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干货 | 聚丙烯(PP)材料在汽车零部件上的应用与展望

发布日期:2020-09-11 15:37:47 来源:找塑料 分享到:

新材料研习社报道,随着汽车工业的快速发展,轻量、舒适、绿色、环保成为汽车工业发展的主要方向。汽车轻量化技术能够减轻车身重量、降低油耗,是实现节能减排的重要措施之一。目前,汽车零部件更多地采用塑料材料替代笨重、昂贵的金属构件,“以塑代钢”成为解决汽车工业发展要求的最佳方案,汽车塑料化程度已经成为衡量汽车设计和制造水平的重要标志。


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在当前的车用塑料中,聚丙烯是用量最大、使用频次最高、增长速度最快的品种。聚丙烯在汽车工业中用量迅速增长是因为其密度小、体积轻、设计空间广,绿色环保、性能优异及其制造成本低


聚丙烯在汽车外装饰件的应用特点是以塑代钢,减轻汽车自重。聚丙烯是一种由丙烯聚合(均聚PP)或丙烯和乙烯共同聚合(共聚PP)而成的无臭、无毒、半透明的聚合物,其结构式如图1所示。


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聚丙烯按甲基(-CH3)空间排布的位置可分为等规聚丙烯(Isotactic polypropylene)、无规聚丙烯(Atactic polypropylene)和间规聚丙烯(Syndiotactic polypropylene)三种。聚丙烯具有优良的柔韧性、耐化学腐蚀性、耐热性、介电性能,以及高强度的机械性能和高频绝缘性,且不受湿度的影响,聚丙烯的种类及性能如图2所示。


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目前,为了进一步改善聚丙烯的性能,通常采用化学改性(共聚改性、交联改性、接枝改性、添加成核剂等)或物理改性(添加有机或无机助剂等)改变高分子组分与大分子结构、晶体构型或填充、共混、增强等来实现性能优化。改性聚丙烯根据特点和功能可分为长玻纤增强聚丙烯材料、免喷涂聚丙烯材料、聚丙烯微发泡材料、高溶体强度聚丙烯、环保阻燃聚丙烯材料、抗菌聚丙烯、耐刮擦聚丙烯材料,及低气味、低VOC聚丙烯材料等。



01

聚丙烯的车用优势


性能优势

聚丙烯在强度、刚度、硬度、耐热性上均优于聚乙烯;能够在100℃的温度下正常使用,具有良好的尺寸稳定性、热稳定性、较好的力学性能、较高的耐冲击性、机械性质强韧,化学稳定性良好且不受湿度影响。聚丙烯外观透明而轻,密度为0.89~0.91 g/cm3,是目前塑料中最轻的品种之一。


因此,采用聚丙烯替代传统的金属材料可以进一步实现重量的降低。另外,由于近年聚丙烯改性技术的发展使聚丙烯在汽车工业的发展占据绝对优势。


环保优势

聚丙烯为无毒、无味、无臭的乳白色透明高结晶聚合物,属于环保材质。聚丙烯不仅可回收再利用,而且在聚丙烯主链上含有叔碳原子,在高温和氧化作用下能够产生分子链分解反应,使聚丙烯具有降解特性,大大地降低了白色污染带来的环境问题。


成本优势

聚丙烯的生产原料来源路径多样,主要有油、煤、甲醇、丙烯等。煤制聚丙烯是 目前聚丙烯中增长最快的一种原料来源方式,如图3所示。

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由于我国煤炭资源丰富,且煤炭的价格较为稳定,煤制备聚丙烯成本浮动小。同时,聚丙烯容易加工成型,生产工艺简单,其生产成本远远低于现有的其他塑料材料。



02

车用聚丙烯的改性研究


聚丙烯是汽车领域应用的核心基材,但由于聚丙烯的性能缺陷,包括收缩率大、容易产生翘曲变形、低温易脆断等,决定其必须通过改性才能满足车用部件的特殊需求。聚丙烯的改性原理是基于车用零件的具体要求,优化基体树脂的结构和组成,采用化学或物理方法来进行改性。


