据中国汽车工业协会统计,自2009年起,我国已连续10年成为全球最大的汽车产销国。2017年我国汽车产销量分别为2901.5万辆和2887.9万辆,同比分别增长3.2%和 3.0%。2019年,受中美贸易摩擦影响,汽车行业下滑严重。未来汽车的发展趋势包括轻量化、智能化、自动化、共享化,这要求汽车在保证安全的前提下,实现轻量节能、智能交互显示(智能中控设计)、多彩化设计、配件环保无毒而且可回收利用。显然,传统的汽车玻璃及配饰由于比重大、可设计性不强等问题,已经无法满足未来汽车的发展需求。因此,需要发展新材料以推动汽车行业的发展。
在众多工程塑料中,聚碳酸酯(PC)由于具有优良的综合性能,在汽车领域已经大显身手。聚碳酸酯是一种分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物,外观呈透明、白色或微黄色,无定形、无味、无毒;制品刚硬、耐冲击、韧性良好、吸水率较低、力学性能优良;耐热性和耐寒性较好,应用温度范围为-60~120℃,热变形温度为135℃左右;有较好的电绝缘性,不易燃,有自熄性;具有一定的耐酸碱及有机溶剂的性能。由于这些特殊性质,聚碳酸酯成为五大工程塑料中发展速度最快的通用工程塑料。汽车领域是聚碳酸酯材料主要的下游应用之一。聚碳酸酯主要应用于汽车的照明系统和内外饰中,在智能化中控系统也有一定的应用。聚碳酸酯通过增韧、增强、阻燃、合金化等改性,可显著提高阻燃性和强度等性能,使得改性材料广泛应用于汽车零部件、OA产品、电子电器产品等。
PC用于汽车车窗
塑料作为车窗玻璃一种全新的轻量化解决方案,不仅能减重、降低油耗和排放,而且可彰显个性。聚碳酸酯以其独特的光学特性、耐冲击性、耐候性、质量轻、强度高等特性不断冲击着传统车窗玻璃的地位。与传统汽车无机玻璃相比,聚碳酸酯材料的优势相当明显,主要表现为更加轻量化、可设计性强、韧性更高。但也存在一定的劣势,例如耐溶剂性较差,易开裂;表面硬度较低,长期接受风沙雨雪的磨损,易雾化;抗UV性能差,长期暴露室外易老化、黄变,影响车身美观。通过聚碳酸酯改性技术,可以有效地改善这些劣势。并且相对于无机玻璃,其设计更为灵活,可实现分部件模块化集成,满足人们对汽车美观和个性化的需求。
根据欧洲、美国及日本的标准,从整车安全角度考虑,由于有事故逃生的需求,聚碳酸酯材料不能应用于前风挡玻璃窗和B柱前的侧窗。B柱后的侧窗对此没有禁止,但目前还没有成功应用的案例。后三角窗、后风挡玻璃窗、层叠式天窗和全景天窗是目前聚碳酸酯主要的应用部位。美国Sabic-IP公司指出,采用聚碳酸酯可以革新车窗的设计和安装位置,以及开启车窗的机械系统。加之聚碳酸酯重量比玻璃轻,在发生碰撞事故时不会伤及人员等优点,因此推广应用前景极好。据专家估计,未来10年内,新型聚碳酸酯汽车车窗玻璃将形成50亿~60亿美元的市场。目前,聚碳酸酯在汽车全景天窗、后风挡玻璃、侧窗以及车身上那些有深色玻璃质感的配件方面有了显著的发展。根据《2018中国聚碳酸酯行业发展蓝皮书》统计,目前聚碳酸酯车窗已经在很多商业化车型上获得了大量应用,如德国大众宝时捷卡雷拉赛车特别版的后窗、梅赛德斯宾士C级运动轿跑的透明车身面板、SmartFortwo后窗、Smart Forfour全景天窗和后窗,法国标志208 HYbrid FE车窗(非门窗)、雪铁龙DS5后方窗、意大利布加迪威龙16.4 Grand Spor跑车的全景天窗、日本丰田汽车86 GRMN运动汽车特别版的后方窗、本田汽车多款思域汽车的后窗、日本电动汽车制造商GLM公司的电动跑车Tommykaira ZZ跑车的无A柱前风窗等。
