值得关注的非主流汽车新材料

■ 中国合成树脂供销协会段庆生

　　汽车轻量化已经成为汽车工业实现更高效资源利用、体现车企竞争力的根本体现。如今，大量针对汽车轻量化的新型材料已经在汽车内外饰件、结构件、功能件等获得广泛应用。其中，各种新型材料及其加工技术的应用开发，如碳纤维复合材料、长纤增强塑料、连续纤维增强塑料、高性能改性工程塑料、高光免喷涂材料、低VOCs材料等，为汽车工业提供了丰富的轻量化解决方案。特别值得关注的是，各种新材料的应用，离不开各种辅助材料、添加剂等“非主流”材料的助力。很多时候，这些“非主流”材料的应用可以为轻量化产品开发与应用带来事半功倍的效果。笔者在K 2016现场收集了一些针对这些方面的材料创新，并介绍如下。

关注1：碳纤维应用辅助材料

　　碳纤维是当前汽车轻量化研发关注的热点，在关注碳纤维材料本身的应用开发过程中，选择材料、结构化设计、加工制造体系之外，加工制造与应用过程中的各种辅助材料，都可能显著改善加工工艺或应用性能。
    碳涂覆体系　　Berlac集团推出的Berlac Basco涂覆体系采用极耐久的透明底层涂料，一次涂覆就可形成较大的涂层厚度，从而可以高效、经济地遮盖复合材料的表面缺陷。专门针对这种底层涂料和基材定制的高透明表层涂料，能够保护材料，保证达到汽车行业所需的适当的抗耐性。底层涂料和表层涂料都可以方便、高效地进行打磨、抛光处理，从而达到A级表面质量。
　　Berlac Basco碳涂料已批准用于汽车行业内饰和外饰产品。这种体系还可用于需要经济地涂覆碳纤维复合材料，以及要求具有高表面质量的各种工业场合。
    慢作用活化剂 Brüggemann Chemical公司开发的稳定剂可支持汽车行业向轻量化结构发展的趋势。与BRUGGOLEN?誖C10催化剂相结合，即使使用极小量的慢作用活化剂BRUGGOLEN?誖C25，与标准BRUGGOLEN?誖C20P相比也可以将开模时间延长一倍，因而可以更好地填充难模塑的材料，如碳纤维无弯曲纤维织物。
    改善碳纤维性能的添加剂　　高性能复合材料以可持续发展的方式助力当前汽车行业轻量结构的开发。例如，SCONA 系列BYK添加剂可改善碳纤维在复合材料（聚丙烯或聚酰胺等）中的性能，从而可为高端汽车车身开发最佳技术方案，详见图1。其主要优点是可大幅减轻轻量结构的重量，提高机械性能，从而大幅减少排放。
    碳纤复合材料粘接剂汉高公司的粘合剂Loctite EA 9065具有粘接车顶部件所需的高剪切强度。其还可以有效地粘合各种基材，包括钢和铝，以及纤维增强塑料或聚酰胺类热塑性塑料复合材料。
    Loctite EA 9065具有高碰撞耐久性，可以调配成快速固化材料。因而其适用于大批量汽车系列的自动化应用。除了可以针对特定树脂定制的复合材料粘合剂外，汉高还为各类纤维和织物增强复合材料制造基体树脂，以及粘结剂和脱模剂。

关注2：透明材料性能改善

　　车灯已经广泛地使用透明塑料材料。车灯的使用环境，对于材料的耐温有着极高的要求之外，各种光学的影响因素往往更为复杂。
    新型防反射涂料　　Fraunhofer研究人员展示了一种新型防反射涂料，可以大幅减少塑料透镜的漫射光和反射，不仅可改善相机和汽车大灯的性能，而且对虚拟现实技术和工业4.0也非常有益。
　　 Fraunhofer IOF科学家展示了一种新型用于曲面塑料透镜的抗反射涂料，详见图2。这种涂料可以将塑料光学部件表面的折射率降低到约1.1，几乎达到与空气完美的过渡。研究人员的实验证明，用Fraunhofer IOF开发的抗反射涂料处理透镜后，与传统透镜相比，光线通过量大幅增加。
    玻璃状防涂鸦永久阻隔涂料　Merck公司的tutoPromTM表面涂料是一种透明涂覆体系，可形成超薄玻璃状表面，对光滑、不吸附表面进行永久防污染保护。其用于内饰产品，以及公共交通外饰产品防止涂鸦，还用于保护建筑立面、轮船船体、汽车和公共场合的艺术品，使其免受环境条件的不利影响。