长玻纤增强聚丙烯

长玻纤增强聚丙烯是采用长度为 10~25 mm的玻璃纤维与基体树脂进行复合而形成的改性聚丙烯复合材料,与普通聚丙烯材料相比,通过玻璃纤维增强的聚丙烯的机械性能能够得到成倍甚至数倍的提高,能够与ABS塑料的相关产品相媲美。
长玻纤增强聚丙烯具有更好的耐热性能,且成本远低于ABS塑料;另外,长玻纤增强聚丙烯的高温耐疲劳强度甚至比以耐热性著称的玻纤增强尼龙高出10%,同时兼具更优异的抗翘曲特性。普通聚丙烯与长玻纤增强聚丙烯的性能对比如表1所示。


发泡改性聚丙烯

发泡改性聚丙烯是以聚丙烯材料为基体,通过物理或者化学的方式使塑料中间层密布尺寸十到几十微米的封闭微孔结构。

发泡改性技术突破了传统聚丙烯的诸多局限,可以减轻制品的质量和成型周期;同时使制品具有内应力、翘曲小的特性,在注塑成型中更平整、笔直和稳定;另一方面,由于微孔的支撑作用,使材料的抗冲击性能和抗压吸能性能更优异,在受到多次连续撞击和挠曲变形后能够很快恢复原始形状。


低气味、低VOC聚丙烯

低气味、低 VOC 聚丙烯材料的研究是车用塑料发展的一个重要方向,尤其针对处于相对封闭空间的汽车内饰用聚丙烯材料,对聚丙烯提出了绿色、环保的要求。低气味、低 VOC 聚丙烯是通过在填料、加工助剂的选择、成型及后处理工艺等各个环节上来优化以减少小分子的产生,从而控制气味的产生。


免喷涂聚丙烯

免喷涂聚丙烯是在聚丙烯基体中通过熔融共混的方式加入具有不同显示效果的金属粉、陶瓷粉、高光色粉等,使其能够自带特殊的色彩,具备高光泽的特性,免喷涂聚丙烯能够应用于汽车的外饰件。



03

聚丙烯材料在汽车领域的应用


保险杠(bumper)

保险杠作为汽车的重要组成部分,承担着吸收和缓和外界冲击力的作用,保障驾驶员的自身安全。在进行保险杠加工时,常选取聚丙烯或改性聚丙烯材料作为保险杠的材质,如图4所示。


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聚丙烯保险杠的成型工艺普遍采用注塑和吹塑,注塑成型生产效率较高,能赋予保险杠刚性;吹塑成型使制品具有刚性和弯曲强度的同时,外观质量也能得到大幅改善。


聚丙烯作为质轻材料,用于制作保险杠能在一定程度上减轻汽车的自重,而且聚丙烯的抗弯曲性能、耐腐蚀性能对延长保险杠的使用寿命起到无可替代的作用;同时,聚丙烯具有黏弹性,吸收冲击能量大,可以应对不同程度外力的作用,增强汽车的安全系数。


Kim G H等探索了玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的应变速率力学性能及其对汽车保险杠梁结构性能的影响。通过采用有限元仿真分析软件LS-DYNA对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料进行了冲击仿真实验,验证了可以通过使用应变速率精确预测玻璃纤维增强聚丙烯复合材料保险杠的冲击响应。


Ramaswamy K等研究了来自全球三家不同供应商的聚丙烯微发泡材料的机械性能的差异,通过实验模拟了聚丙烯微发泡材料保险杆模型在各种载荷条件下的性能变化,了解了各供应商之间聚丙烯微发泡材料性能之间的差异对应用于低速保险杠的影响。


GovindarajK等选择滑石粉作为无机矿物填料,用来制备滑改性聚丙烯共聚物(PPCP),将PPCP材料用于薄壁前保险杠集成式格栅构件,验证了设计结构的耐久性,并对产品的关键技术指标进行了验证,该设计完全符合规格要求。基于PPCP材料的薄壁前保险杠集成式格栅部件减轻了车身400g的重量,从而有效实现低排放和低成本。



挡泥板(fender)

汽车挡泥板的主要作用是防止在行车过程中泥土溅到车身、拉杆、球头上。当泥土飞溅到挡泥板上时,则容易引起生锈,并且在外力冲击时挡泥板容易被破坏。采用聚丙烯或改性聚丙烯材料用于挡泥板,由于聚丙烯柔软、耐冲击、耐腐蚀的特点,挡泥板用聚丙烯材料可以有效防止生锈,保持挡泥板的美丽外观。另外,外力冲击时容易引起变形,不容易直接毁坏部件,如图5所示。


