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車用聚丙烯材料性能分析與典型應(yīng)用
發(fā)布日期: 2017/10/19 15:28:27瀏覽次數(shù): : 2667 新聞編輯:
塑料是乘用類汽車常用的非金屬材料之一，在中級轎車，塑料的用量已經(jīng)占到整車質(zhì)量的12%到15%。在車用塑料中，聚丙烯是發(fā)展較快，應(yīng)用比例較大，使用頻次較高的塑料之一。以某款主流中級轎車拆解手冊數(shù)據(jù)為例，聚丙烯類材料約占整車塑料選用頻次的29%，聚丙烯類材料約占整車塑料用量比例的48%。因此，進(jìn)行聚丙烯類材料性能分析及典型應(yīng)用案例研究，對汽車零部件原材料開發(fā)具有現(xiàn)實意義。
傳統(tǒng)改性聚丙烯主要用于汽車大部件有保險杠、儀表板護(hù)板、門板、立柱等部件，長玻纖聚丙烯主要用在大部件汽車前端模塊、儀表板骨架。這幾個大部件PP用量，約占全車PP用量的一半，因此材料性能要求具有代表性。
針對前后保險杠本體的改性聚丙烯材料，行業(yè)已進(jìn)行了大量的研究，改性PP保險杠具有成本低、質(zhì)量輕、易涂裝、可循環(huán)使用等優(yōu)點。目前，北汽福田乘用車保險杠本體選材，主要采用PP EPDM-TD10或PP EPDMTD20兩種改性聚丙烯材料。通過添加10—20份的滑石粉，即可保證材料收縮率和部件尺寸穩(wěn)定;通過EPDM或POE彈性體增韌，又可保證部件有良好的低溫沖擊性。
隨著汽車輕量化的關(guān)注度日益提升，輕量化設(shè)計對塑料材料應(yīng)用提出了大量的新要求。保險杠可通過設(shè)計壁厚減薄而降重，這樣對熔融指數(shù)要求越來越高、對材料強度要求也提高;隨著降低成本壓力、環(huán)保要求日益嚴(yán)峻，免噴涂保險杠應(yīng)運而生，這對改性聚丙烯材料表面質(zhì)量，如耐劃傷性，等提出更高的要求。
（2）改性PP在內(nèi)飾件上的應(yīng)用分析
汽車內(nèi)飾件采用改性PP材料制作的大部件有儀表板、門板、立柱飾板等部件。針對儀表板本體及下護(hù)板、門板本體、立柱飾板等部件用改性聚丙烯材料，行業(yè)已進(jìn)行了大量的研究。新車型開發(fā)中，部件選材更多地結(jié)合車型定位、成本、法規(guī)、性能等綜合因素而定。比如，A級車(入門級乘用車)、B級車(中級乘用車)，由于目標(biāo)客戶及整車成本壓力、輕量化要求等，對零部件用材選材存在一定的差異。A級乘用類車型注重內(nèi)飾件的經(jīng)濟(jì)性，比如：一般多采用硬質(zhì)儀表板、硬質(zhì)門板、硬質(zhì)立柱，其表面一般沒有或有很少采用面料或皮革進(jìn)行裝飾。
因此，塑料件的耐熱氧老化、耐光老化、耐刮擦性、抗白痕性、抗發(fā)粘性等性能，基本由改性PP塑料粒子相關(guān)性能決定。以硬質(zhì)儀表板選材為例，材料以PP EPDM-TD20為主;力學(xué)性能方面，關(guān)注高模量高剛性高抗沖性;關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)：拉伸強度≧20MPa，模量≧1800MPa，缺口沖擊≧20kJ/m2。以門板本體和立柱飾板選材為例，材料一般為PP EPDM-TD20;高剛性中等模量中等沖擊性能，關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)：拉伸強度≧20MPa，模量≧1400MPa，缺口沖擊≧10kJ/m2。B級乘用類車型注重內(nèi)飾件的裝飾性，因此在儀表板骨架、門板、立柱飾板表面多加上面料或皮革裝飾件。
