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改性PP:车用材料大有可为
2018年16期 发行日期:2018-08-16
作者:■ 郑州宇通客车股份有限公司 张乾

    PP是最重要的汽车用塑料。目前,主流中级轿车中的PP类材料约占整车塑料用量比例的50%。在典型的乘用车中,以PP为原料生产的汽车塑料零部件有60多个,例如车身内装件、通风取暖系统的配件、发动机有关部件以及外装件(如汽车转向盘、仪表板、前后保险杠、冷却风扇、蓄电池壳、暖风管道等)。然而,纯PP材料在实际应用时多有局限,为此,改性PP材料应运而生。目前,汽车上采用PP材料的部件大部分皆采用改性PP材料。随着汽车工业的迅速发展,汽车用改性塑料的用量越来越大,2016年我国汽车总销量为2812万辆,汽车用改性PP用量约为155万吨。  

改性PP优势显著
   
    在改性PP材料中,长玻璃纤维改性PP(LGF-PP)最为常见,几乎所有的主机厂均有采用LGF-PP材料的成功案例,其应用涵盖了前端模块、保险杠梁、仪表板、车门模块、底护板、电池托架等各个部位。该材料特点如下:
   (1)密度小、强度高。例如,尾门常用的LGF-PP材料密度在1.2 kg/m3左右,仅为SMC的1/4,钢材的1/6,而其弯曲模量可以达到8000 MPa以上。
   (2)结构设计自由,可以成型出复杂结构和曲面,实现优化的刚度质量比,达到很好的减重效果。
   (3)生产效率高,可以满足大规模生产的要求。
   (4)耐热稳定性好。该种材料长期使用温度达100℃以上,甚至可以满足发动机舱的环境应用要求。
   (5)表面质量较好。成品表面质量可以达到内饰板的标准,作为结构件可以直接外露而无需内饰件遮盖。
   (6)材料利用率高达95%,生产损耗小。
    鉴于以上优点,LGF-PP材料在汽车上的应用越来越广。

PP在汽车车身关键模块的应用
   
    发动机罩盖
    鉴于发动机罩盖高达120℃左右的工作环境温度,以及机舱内刹车油、发动机冷却液、汽油等化学介质侵蚀的环境和行驶过程中的高频率的颠簸震动,发动机装饰罩盖一般采用PA6+GF30作为材料。近期,在上汽通用五菱某款车上也实现了PP+LGF30替代PA6-GF30,成本降低30%左右,重量降低22%左右,未来有望取得更广泛的应用。
    前端模块
    汽车前端模块主要起承载冷却模块及发盖锁的作用,随着集成化程度越来越高,越来越多的零件都要固定在前端模块上,比如前大灯、缓冲块、正碰传感器、小腿保护杆、前缓冲梁等。如果继续使用传统的金属材料,难免会大大增加重量和成本。长玻纤增强PP材料(LGF-PP的一种)可以完全取代金属材料用于前端模块上,达到轻量化目的,减重达30%~50%。目前。大众和马自达等合资企业已有较普遍的应用,各大自主品牌车企也在积极研发。采用PP+LGF30 注塑成型前端支架,将散热器、喇叭、冷凝器、托架等前端部件整合成为一个零件,相比传统金属件更耐腐蚀,密度小,重量减轻约30%,具有更高的设计自由度,实际生产过程中具有明显的降本、减重优势。目前,大众、福特、上汽车用FC-883 项目、长安逸动、奇瑞艾瑞泽7前端模块上已经实现长纤维增强PP材料的应用。
    尾门
    多年来,人们对塑料尾门的材料改进进行了许多尝试和应用。第一代塑料尾门GMT技术由于与目前环保理念相悖,目前其大规模生产受到一定制约。各个公司开始尝试第二代解决方案。第二代尾门采用聚丙烯塑料作外板,内板由LGF-PP构成。该LGF-PP材料采用注塑成型技术制作尾门内板。LGF-PP材料的诸多优点使得该材料目前成为塑料尾门主流方向。目前,采用该技术的已量产的车型主要有:新一代日产奇骏、宝马i3、福特Kuga、标志雪铁龙308s、雷诺新Clio、斯巴鲁R1、日产奇骏、福特KUKA等。
    蓄电池托架
    蓄电池托架位于机舱内部,应用环境与发动机装饰罩盖类似。传统蓄电池托架一般采用钢板冲压成型,因而较重。长玻纤增强PP材料应用于汽车蓄电池托盘,可以减轻零件重量、降低蓄电池振动噪声并减少蓄电池托盘的腐蚀,此外还方便了包装运输和生产装配,具有良好的实用价值。其中,PP+LGF40较其他塑料材料更适合用于蓄电池托盘,不仅可以实现零件轻量化的目标,而且可以成型较为复杂的结构。目前,采用该技术已量产的车型主要有:五菱宏光、五菱之光、日产骊威、科鲁兹、英朗等。