但由于聚碳酸酯抗UV性和耐化学性差,且易被刮擦,需要在聚碳酸酯表面增加涂层以保证车窗的优异耐候性及耐刮擦性能。在工业实践中,迈图公司的AS4000、PHC587C和AS4700F涂层系统应用于聚碳酸酯车窗已经被广泛认同(如SmartForTwo、Mercedes SLK的天窗涂层)。这些涂层能够满足汽车工业的要求,并且其长期稳定性已经得到证实。
PC用于汽车内饰
改性聚碳酸酯由于具有优异的耐热性、耐冲击性、刚性和良好的加工流动性,在汽车上主要用于汽车内饰和外饰。其中用途最为广泛的是PC/ABS合金和PC/PBT合金。PC/ABS合金可用来制造汽车仪表板周围部件、防冻板、车门把手、阴流板、托架、转向柱护套、装饰板、空调系统配件等汽车零部件。PC/PBT合金可制作汽车排气口和牌照套。
(1)仪表板
仪表板是集安全性、功能性、舒适性和装饰性于一体的零部件,需要材料具有足够的刚性、耐沖击性、耐高低温性、耐老化磨损等性能。通常,硬仪表板主要采用PP、PC、ABS、PC/ABS等材料一次注塑成型,常用于大货车、客车以及轻、小型货车上。软质仪表板由表皮、骨架、缓冲层等构成,一般采用PVC/ABS或PVC表皮+ABS或PP骨架+发泡缓冲层。日本三菱瓦斯化学株式会社开发出几款聚碳酸酯基仪表盘。通过采用带硬化层的聚碳酸酯复合材料,使得设计的仪表盘功能更加多元化、色彩更加绚丽,而且屏幕可触摸控制、外观可设计,实现了仪表和CID一体化设计,成功制备出大型一体化曲面屏。
(2)立柱装饰板
一般轿车车身有3个立柱:前挡风玻璃和前车门之间的斜立柱为A柱(又称前柱),前车门和后车门之间的立柱为B柱(又称中柱),后车门和后挡风玻璃之间的斜立柱为C柱(又称后柱)。A、B、C柱不仅是撑起驾驶舱车顶的柱子,而且对驾驶舱内的成员有重要的保护作用。A、B、C柱的装饰立柱一般为PP材料,部分高端车型考虑到更高的安全要求采用PC/ABS材料。西班牙的Maier S. Coop.选择 ELIX Polymers 生产的新款ABS/PC混合物制造车辆立柱外饰板,该款立柱外饰板还将被用于德国知名制造商即将推出的高档车型上。
(3)门护板
门护板的主要功能包括:包覆金属门板,提供优美外观,满足人机工程、舒适性、功能性和方便性,在侧碰时提供适当的能量吸收保护,对车外噪声提供屏蔽作用等。目前门板饰条、内门拉手及开关控制台等主要选用PC/ABS、电镀PC/ABS、耐热ABS等。其中,PC/ABS树脂是车内门把手发展最快、应用最广的材料。此款合金具有PC的高强度和ABS的易电镀性能,主要分为电镀和喷涂两种类型。经过电镀的PC+ABS材料制作的门把手表面更具金属感,看起来更高档。目前,这款材料仍然是国内把手材料的主流。
PC用于汽车外饰
(1)进气格栅
作为汽车的关键部件,散热格栅不仅具有散热功能,还要求表面流畅、美观大方,选用的材料需要具有优异的耐候性、耐刮擦性、韧性和加工性。进气格栅常用材料为ABS或者PC/ABS合金,这两种材料都具有良好的电镀性能。高光类基材选用耐候性能优异、经特殊设计的高光ASA、高光PMMA合金和高光PC,配合高度抛光的高光模具,可在满足耐候、耐刮擦、保证韧性的前提下,实现高光黑又亮的炫目感,非常符合当下对外观、环保和时尚的要求。
(2)外后视镜
