汽车轻量化 推动HDPE油箱专用料开发应用进程
□ 中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院大庆化工研究中心 黄 影 曹胜先
近年来，我国汽车产业持续、快速、健康发展，根据中国汽车工业协会发布的数据，2012年我国汽车产量为1927.18万辆，而到2013年已经突破2000万辆。随着汽车轻量化的要求以及塑料材料新产品的不断开发，塑料在汽车上的应用范围逐年增大，而燃油箱塑料化是现代汽车轻量化的一个重要方向。
由于塑料油箱较传统金属油箱具有更安全、耐腐蚀和使用寿命长的特性，适应了汽车轻量化的发展趋势，符合汽车燃油经济性标准，所以伴随着汽车工业的发展，塑料燃油箱获得了较快的发展。目前欧美等发达国家的汽车塑料燃油箱的使用率已达到90%，而我国目前塑料燃油箱的使用率达到70%左右。
目前塑料汽车油箱的主要原材料为高密度聚乙烯（HDPE），它也是HDPE中空吹塑制品中加工难度大、高附加值的产品之一。
车用塑料油箱的特点
汽车油箱是一个非常重要的安全部件，首先它要具备非常好的耐冲击性能，非常好的强度，不容易渗漏等。塑料燃油箱与金属油箱相比还具有以下特点：
（1）重量轻。通常，铁油箱的壁厚至少为1.2mm，汽车塑料燃油箱的平均壁厚为4mm。由于铁的密度为7.8g/cm3，再加上铁油箱外表面要做防锈处理，从而使其密度可达到8g/cm3，而HDPE塑料材料的密度为0.95g/cm3左右，因此一只同等容积的铁油箱比塑料油箱重2.5倍。
（2）防腐能力强。由于塑料具有很强的耐化学腐蚀能力，因此汽车塑料燃油箱不会因腐蚀而产生一些杂质，从而不会导致杂质通过供油系统进入发动机而导致发动机的损伤，降低其使用寿命。
（3）造型随意。随着汽车配置的越来越多，为了充分利用空间，现代汽车的外型设计变得越来越紧凑。与金属燃油箱不同的是，塑料燃油箱通常是采用一次吹塑成型的方式，可以成型出形状复杂的异形产品，因此有利于在汽车总体布置已经确定的情况下，根据现有的底盘剩余空间来成型出适合的燃油箱形状，并尽可能地增大燃油箱的容积，这是金属燃油箱无法比拟的。
（4）安全性高，不会因热膨胀而爆炸。目前，大多数的塑料燃油箱都是采用高分子量聚乙烯材料制造而成。这种材料的热传导性很低，仅为金属的1%。同时，高分子量聚乙烯具有良好的弹性和刚性，在-40℃和90℃的情况下仍可保持良好的机械性能经撞击后能自行回弹而不会产生永久变形，同时在磨擦或撞击过程中不会产生电火花而引起爆炸事故，即使汽车不慎着火，也不会因塑料燃油箱受热膨胀而发生爆炸，因此塑料燃油箱具有很高的安全性。
（5）生产成本低，加工工艺简单，不论多复杂的产品造型都可一次成型。正是由于塑料燃油箱具有不同于金属燃油箱的诸多优点，使得塑料燃油箱替代金属燃油箱、多层燃油箱替代单层燃油箱成为目前汽车工业发展的主流方向。
生产技术现状分析
世界上第一只汽车塑料燃油箱是由德国Volkswagen汽车公司、BASF公司和Kautex公司于20世纪60年代联合研究开发而成的，并在Porsche（保时捷）跑车上得到了成功的应用。此后汽车塑料燃油箱在经济发达的美国和欧洲得到了迅速发展和广泛应用，欧洲的制造商INERGY和KAUTEX TEXTRON公司一直是处于世界塑料燃油箱的领导者地位。随着汽车塑料燃油箱在北美和日本汽车市场的蓬勃发展，国外塑料燃油箱的比例已经达到90%以上。与之相比国内仍有很大的发展空间。
塑料燃油箱通常采用高密度聚乙烯为原料，而汽油的化学结构与HDPE类似，具有相容性，汽油中的一些有效成分会通过油箱的内壁渗透扩散出去，随着各国对环保和安全要求的不断提高，对塑料油箱阻渗性能的要求越来越严格。因此仅以HDPE材料制成的油箱并不能满足汽车油箱阻渗的要求，为此塑料燃油箱的生产技术也在不断发展。
（1）表面处理技术
这项技术主要是针对单层油箱，即在单层油箱吹塑成型后对其内壁进行表面处理，通常采用的方法有磺化处理、氟化处理、等离子体处理等。其中经磺化处理后可以形成20微米厚的阻透层，但长期阻渗性差；氟化处理是广泛使用的阻隔技术，它对非极性溶剂阻透性好，对极性溶剂的阻透性差些；等离子体处理技术是在HDPE油箱的内表面形成超高密度的阻透膜来达到目的。
（2）HDPE合金材料阻隔技术
单层HDPE合金材料阻隔技术是将HDPE与阻隔性材料PA(尼龙)或EVOH(乙烯/乙烯醇共聚物）共混，并加入少量相容剂混炼，经过中空吹塑设备加工制备成中空容器，在球晶熔体中加入片晶结构的分子，在容器壁内形成层状结构，使阻渗物呈非连续的薄片分布在HDPE材料中。但是这种阻隔效果并不是很理想。
（3）多层共挤吹塑技术
多层共挤吹塑技术是目前生产塑料汽车油箱广泛使用的加工方法，九十年代中期由欧洲研制成功，并投向市场。其特点是无污染，生产效率高，阻渗效果好，持久性强。
