2025年, 降至4升/100公裡左右. 到2020年, 商用車新車油耗接近國際先進水平, 到2025年, 達到國際先進水平. 而據國際研究機構實驗表明, 如果汽車整車重量降低10%, 燃油效率可提高6%至8%;汽車整備質量每減少100公斤, 百公裡油耗可降低0.3至0.6升. 因此, 在保證汽車的強度和安全性能的前提下, 儘可能地降低汽車的整備質量, 從而提高汽車的動力性, 減少燃料消耗成為各車企的發展潮流.
在汽車非金屬材料分會第七屆年會上, 中國一汽新能源開發院材料與輕量化所處長鄭虹指出: '目前中國汽車行業成為全球汽車產業中的重要力量, 汽車強國的夢想正在逐漸變成現實, 為了推進汽車行業的綠色發展, 國家出台了一些列汽車產業發展政策, 尤其是雙積分政策, 必然改變各大汽車企業的產品結構, 而非金屬材料的開發和應用, 具有極大的輕量化優勢, 既能緩解汽車企業在這兩方面的壓力, 又能給非金屬行業提供更多的機遇, 必將促使行業創新技術, 開創汽車產業快速轉型升級, 推動自主品牌全面振興. '
近年來汽車輕量化成為降低汽車排放, 提高燃燒效率的有效措施, 也是汽車材料發展的主要方向, 汽車非金屬材料的用量也隨之上升, 其中塑料和彈性體在車身輕量化方面具有舉足輕重的作用.
在車用塑料市場方面, 無論是外裝飾件, 內裝飾件, 塑料用量都在不斷地增加. 並且隨著工程塑料硬度, 強度, 拉伸性能的不斷提高, 塑料車窗, 車門, 骨架甚至更多的汽車關鍵性部件都在採用塑料, 因此以塑代鋼是汽車輕量化重要的發展趨勢之一.
按地域劃分, 車用塑料製品在汽車領域的應用主要分布在美國, 西歐, 日本和中國;按塑料製品類型劃分, 在汽車上應用最多的是工程塑料和通用塑料, 其中聚丙烯(PP)製品在各大地域的應用是最廣泛的;聚氨酯(PU)作為發泡材料在汽車行業中的應用也十分廣泛, 根據IHS Markit 數據顯示, 聚氨酯在各個國家汽車材料中佔兩成左右, 汽車內飾上聚氨酯用量非常之大. IHS Markit化工部副總監徐徐認為: '聚氨酯泡沫消費量按地區分布的話, 中國無疑是最大的市場, 個人認為, 聚氨酯材料是汽車用非金屬材料中受市場波動影響最小的, 預測未來幾年內, 聚氨酯材料在汽車用量當中還會正增長. '
彈性體在汽車領域可以分為兩大類: 一類是輪胎應用還有一類是非輪胎的應用. 汽車輪胎市場是橡膠最大的終端市場, 基本上有70%的橡膠用於了輪胎市場. 中國在天然橡膠和合成橡膠市場都佔據最大比例, 因此, 中國是全球最大的橡膠市場, 這也是受我國最近幾年汽車產業和輪胎產業蓬勃發展的影響. 我國的天然橡膠與合成橡膠的消費量巨大, 但是自給能力呈現截然相反的狀態.
在非輪胎應用領域, 三元乙丙橡膠(EPDM)和熱塑性聚烯烴彈性體(TPO)有著廣闊地應用. 數據顯示, 2001年至2015年, 全球乙丙橡膠產量和汽車產量走勢基本平行, 某種程度上, EPDM的生產狀態也可以反映整個汽車市場的狀態. 但是我國的EPDM產能相對較低, 依賴於進口.
隨著 '以塑代鋼' 輕量化思路的深度應用, 介於橡膠和塑料之間的熱塑性彈性體(TPE)的研發與應用也越來越成熟, 越來越廣泛. 2016年全球熱塑性彈性體消費量, 已經達到了600萬噸, TPE的發展與汽車產業的發展有很大關係, 因為TPE的總消費量分布中, 有43-44%是用於汽車行業. 其中廣泛應用於密封條和導槽的TPV 產品在未來市場具有挖掘的潛力.
總而言之, 汽車輕量化是全球汽車市場發展的必由之路, 據高盛集團預測, 到2025年, 整車製造企業(OEMs)生產的每輛車將減重約200公斤以滿足相應需求. 在眾多的輕質化材料中, 橡塑材料作為非金屬材料, 在汽車輕量化中將起到越來越重要的作用.
安全環保與輕量化不可偏廢其一
2014年, 全球交通運輸業的碳排放量佔到了29%, 是僅次於重工業的能源企業, 說明汽車工業在碳排放比例中佔到了相當大的比例, 而汽車非金屬材料作為輕量化的有效手段被越來越普遍地應用. 與此同時, 汽車非金屬材料的蓬勃發展, 也要重視一些問題.
隨著消費者對車內氣味VOC的要求不斷提高, 車內空氣質量強標的推進, 內飾件VOC管控成為各主機廠, 內飾件產業面臨的挑戰.
在汽車VOC這一塊, 隨著國家強標的修訂工作的持續進行, 以及車內空氣質量首次納入了國六的管理, 對於整車企業來說, 控制整車企業的VOC符合法律標準的壓力越來越急迫. 車內氣味是各大主機廠最為關心的一塊領域, 無論是第三方研究機構發布的研究報告還是消費者的投訴情況來看, 車內氣味作為消費者對於車型主觀化的一個評價, 對於車企來說, 如何改善車內空氣質量也是非常重要的.