视镜镜体主要由壳体、镜面和固定盖板等部分组成。由于装在汽车外,后视镜长期日晒雨淋,经历恶劣气候条件,在行驶过程中还要经受颠簸冲击,因此现在后视镜的材料选用要考虑温度、湿度、强度、冲击以及弯曲性能等方面的要求,同时还要求不易老化、耐腐蚀、注塑性能和喷漆性能强等。现在大多采用耐热ABS、PC/ABS、ASA、PBT+GF等材料。
(3)行李支架
汽车行李架是指安装在车顶便于系带大件物品的支架。为了在各种复杂受力的使用情况下不受破坏,行李架要求有足够的疲劳强度,以保证在汽车快速行驶及紧急刹车时,不致有严重的疲劳损伤。现在大多采用PC/PBT、PC/ASA、PC/ABS、ASA等。
(4)汽车车灯
聚碳酸酯在车灯上的应用很广。聚碳酸酯系列材料在大灯中的塑料类材料中占比50%左右(重量比)。在车灯中,聚碳酸酯主要应用在前照灯和雾灯的透镜及外配光镜。聚碳酸酯具有优异的冲击性和透明性,力学性能和电绝缘性能好,使用温度广泛,尺寸稳定性高,耐蠕变性高。车灯内部结构导致不同部位具有一定的温度差,部分反射镜和饰圈的温度可能会达到100~190℃,所以在选材时一般都会选择PC和PC-HT。
(5)保险杠
保险杠是汽车上较大的外覆盖件之一,作为一个安装在汽车上的独立总成,它对车辆的安全防护、造型效果、空气动力性等有着较大的影响。PP/EPDM共混料由于价格低廉、易加工成型和优良的柔韧性,在汽车保险杠中应用最广,而PC/PBT合金因其吸能效果更佳也使用于部分高端汽车的保险杠部件。
(6)尾翼
PC/ABS具有出色的加工性能和机械性能,在汽车尾翼中应用广泛。
新能源汽车的电池保护外壳和充电桩外壳
聚碳酸酯在新能源汽车上的应用除了上述提到的车灯、车窗和内外饰以外,在电池保护外壳和充电桩外壳等方面也有大量应用。
(1)电池保护外壳
动力电池系统用来给电动汽车的驱动提供能量。作为汽车的能量存储装置,它由一个或多个电池包以及电池管理系统组成。动力电池模组是动力电池系统的次级结构之一,由动力电池单体经串、并联方式组合并加保护线路板及外壳后组合而成。未来模组外壳塑料会向轻量化和设计集成化方向发展,这要求材料具有更好的力学性能,以及更易成型为薄壁件的特性。PC/ABS合金是模组外壳塑料的首选材料之一,其耐热性和耐候性满足了新能源汽车模组外壳的使用要求,为客户的电池减重需求提供了一个切实可行的方案。
(2)新能源汽车充电桩
充电桩的特殊使用环境(日晒雨淋、高低温变化、腐蚀性物质接触等)对应用于充电桩上的工程塑料提出了许多新的要求,例如良好的机械性能、环保阻燃性、长期耐候性、绝缘性、耐高低温沖击性和良好的着色性等特点。经过阻燃改性的聚碳酸酯和聚碳酸酯合金材料是充电桩壳体和枪壳体的主要选择。其中经阻燃改性的PC/ABS、PC/ASA、PC/PBT等合金材料被认为是替代现有大部分合金外壳的理想材料。充电桩外壳产品以塑代钢的应用将为该产品提供更加灵活的设计自由度,并大幅降低生产成本。
未来展望
随着能源危机的来临,汽车轻量化是汽车领域的全球发展趋势,我国应该加快完善聚碳酸酯在汽车领域中的相关法规,推动聚碳酸酯在汽车领域的广泛应用。通过聚碳酸酯在汽车领域的创新应用研究,未来汽车将更加美观和智能化。随着自动驾驶汽车的发展,汽车数字化和网络化比重加大,聚碳酸酯在汽车内部显示器、触摸屏和外观设计领域应用会越来越大。尽管聚碳酸酯行业拥有广泛的创新应用,但机遇与挑战并存。在我国乃至全球经济转型趋势的不断推动下,全行业应当致力于通过更为创新化、可持续化、数字化的领先产品和技术,为市场创造出更经济可行、轻便耐用、具有成本竞争力的聚碳酸酯解决方案。