PP在汽车外饰件上的应用
   
    保险杠
    汽车保险杠按照材质软硬程度可分为软质保险杠和硬质保险杠,其中,硬质保险杠主要采用改性PP注射成型制备,主要适用于中、低档汽车。鉴于PP的耐低温冲击性能较差、收缩率较大、不耐磨且易老化的特点,可通过增强、增韧或填充的方法,满足汽车保险杠的要求。目前,国内汽车保险杠一般采用PP+无机填料+增韧材料混合而成的复合材料制作。所用无机填料多为滑石粉、碳酸钙及云母等,其目的是提高复合材料的尺寸稳定性、刚性和耐高温性;增韧材料主要是POE和EPDM等,其目的是提高材料的韧性和耐低温性。
    挡泥板
    挡泥板是汽车的外用零部件,在性能上必须符合技术指标,还应满足实际应用环境的使用要求。其材料必须具备较好的抗拉强度、断裂伸长率、耐撕裂强度、低温冲击性能、耐热性等。目前,挡泥板所采用的材料多为改性PP或高密度聚乙烯(HDPE)材料,单个重量在400~500克。PP材质为原材料制作生产的挡泥板,抗扭曲断裂强度高,使用寿命长,非常适合汽车特别是越野车、跑车等使用。例如,日本的Bel和Pao车均采用PP/PA合金做挡泥板,可在线涂覆,降低了成本。
    脚踏板
    目前,商用车脚踏板大量采用铝制材料,其成型难度大,质量重且成本较高。为更好实现汽车零件的轻量化,可以考虑采用强度较高、成型容易的长玻纤增强PP 材料替代铝制材料。有研究人员根据金属脚踏板的使用性能和安装要求,对长玻纤增强PP材料脚踏板进行了结构设计,改进了成型模具,优化了成型工艺,并进行了老化性能、疲劳寿命及装车道路试验。结果表明材料满足相关要求,与金属脚踏板相比,长玻纤增强PP材料脚踏板减重50%,成本降低20%。长玻纤增强PP材料替代铝制材料作为脚踏板前景可期。
PP在汽车内饰件上的应用
 
    仪表板
    汽车仪表板材料在强度上要求能承受各种仪表和音响设备以及管线接头等负荷,并能耐前挡风玻璃透过来的太阳光辐射热和发动机散热引起的高温;在安全性能上,要求仪表板具有吸收冲击能、防眩和难燃等性能。目前,欧、美、日、韩和我国自主品牌乘用车仪表板主要采用改性PP,主要成分是PP、橡胶增韧剂和矿物粉填充剂。
    有研究人员发现,对于包覆仪表板的塑料骨架,采用LGF-PP复合材料比传统矿物填充PP 材料强度更高、弯曲模量更高、流动性更好,在满足相同技术边界下可以采用更薄的壁厚而达到相同的效果,减重约20%。目前,福特KUGA仪表板采用PP+LGF20材料通过Mucell工艺生产,实现单个零件降重0.45千克,降本约20元,宝马、奔驰、奥迪、标致也有车型有类似应用。
    车门内饰盖板
    汽车车门内饰盖板主要分为左前门板、右前门板、左后门板、右后门板4个部分。欧美日韩和我国自主品牌的门内板主要采用LGF-PP。采用LGF-PP取代金属门内板,具有设计自由度高、耐腐蚀、降低噪音的效果。采用PP+LGF30材料生产的门模块可以集成多个原件,例如门锁、车门玻璃升降器、扬声器、防盗装置等,相比传统设计可以减重30%。
    方向盘
    汽车方向盘要求材料具有一定的冲击强度、耐热性和耐寒性。PP材料可以应用于方向盘,但未经改性的低温抗冲击性能差的PP,不宜在寒冷地区使用。为了改善PP的应力开裂和低温冲击性能,可以在PP树脂中加入玻璃化温度较低的柔性聚合物或橡胶。研究表明,采用顺丁橡胶改性PP制得的汽车方向盘专用料,其冲击性能得到明显提高,且加工性能优良,着色力强,产品外观美观,目前三菱等车型已采用了该技术。
    车门拉手底座
    车门拉手底座多采用短玻纤增强工程塑料PA66-GF30作为制作材料。有研究人员使用长玻纤含量为30%-40%的LGF-PP替代PA66-GF30制作的车门拉手底座,重量减轻14.2%~19.5%、材料成本降低约26%~39%,降低了在成型过程中所需要的能耗,在外观、尺寸、机械性能和热性能等方面均符合要求。可以推断,LGF-PP在车门拉手底座上具有广泛的应用前景。

PP复合材料性能提升是关键
   
    未来汽车的发展将以减轻车身重量、减少尾气排放和车用材料绿色环保为主基调。PP复合材料的基础材料——PP基料,其性能好坏直接决定PP复合材料的综合性能。因此,开发各类新型PP基料或提高PP基料性能来实现PP复合材料性能提升,将是未来的发展方向之一。笔者认为,两种类型的PP基料应当予以关注:
    一是高结晶PP。高结晶PP具有较高的强度,可以减少PP改性料中的增强填料的使用量,从而使复合材料的密度降低,达到节能环保的目的。目前国内虽有多家企业在开发此类产品,但性能均不及韩国LG等公司产品,因此汽车行业用高结晶PP主要依赖进口。
    二是高抗冲PP。高抗冲PP是具有高橡胶含量的共聚PP,其耐低温冲击性能与所含橡胶含量及橡胶形态密切相关。日本JPP公司采用HORIZONE工艺开发了NEWCON系列PP树脂,其乙烯含量最高可达20%,橡胶含量最高可达50%,具有极好的常温和低温冲击性能,是作为汽车保险杠及内饰件的极佳材料。我国也应当积极开发类似的高抗冲PP产品。
 
    随着国家油耗、排放及环保法规的出台,汽车轻量化成为每个主机厂必须面临和解决的问题,LGF-PP具有优异的综合性能,是当今复合材料发展的趋势之一,在汽车多个部件上具备应用的可能。合资品牌车在此方面的应用相对走在前列,自主品牌对LGF-PP也有一定研究,但实际应用仍需深入和扩大,只有解决好LGF-PP先进制备技术、零件设计和成型技术才能更好推动中国汽车轻量化的快速发展。


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