同時，總成性能的提升，需要(力學(xué)等)性能更加優(yōu)越的材料;隨著輕量化要求，部件輕量化設(shè)計需要更加輕質(zhì)的材料。比如：軟質(zhì)儀表板骨架選材，材料則以PP-LGF20為主;主要力學(xué)性能突出高模量高剛性，關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)：拉伸強度≧40MPa，模量≧4000MPa，缺口沖擊≧10kJ/m2。以門板本體或立柱飾板選材，主選材料則為PP/PE-TD16，或者PP/PE合金(根據(jù)需要可加入5—8份的滑石粉，以調(diào)節(jié)材料收縮率)。
隨著對車內(nèi)空氣質(zhì)量要求的提高，對車內(nèi)塑料飾件散發(fā)特性也越來越嚴(yán)。內(nèi)飾件散發(fā)特性包括氣味性、甲醛含量、冷凝組分、總碳含量。目前，汽車廠對改性粒子管控，主要參照德系VDA標(biāo)準(zhǔn)：比如氣味≦3級，甲醛≦10g/kg，冷凝組分≦2mg，總碳含量≦50μgC/g。在項目中，我們曾遇到改性PP粒子氣味檢測性合格，但塑料件氣味性超標(biāo)的案例。經(jīng)過產(chǎn)業(yè)鏈跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)在注塑時，一方面噴了過量的脫模劑引入雜味，另一方面注塑溫度過高，導(dǎo)致材料部分分解產(chǎn)生異味;最終出現(xiàn)改性PP粒子氣味性合格，但最終塑料件氣味不合格的情況。
因此，要解決塑料件的氣味性，往往需要汽車廠、零部件企業(yè)、原材料商三方共同努力。除散發(fā)特性之外，塑料件的耐熱氧老化、耐光氧老化、耐刮擦性、抗白痕性、抗發(fā)粘性等都屬于材料認(rèn)可時重點關(guān)注項目。比如，在汽車廠材料實驗，針對PP進(jìn)行的150℃耐熱氧老化測試，更多地是評價材料本身在長期使用條件下的可靠性。這需要在改性聚丙烯材料配方設(shè)計和加工過程前，充分考慮最終制品性能要求。
（3）PP-LGF在前端模塊上等部件的應(yīng)用分析
對PP-LGF(長玻纖增強聚丙烯)材料的研究與應(yīng)用，是近年來的熱點之一。PP-LGF材料中，玻璃纖維長度一般可達(dá)15mm到30mm，形成三維交叉結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)決定性能，因此PP-LGF相比普通4—7mm短玻纖材料具有更高的強度、剛性、韌性等優(yōu)勢。對于汽車前端模塊，采用PP-LGF30材料，可將散熱器、喇叭、冷凝器、托架等前端部件組合成一個整體;相比金屬件耐腐蝕、密度小、重量輕，減重約30%;相比玻纖尼龍，有明顯的成本優(yōu)勢。
隨著汽車輕量化的研究與應(yīng)用，“以塑代鋼”、“以輕代重”都給PP-LGF材料提供了廣闊的發(fā)展空間。比如，李菁華等人研究了PP-LGF取代金屬制造腳踏板的可行性;楊宇威研究了PP-LGF取代PA66-GF30制造車門拉手底座的可行性，以及取代PBT-GF30制造霧燈殼體的可行性;李志虎等人研究了PP-LGF取代PA-GF在換擋機構(gòu)的應(yīng)用研究。其它汽車部件，比如車門板集成模塊、車頂窗框架/壓條、保險杠、汽車行李架、汽車蓄電池外殼/托架、轎車座椅骨架、齒輪箱外殼、汽車外飾鏡框架、汽車雨刷器支架等，都可選用PP-LGF材料代替金屬和尼龍材料。
聚丙烯材料性能分析與典型應(yīng)用
聚丙烯(PP)樹脂是由丙烯單體聚合而成的非極性的結(jié)晶類塑料。PP具有價格低廉、密度較小、容易加工和重復(fù)利用等優(yōu)點;但PP具有成型收縮率大、低溫脆性大、易老化等缺點。所以，通常采用物理或化學(xué)改性技術(shù)，添加滑石粉填充物、玻纖等增強材料、抗光/熱氧老化劑等助劑，提高聚丙烯材料的綜合性能，以滿足汽車部件性能要求。汽車用聚丙烯材料種類、特點及典型部件