多层共挤塑料油箱可分为三层、五层、六层复合油箱。以六层复合油箱为例，包含HDPE内层/粘结层/PA或EVOH阻隔层/粘结层/回收料层/外层着色层。
目前，国内中高档轿车大都采用多层共挤塑料油箱，随着国家对汽车排放标准和环保要求的提高，多层共挤技术也在从原材料的选用等方面不断的改进，多层燃油箱替代单层燃油箱已成为目前塑料燃油箱的主要发展方向。
HDPE汽车油箱专用树脂的开发现状
塑料油箱属于汽车的重要安全部件之一,其材料应具备较好的力学性能，耐环境应力开裂性等，还应具备较好的抗渗漏性能。同时，在加工过程中还要具备较好的加工性能和较高的熔体强度。目前国内油箱生产企业所使用的HDPE油箱专用料均为进口，根据生产工艺及所使用的催化剂又可将HDPE油箱专用料分为两类：
（1）气相法工艺
Basell公司采用Lupotech G气相搅拌床工艺、铬系催化剂开发的4261AG产品。
（2）淤浆法工艺
JPE公司采用Innovene S工艺、铬系催化剂开发的HB111R产品；Phillip公司采用Phillips单环管淤浆工艺、铬系催化剂开发C579产品。
以上两种工艺所生产产品的熔体流动速率均在5.0~7.0g/10min（21.6kg），密度为0.945~0.950g/cm3，在国内油箱加工企业中均有使用，根据企业使用后的反馈信息来看，两种工艺所生产的油箱专用料的加工性能、力学性能、冲击性能等关键性能上没有明显区别。
由于油箱专用料的附加值较高，受市场利益驱动，国内企业也纷纷开展了油箱专用料的研究与开发工作。国内有中国石化的茂名石化分公司采用Phillips单环管浆液工艺生产的HXB4505和C579；中海壳牌采用Basell公司的Lupotech G气相法工艺开发了4261AG油箱专用料，目前均没有得到认证。
2012年由齐鲁石化分公司开发的汽车油箱专用料QHB18经检测各项性能指标与进口高端油箱专用料4261AG相当，在国内多家大型油箱厂进行了加工试验，可成型多种规格的单层、多层油箱，制品外观及性能满足厂家要求。
大庆石化分公司油箱料DMDA6045采用Unipol气相全密度聚乙烯生产，通过采用铬系催化剂，在气相全密度聚乙烯中试装置开发成功,目前已经在装置投入试生产。典型油箱专用料的生产企业、采用工艺及主要性能指标见表1。
尽管各大石化生产企业已经开发了多个牌号的HDPE油箱专用料，但是还远远没有达到市场化生产，还需要进一步提高产品的稳定性，加强市场推广应用。
表1 典型油箱专用料的生产企业、采用工艺及主要性能指标
序号 生产 采用 产品 MFR21.6kg， 密度 拉伸屈服 弯曲模量
企业 工艺 牌号 g/10min g/cm3 强度Mpa Mpa
1 德国Basell Lupotech G 4261AG 6.0 0.945 24.5 935
2 日本JPE Innovene S HB111R 5.9 0.945 22.8 935
3 道达尔 Innovene S MS201BN 6.3 0.948
4 中海壳牌 Lupotech G 4261AG 6.0 0.946
5 齐鲁石化 Unipol QI-IB18 4.0 0.947
6 茂名石化 Phillips HXB4505M 5.8 0.944
7 大庆石化 Unipol DMDA6045 6.1 0.946 24.4 1013
HDPE汽车油箱专用料的市场应用
HDPE汽车油箱专用料消费市场主要集中在华东、华南、东北地区。华东地区有扬州亚普汽车部件股份有限公司、芜湖顺荣汽车部件有限公司等油箱生产企业，年用料在4万~6万吨；华南地区有考泰斯塑料技术有限公司、八千代工业有限公司等油箱生产企业，年用料在1万~2万吨；东北有长春亚普、考泰斯等，年用料1万~2万吨，售价1.4万元/吨，全部依赖进口，进口产品主要是Basell公司的4261AG、JPE公司的HB111R等。
我国乘用车对汽车塑料燃油箱的市场需求达到千万只以上。按汽车多层复合塑料油箱重量6~10千克计算，目前我国汽车油箱专用料的年需求量约10万吨, 其专用料的售价约为1.3万~1.4万元/吨，超过通用料2000元以上，全部依赖进口，主要是Basell公司的4261AG、JPE公司的HB111R等。
结论 据中国汽车工业协会发布的数据显示，2013年汽车的产销量分别为2211万辆和2198万辆，已经成为全球第一大汽车生产消费国，但是塑料油箱专用树脂的开发却远远落后，目前国内大型石化企业尚没有市场化生产。随着石化企业对聚乙烯生产工艺、催化剂等方面的科技创新能力的不断提升，应加快HDPE新产品的开发力度，以逐步替代进口产品，为企业多创效益。同时从环保、节能的角度来看，将来中型、轻型货车使用塑料燃油箱的比例也会越来越高，这也将带来对汽车塑料燃油箱更大的市场需求，从而塑料燃油箱专用料的的市场需求也会越来越大。