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聚丙烯挡泥板的成型工艺与挡泥板的结构和尺寸有很大关系。从工艺角度看,目前国内外汽车挡泥板的成型工艺主要包括冲压、折弯、焊接、注塑、滚塑等


Shunichiro I的发明提出了一种聚丙烯类树脂组合物,其中聚丙烯的含量为75~97%。本发明的聚丙烯类树脂组合物的模制品在汽车工业,尤其是在汽车零部件,诸如挡泥板、门板、车顶等部件上具有很好的适用性。


Inal M等提到低流动聚丙烯均聚物(LPPH)是一种广泛应用于汽车的热塑型塑料,由于其高的抗冲击性能,在汽车工业上常用作其缓冲作用的挡泥板原材料。



仪表板(instrument board)

仪表板作为汽车设计的重要环节,是一个集装饰性、功能性、舒适性、安全性为一体的核心部件。作为汽车的内饰构件,仪表板直接面对驾乘人员,对驾乘人员的安全起着重要作用。


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由于聚丙烯优良的刚性和出色的韧性,通过挤出和注塑成型制作的聚丙烯仪表板,既可以保证仪表板在使用过程中不出现变形,又可以增加气囊有限爆破的难度,保证驾乘人员的安全,如图6所示。


Yang B等的发明公开了聚丙烯组合物的制备方法,将该聚丙烯组合物制成薄膜或片材,可以应用于汽车的内饰零部件,如仪表板、辅助仪表板等。聚丙烯薄膜或片材可以与仪表板的气囊门区域结合在一起,提高仪表板与气囊之间的焊接力,提高用于仪表板气囊门的冲击阻力,防止安全气囊门的破裂。


Noh J G等发明了一种用于汽车内饰构件的聚丙烯树脂组合物,其具有优异的涂料黏合性,无须底漆处理就可以直接涂漆在汽车内饰构件的表面,如仪表板表面等,并且具有极好的抗冲击破坏性、优异的刚性和较低的重量,可以有效降低汽车内饰构件的重量。



风扇叶片(fanblade)

汽车发动机的冷却风扇叶片是保证汽车发动机使用寿命的关键构件。风扇叶片的质量直接影响发动机的冷却效果和工作噪音的大小。聚丙烯风扇叶片具有重量轻、噪音低、寿命长等优点,并且叶片形状可以通过注塑成型制成各种有利于空气流动的飞机机翼形。因此,聚丙烯塑料成为汽车发动机风扇压片的首选塑料材料,如图7所示。


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Yan X等通过采用注射成型工艺制备了玻璃纤维和玄武岩纤维增强的聚丙烯杂化复合材料。由于玻璃纤维、玄武岩纤维增强的聚丙烯复合材料在汽车工业中有的应用备受欢迎,在汽车发动机风扇叶片上的应用则是最为典型的代表。



其他应用(other)

聚丙烯及其改性聚丙烯材料除了在汽车保险杠、挡泥板、仪表板及风扇叶片上的应用外,在汽车上的应用还包括前端模块、换挡器座底、底护板、天窗排水槽、发动机罩盖、排档盒底座、后视镜支架、车门内板、座椅护板、门护板、柱护板、包裹架护板、后护板、油箱、散热器水室、油门踏板、卡车保险杆支架等。



04

聚丙烯材料在汽车领域亟待解决的技术难题和发展方向


聚丙烯通过增韧、填充、增强、共混等改性方法可得到性能各不相同的材料,在汽车外装饰件、内装饰件、功能与结构件上得到了广泛的应用。目前,市场上新能源汽车的保有量不断上升,前景十分广阔。


面对“国六”即将全面到来,随着汽车制造水平及消费者对汽车安全性、舒适性及审美的要求,对聚丙烯材料的性能提出了更多、更高的要求,低密度、薄壁化、微发泡、高强度、低气味是目前车用聚丙烯材料亟待解决的技术难题和未来主要的发展方向



05

结语


汽车塑料的用量是衡量一个国家汽车生产技术水平的关键指标。聚丙烯材料凭借其高性价比和优越的性能,在车用塑料中扮演着不可替代的角色。越来越多的汽车零部件采用聚丙烯材料替代金属制件,以促进汽车工业的减重节能,提高汽车的美观舒适度。本文阐述了聚丙烯及其改性材料在汽车领域的应用研究现状,以及未来在汽车领域的发展方向。



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