中國汽車技術研究中心數據資源中心王雷認為: '在汽車研發階段是不會出現問題的, 它出現問題是在量產過程中某一批次的產品, 因為工料的問題造車了車內氣味讓消費者不舒服. '
汽車零部件和車內裝飾材料中所含有害物質的釋放, 包括汽車使用的塑料和橡膠部件, 織物, 油漆塗料, 保溫材料, 粘合劑等有可能會造成VOC的超標. 這些材料中的揮發性物質可以在汽車使用過程中不斷釋放, 持續幾個月甚至幾年. 有研究表明, 按照新國標要求的限值, 整車VOC超標主要集中表現為乙苯, 二甲苯超標, 其中密封條, 天窗, 門鎖, 座椅, 頂襯, 工藝膠對整車VOC含量有很大 '貢獻' , 因此這些部件也是整車VOC控制的重點零部件.
王雷介紹: '對於企業來說要做到整車VOC的一個管控, 不管是VOC還是氣味我們會把目標分解到主要的二三十種內飾的零件, 再逐級分解到初始的原材料, 就是我們的車內非金屬材料, 對於大多數整車企業來說, 管控體系已經基本建立完備了, 採取逐級篩選, 縱向管控的方式, 整車企業達到VOC國家標準的壓力並不是很大, 企業的重心放在怎麼在國家標準的基礎上, 更進一步的提升整車的VOC性能. '
另一方面, 在整車VOC的控制中, 對原材料的優化是根本措施, 但同時除原材料本身的配方對VOC的影響較大外, 零件的成型工藝和後處理工藝也會影響零部件的揮發物含量, 因此VOC的控制從原材料的合成, 改性, 加工, 零件的製作, 裝配, 存儲, 運輸, 零件在整車上的裝配, 設計製造全環節都會影響到整車的VOC. VOC的整改需要整個產業鏈的變革和管控力度的加強來支援.
除此之外, 建立統一的材料檢測標準以及明確的評價指標也不可缺少.
生物材料與3D列印技術前景廣闊
在汽車環保與輕量化的目標之下, 對於新材料和新工藝的開發越來越得到企業的重視. 而生物材料和3D列印技術的進步給汽車產業帶來更光明的前景.
在生物材料方面, 採用聚乳酸PLA+PC, 大豆發泡聚氨酯等生物材料, 是公認的環保型友好材料, 這樣可以盡量降低二氧化碳的排放, 降低汽車車內的空氣汙染. 創辦於1985年的鑫達集團, 已經成功將生物基材料應用於輕量化, 鑫達集團董事總經理代汝軍介紹說: '生物基材料將玉米, 甘蔗等作為澱粉的來源合成聚乳酸, 作為可降解的材料分解成水和二氧化碳. 另外植物纖維的應用也可以降本減重, 比如稻殼兒, 秸稈都可以磨成粉添加到材料中, 不僅達到輕量化的要求, 還可以降低成本. '
鑫達除研發生物材料外, 還聚焦3D列印技術的開發. 3D列印技術源於上世紀七十年代的美國, 是一種以數字模型檔案為基礎, 運用粉末狀金屬或塑料等可粘和材料, 通過逐層列印的方式來構造物體的新型成型技術. 3D列印技術相較於傳統技術, 具有多樣化, 節省材料, 製造技能簡單等特點, 是具有顛覆性的技術.
全球3D列印市場在2013年的市值是23億美元, 有望在2020年達到86億美元, 其複合年均增長率(CAGR)為20.6%, 同時, 醫療, 航空, 汽車, 教育等領域將成為3D列印市場的最大增長點. 據了解, 到2022年全球醫療3D列印市場規模將達到38.9億美元(約合人民幣260億人民幣). 市場研究公司Allied Market Research通過一份報告給出了預測, 未來5年, 汽車3D列印市場將以21.8%的複合年均增長率快速發展, 最終到2022年全球規模達23.9億美元.
代汝軍談到3D列印技術在汽車領域的應用時說道: '一輛車從規劃設計, 定型生產, 中期改款到最終下線, 過程中需要經曆多次修改, 驗證, 在此期間需要進行製造許多樣件, 傳統方法採用快速成型技術, 耗時高, 成本高, 而利用3D列印技術可有效降低成本, 縮短研發周期. '
在整車設計環節, 與3D列印技術結合的案例有東風公司採用3D列印技術列印整套汽車內飾, 裝配在樣車上供專業人員對外觀進行評審, 也開放到車展上供觀眾參觀並收集觀眾意見, 以用於後期的設計優化參考. 吉利汽車採用3D列印技術製作了空調HVAC總成和風道總成, 綜合測試空調系統的風量大小, 風量非配的合理性, 除霜風口出風方向風速的準確性. 3D列印技術除了在設計階段, 樣件的製造外, 可以直接生產車用的外飾件, 內飾件, 功能件等, 比如標緻Fractal概念車在車內飾上使用了大量的3D列印的零部件……
作為專業從事高分子複合材料研發生產銷售的企業, 鑫達的產業規劃是打造中國汽車用高分子複合材料產銷第一;另外在創新生物可降解材料方面打造從丙交酯, 聚乳酸到複合乳酸產業鏈最全, 中國行業內產銷第一;而且要達到創新高分子材料3D列印耗材品種最全, 國內行業產銷量第一.