关注3：表面修饰技术

　　感观已经成为影响人们购买行为的一个重要因素。正因如此，金属光泽、高光效果、汽车氛围灯，甚至各种清凉触感、舒适体验等等都成为设计师需要考虑的因素。
    免喷涂外饰为了寻找一种高性能、耐久，同时美观的材料，两家跨国汽车设备供应商与INEOS Styrolution展开了合作，选取Novodur HH-112和Luran S 778T SPF30作为雷诺Trafic尾灯的材料。
    Novodur HH-112是INEOS Styrolution公司的高耐热ABS，由于具有良好的加工性能和使用性能，在尾灯和壳体应用场合已应用了十几年。所采用的α-甲基苯乙烯-(AMSAN)耐热改性剂，使灯罩能够满足OEM对高韧性和极高耐热性的要求。Novodur HH- 112在金属镀覆和焊接工艺中也具有优异的性能。
    Luran S是INEOS Styrolution公司的苯乙烯-丙烯腈共聚物(ASA)，性能经过了长期实际验证，在汽车行业用于外饰免喷涂产品，如前格栅、保险杠格栅、雾灯、尾灯反光镜、后视镜、车顶轨道、导流板和侧立柱。除了高韧性和耐冲击强度外，所开发的这种特种Luran S 778T SPF30还可较长时间保持外观美观和功能性性能，如耐冲击和耐热性能。
    镀铬外观塑料表面为了形成一种高级金属外观，Nanogate公司的N-Metals?誖Chrome技术平台可为电镀部件提供环保替代解决方案。该技术不使用污染环境的材料，如三氧化铬或镍。
    N-Metals?誖Chrome为各种表面、结构和物质提供高质量的多功能金属镀层。这种以设计和功能性为重点的创新工艺主要应用于汽车行业、白色家电和卫生与设计领域。环保物理气相沉积（PVD）薄镀层技术与湿化学镀覆方法相结合，可实现优异的功能性和漂亮的外观。

关注4：特殊添加剂

    塑料材料在应用过程中，面对加工性能、应用环境等不同的挑战，针对性地开发相应的专用加工助剂成为高效实现应用功能的一个重要途径，越来越多的公司开始投入这种特殊添加剂的开发过程中。包括目前市场关注度极高的车内空气质量，控制VOCs的排放，也可以通过应用适当的添加剂进行控制。
    流动促进剂 Brüggemann Chemical公司的新型流动促进剂BRUGGOLEN?誖TP-P1507可大幅提高增强聚酰胺的流动性，同时保持极好的机械性能。尤其是玻璃纤维填充量较高时，该助剂可大幅改善加工性能，同时具有极好的拉伸强度、刚度和韧性。例如，加入BRUGGOLEN?誖 TP-P1507后，50%玻璃纤维增强聚酰胺6的流动螺旋长度可增加一半以上。增强材料所需的机械性能，如耐冲击强度、弹性模量、拉伸强度和拉断伸长率基本上没有变化。
    耐热添加剂 Polyscope公司是苯乙烯-马来酐(SMA)共聚物的世界领先生产商，现在正在扩充其XIRAN?誖耐热添加剂系列。XIRAN最初是用于提高ABS和ASA的耐热性能，现在也可成功地提高其他苯乙烯类聚合物的耐热性，如聚苯乙烯（PS）和苯乙烯-丙烯腈共聚物(SAN)，以及聚甲基丙烯酸酯(PMMA)。
    Polyscope公司最近增加了一个新牌号，其可进一步提升耐热性能。新牌号的玻璃化转变温度(Tg)为198℃，可以在高加工温度下加工，与苯乙烯类聚合物具有优异的相容性。
    光、热屏蔽材料 Clariants公司的AddWorks ATR 146是一种新型光、热屏蔽材料，用于汽车内饰塑料件，以顺应OEM提高耐久性，降低环境VOCs含量的新兴趋势。这种无硫材料可赋予填充PP配混料极高的光、热稳定性，在性能及可持续发展性方面树立了新的标杆，几乎使热稳定持续时间增加一倍，降低VOCs排放。AddWorks ATR 146成功地通过了热老化标准试验，采用较低用量时，在150℃下老化700 h后表面无裂纹，同时VOCs排放量极少。