汽車上除少量部件采用純PP樹脂加工外，大部分部件皆采用改性PP材料進(jìn)行加工。北汽福田車型選材推薦部件，如表1所示。
表1 乘車車用聚丙烯材料及典型應(yīng)用部位
傳統(tǒng)改性聚丙烯主要用于汽車大部件有保險杠、儀表板護(hù)板、門板、立柱等部件，長玻纖聚丙烯主要用在大部件汽車前端模塊、儀表板骨架。這幾個大部件PP用量，約占全車PP用量的一半，因此材料性能要求具有代表性。
從改性聚丙烯材料在相關(guān)部件的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行闡述
（1）PP EPDM-TD類材料在保險杠外飾件的應(yīng)用分析針對前后保險杠本體的改性聚丙烯材料，行業(yè)已進(jìn)行了大量的研究，改性PP保險杠具有成本低、質(zhì)量輕、易涂裝、可循環(huán)使用等優(yōu)點。目前，北汽福田乘用車保險杠本體選材，主要采用PP EPDM-TD10或PP EPDMTD20兩種改性聚丙烯材料。通過添加10—20份的滑石粉，即可保證材料收縮率和部件尺寸穩(wěn)定;通過EPDM或POE彈性體增韌，又可保證部件有良好的低溫沖擊性。
隨著汽車輕量化的關(guān)注度日益提升，輕量化設(shè)計對塑料材料應(yīng)用提出了大量的新要求。保險杠可通過設(shè)計壁厚減薄而降重，這樣對熔融指數(shù)要求越來越高、對材料強度要求也提高;隨著降低成本壓力、環(huán)保要求日益嚴(yán)峻，免噴涂保險杠應(yīng)運而生，這對改性聚丙烯材料表面質(zhì)量，如耐劃傷性，等提出更高的要求。
（2）改性PP在內(nèi)飾件上的應(yīng)用分析
汽車內(nèi)飾件采用改性PP材料制作的大部件有儀表板、門板、立柱飾板等部件。針對儀表板本體及下護(hù)板、門板本體、立柱飾板等部件用改性聚丙烯材料，行業(yè)已進(jìn)行了大量的研究。新車型開發(fā)中，部件選材更多地結(jié)合車型定位、成本、法規(guī)、性能等綜合因素而定。比如，A級車(入門級乘用車)、B級車(中級乘用車)，由于目標(biāo)客戶及整車成本壓力、輕量化要求等，對零部件用材選材存在一定的差異。A級乘用類車型注重內(nèi)飾件的經(jīng)濟(jì)性，比如：一般多采用硬質(zhì)儀表板、硬質(zhì)門板、硬質(zhì)立柱，其表面一般沒有或有很少采用面料或皮革進(jìn)行裝飾。
因此，塑料件的耐熱氧老化、耐光老化、耐刮擦性、抗白痕性、抗發(fā)粘性等性能，基本由改性PP塑料粒子相關(guān)性能決定。以硬質(zhì)儀表板選材為例，材料以PP EPDM-TD20為主;力學(xué)性能方面，關(guān)注高模量高剛性高抗沖性;關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)：拉伸強度≧20MPa，模量≧1800MPa，缺口沖擊≧20kJ/m2。以門板本體和立柱飾板選材為例，材料一般為PP EPDM-TD20;高剛性中等模量中等沖擊性能，關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)：拉伸強度≧20MPa，模量≧1400MPa，缺口沖擊≧10kJ/m2。B級乘用類車型注重內(nèi)飾件的裝飾性，因此在儀表板骨架、門板、立柱飾板表面多加上面料或皮革裝飾件。