关注5：功能++

    实现功能性是塑料应用之所以能够实现金属或其他材料替代的一个基本要求。真正要实现最高的利用效率，每一个应用都涉及到多种因素，这些因素既可能是基于使用条件的要求，也可能是为了实现更高效率的应用。
    高机械性能的无卤阻燃PBT 长期以来，无卤阻燃PBT配混料的性能一直不如采用含卤阻燃体系的相同材料。但是出于环保原因，它们仍然在众多应用场合中使用。如今，其性能已大幅改善，现在从技术方面来看是实用的替代材料。一个例子是保根(Pocan)BFN玻璃纤维增强配混料，朗盛公司采用该材料扩充其阻燃热塑性塑料产品种类。朗盛公司阻燃PBT材料专家Alexander Radeck解释说：它们具有较好的电性能、优异的热稳定性和UV稳定性，但它们的机械性能稍差一些，可以通过调节玻璃纤维的用量达到含卤阻燃剂类材料的性能。”
    低厚度条件高阻燃 Tosaf公司新阻燃添加剂FR7607PC的LDR（降低比）为5%~7%，其足以使PC材料在1.6 mm厚度时达到UL94 V-0级，而用Tosaf公司成熟的多功能牌号FR3997PC改性的PC仅能在2mm以上时达到这一标准要求。对建筑行业的应用而言，这意味着用更薄、更轻的PC片材就可以满足当前的阻燃标准要求。同时，FR7607PC可为用于电气和电子行业的小壁厚注塑部件铺平道路。
    尽管这一材料的应用非针对汽车轻量化应用，但针对汽车轻量化的一些功能应用，具有所需性能的更薄产品往往也能实现更佳的轻量化。
    超高焊接性朗盛公司为焊接塑料件开发了四种聚酰胺和两种PBT配混料。针对罩下应用场合以及大规模生产对这些新材料进行了优化。
    杜力顿（Durethan）BKV 30 XWP可满足工艺可靠性、IR中焊接强度和耐焊性、振动和加热工具焊接等方面的较高要求，其抗弯强度稍高于标准聚酰胺6 Durethan BKV 30 H2.0。潜在的应用场合包括进气歧管和模块。
    相比BKV 30 XWP，Durethan BKV 30 XWP HV (高粘度)的优点是熔体粘度较高，这在振动和加热工具焊接时是一个重要优点，因为这样就加宽了这两种方法的工艺条件范围。这种配混料可形成极高机械强度的焊接。例如，两台四缸发动机进气歧管的爆破强度相比由标准聚酰胺6（30%玻璃纤维填充）制造的同等产品得到改善，一个改善了16%，另一个改善了近40%。

关注6：可持续

    可持续发展最主要包括两个方面的材料应用：生物基材料的高性能应用；回收材料的高性能回收与再利用。
    高耐热聚乳酸（PLA） Corbion展出的应用包括来自Nager‐IT的一种新型生物塑料鼠标，以及来自SUPLA和Kuender的著名生物塑料触摸屏计算机，而且还将展出来自Roechling和PlanturaTM的高性能罩下和汽车内饰部件，以及来自Synbra的BioFoam冲浪板。这些产品展示了高耐热PLA应用场合的性能潜力。
    高性能回收相容剂到目前为止，从性能和总成本方面来看，回收混合塑料废料常常被证明是不可行的。杜邦公司为这一重要问题带来了新的解决方案，即其系列新型EntiraTM EP共聚物。这些基于乙烯共聚物的高性能相容剂能够将回收聚烯烃的性能提升到新材料的水平。

    加入EntiraTM EP相容剂后（质量分数一般为3%~7%），可将PE污染物与PP基体结合到一起（反之亦然），形成均匀的回收树脂，从而可提高由这种升级回收树脂制造的制品的性能和表面特性。
    除了用于回收聚丙烯-聚乙烯共混物外，这种相容剂还在工业化应用场合用于增容PP和聚乙烯醇缩丁醛(PVB)。例如，PVB回收领域的法国领先企业Hainaut-Plast公司将该添加剂用于多种应用场合，如汽车隔音部件等。
    独特的工艺添加剂美国Struktol公司是聚合物添加剂全球领先供应商，为再生/回收塑料以及含有回收材料的聚合物配混料开发了独特的工艺添加剂。
    Struktol公司在其添加剂产品系列中新增了用于回收聚丙烯的添加剂。STRUKTOL?誖RP 38是一种新型多功能体系，采用了降低粘度的技术，含有润滑剂和气味控制剂。其在较低用量下就可显著降低粘度。润滑剂基础组分可改善配混料挤出过程中的加工性能，以及提高模内流动性和脱模性能。产品的气味控制剂可帮助降低回收聚合物在加工过程中和加工后的气味。
    CRP Repair 4.0 纤维增强塑料(FRP)在汽车结构中的用量愈来愈大，因而汽车行业和车辆维修车间需要经济的维修方法。亚琛工业大学与7家研究机构和约50家工业公司密切合作，正在开发识别和评估损伤的新技术。该项目还包括维修材料的定制生产（即所谓的补丁），以及实际维修，包括质量评估。
    该项目按照工业4.0原理：价值链中涉及的所有组件都必须设计成可以灵活地适应不断变化的要求，而且以能够相互通讯的方式连接。由于采用了新方法，所以形成了全新的经营模式，同时还对开发成果进行检验。
    损伤记录基于采用各种原理的非破坏性试验获取的数据的自动融合。对数据自动进行评估，获取处理损伤区域的指令。维修时，适合特定车辆和损伤类型的补丁形式的维修材料通过定制的大批量生产系统制造。之后补丁送往维修车间，采用新开发的维修和质量评估工艺进行维修。在将来应当开发适当的支持系统来辅助完成这类工作。