同時，總成性能的提升，需要(力學(xué)等)性能更加優(yōu)越的材料;隨著輕量化要求，部件輕量化設(shè)計需要更加輕質(zhì)的材料。比如：軟質(zhì)儀表板骨架選材，材料則以PP-LGF20為主;主要力學(xué)性能突出高模量高剛性，關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)：拉伸強度≧40MPa，模量≧4000MPa，缺口沖擊≧10kJ/m2。以門板本體或立柱飾板選材，主選材料則為PP/PE-TD16，或者PP/PE合金(根據(jù)需要可加入5—8份的滑石粉，以調(diào)節(jié)材料收縮率)。
隨著對車內(nèi)空氣質(zhì)量要求的提高，對車內(nèi)塑料飾件散發(fā)特性也越來越嚴(yán)。內(nèi)飾件散發(fā)特性包括氣味性、甲醛含量、冷凝組分、總碳含量。目前，汽車廠對改性粒子管控，主要參照德系VDA標(biāo)準(zhǔn)：比如氣味≦3級，甲醛≦10g/kg，冷凝組分≦2mg，總碳含量≦50μgC/g。在項目中，我們曾遇到改性PP粒子氣味檢測性合格，但塑料件氣味性超標(biāo)的案例。經(jīng)過產(chǎn)業(yè)鏈跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)在注塑時，一方面噴了過量的脫模劑引入雜味，另一方面注塑溫度過高，導(dǎo)致材料部分分解產(chǎn)生異味;最終出現(xiàn)改性PP粒子氣味性合格，但最終塑料件氣味不合格的情況。
因此，要解決塑料件的氣味性，往往需要汽車廠、零部件企業(yè)、原材料商三方共同努力。除散發(fā)特性之外，塑料件的耐熱氧老化、耐光氧老化、耐刮擦性、抗白痕性、抗發(fā)粘性等都屬于材料認(rèn)可時重點關(guān)注項目。比如，在汽車廠材料實驗，針對PP進(jìn)行的150℃耐熱氧老化測試，更多地是評價材料本身在長期使用條件下的可靠性。這需要在改性聚丙烯材料配方設(shè)計和加工過程前，充分考慮最終制品性能要求。
（3）PP-LGF在前端模塊上等部件的應(yīng)用分析
對PP-LGF(長玻纖增強聚丙烯)材料的研究與應(yīng)用，是近年來的熱點之一。PP-LGF材料中，玻璃纖維長度一般可達(dá)15mm到30mm，形成三維交叉結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)決定性能，因此PP-LGF相比普通4—7mm短玻纖材料具有更高的強度、剛性、韌性等優(yōu)勢。對于汽車前端模塊，采用PP-LGF30材料，可將散熱器、喇叭、冷凝器、托架等前端部件組合成一個整體;相比金屬件耐腐蝕、密度小、重量輕，減重約30%;相比玻纖尼龍，有明顯的成本優(yōu)勢。
隨著汽車輕量化的研究與應(yīng)用，“以塑代鋼”、“以輕代重”都給PP-LGF材料提供了廣闊的發(fā)展空間。比如，李菁華等人研究了PP-LGF取代金屬制造腳踏板的可行性;楊宇威研究了PP-LGF取代PA66-GF30制造車門拉手底座的可行性，以及取代PBT-GF30制造霧燈殼體的可行性;李志虎等人研究了PP-LGF取代PA-GF在換擋機構(gòu)的應(yīng)用研究。其它汽車部件，比如車門板集成模塊、車頂窗框架/壓條、保險杠、汽車行李架、汽車蓄電池外殼/托架、轎車座椅骨架、齒輪箱外殼、汽車外飾鏡框架、汽車雨刷器支架等，都可選用PP-LGF材料代替金屬和尼龍材料。
結(jié)論
改性聚丙烯根據(jù)汽車部件性能要求，可分為增韌類、礦物填充類、玻纖增強類、聚丙烯/聚乙烯合金等;汽車塑料件的關(guān)注要點，可轉(zhuǎn)化成改性聚丙烯材料特征。需結(jié)合配方設(shè)計、加工工藝、后處理工藝等綜合考慮，來滿足汽車塑料件性能要求;隨著對乘用車空氣質(zhì)量要求的提高，低氣味聚丙烯類內(nèi)飾材料的開發(fā)與應(yīng)用是今后重點發(fā)展方向之一;隨著汽車輕量化，改性聚丙烯材料將進(jìn)一步拓展應(yīng)用，長玻纖增強聚丙烯代替金屬、玻纖尼龍材料具有明顯的減重降本優(yōu)勢。
