工程塑料在汽车领域的典型应用与发展

汽车用塑料零部件主要分为三类:内饰(装)件、外饰(装)件和功能件。通用塑料是汽车用量最大的塑料品种,工程塑料则是汽车应用发展最为迅速的品种,也是发展潜力最大,关注度最高的品种。Plastics is being applied in vehicles to reduce weight, thereby improving fuel economy and minimizing emission. Within three major types of plastics parts used in a ca

典型应用

尼龙(PA)

PA具有很高的冲击强度及优异的耐摩擦性、耐热性、耐化学药品性、润滑性和染色性等综合性能,尤其是经纤维增强或制成合金后,其强度、制品精度、尺寸稳定性等都有很大的提高,主要品种是PA6、PA66、PA11、PA12等产品。

在汽车工业中,PA主要应用于汽车发动机及其周边部件。发动机周边的零部件主要是发热和振动部件,要求能承受-40℃∼140℃的环境温度,而且要耐砂石冲击和盐雾腐蚀,以及各种油、洗涤剂的侵蚀。

进气歧管

进气歧管是改性PA在汽车中最为典型的应用,主要采用PA6和PA66。1990年德国宝马汽车公司首先将GF增强PA进气歧管应用在六汽缸发动机上。之后美国福特公司与杜邦公司合作,共同用玻璃纤维增强PA66制造的进气歧管应用在V6发动机上。印度塔塔Nano进气歧管采用巴斯夫Ultramid工程塑料(以PA6、PA66和各种共聚物为基础的聚腈胺成型化合物)。

国内采用PA进气歧管的有上海大众的Passat、一汽的红旗以及吉利等。中国一汽已经建立了PA66进气歧管的加工生产线,宗申集团与天津大学合作成功开发出465QE汽油机塑料进气歧管,二汽和几个企业也在筹建。随着汽车行业的技术进步,其他汽车厂也会相继采用尼龙66进气歧管。这样,PA66产品在汽车行业的使用量会有一个较大的增长。

PA进气歧管有四大优点:一是轻,通常重量为铝合金的40%;二是快,由于构件内壁光滑有利于提高进气冲量,可使动力加速3-5%;三是省,PA进气歧管能带来良好气流,有助于汽油充分燃烧;四是廉价,成本比铝合金低20-35%。

制动管和油管

由于PA11管路具有质量轻、耐腐蚀、不易疲劳开裂、使用寿命长、安全方便、密封性好等优点,欧美国家广泛使用其作为汽车的制动管和输油管。中国大部分汽车采用PA11输油管。世界PA11、PA12的总产量约8万吨/年,其中40%用于汽车工业。

PA约占五大工程塑料总消费量的18.2%,中国PA66消费量和进口量在全球名列前茅,除PA66外,一些长碳链尼龙,如PA11、PA12的用量也在逐年增多,这些产品主要依靠进口。

聚碳酸酯(PC)

PC占五大通用工程塑料总消费量的56.1%,是唯一透明的工程塑料产品。目前PC主要以合金的形式应用在汽车内饰件和外装件,主要为PC/ABS,PC/PBT,PC/PET合金,主要应用在灯具、仪表标牌、遮阳板和窗玻璃等方面。

PC/ABS合金是最适合用于汽车内装件的材料,这是因为它具有优异的耐热性、耐冲击性、刚性及良好的加工流动性。PC/ABS合金也是制造汽车仪表板的理想材料,其热变形温度为110-135℃,完全可以满足汽车夏季在室外停放的受热要求。目前世界该种合金的产量约为7万吨/年,每年以约10%的速度增长。新一代的PC/ABS合金更兼具了耐水解稳定性、超低光泽以及耐化学溶剂等特性,甚至可以进行回收利用。

PC/PBT或PC/PET合金材料既有PC的高耐热性和高耐冲击性,又有PBT或PET的耐化学药品性、耐磨性和成型加工性,是制造汽车外装件的理想材料。PC/PBT汽车保险杠可耐-30℃以下的低温冲击,保险杠断裂时为韧性断裂而无碎片产生。弹性体增韧PC/PBT合金和PC/PET合金更适合制作汽车车身板、汽车侧面护板、挡泥板、汽车门框等。高耐热型PC/PBT合金和PC/PET合金的注射成型外装件可以不用涂漆。PC/PET合金还可制作汽车排气口和牌照套。

聚酯(PBT、PET)

PBT是五大工程塑料中起步最晚但发展最快的品种,主要集中在美国、西欧、日本和韩国。近几年随着中国几套大装置的投产,PBT产量大幅度提高。

PBT是半结晶材料,纯PBT的拉伸强度为50MPa,而GF增强PBT的拉伸强度可达170MPa。车用PBT一般都采用GF增强或无机填料改性,或与其它高分子材料共混改性。

PBT被广泛用于生产保险杠、化油器组件、挡泥板、扰流板、火花塞子板、供油系统零件、仪表板、汽车点火器、加速器及离合器踏板等部件。PBT具有极高的表面光泽度,完全可以达到直接蒸镀铝层表面的要求,因而无需底漆处理,避免了底漆溶剂挥发造成的环境污染,已应用在奇瑞风云系列车型。

PET具有优良的机械性能,很少单独使用,大都采用GF增强或通过填充、共聚、共混等方法改性后使用。改性PET在汽车上的应用包括车门反射镜架、雾灯、音响喇叭、天窗边框和顶棚等。克莱斯勒将PET/PP/PS共混并GF增强后应用于该公司的吉普车的顶盖,使顶盖部件由原来的5个减少为2个,成本降低10%,生产率提高30%,且不需喷涂。

装饰圈材料过去一直以耐热PC材料为主,近年来逐渐被PBT/PET车灯材料所替代。

聚甲醛(POM)

目前国内POM的主要消费领域是家电及轻工业行业,汽车行业消费较少。随着中国工业化水平的进一步提高和市场应用的不断拓展,POM消费量必将进一步增长。

聚甲醛树脂是高度结晶的聚合物,主要用于定性要求比较严格的滑动和滚动机械部件。改性POM耐磨系数很低,刚性很强,非常适合制造汽车泵、汽化器部件、输油管、动力阀、万向节轴承、曲柄、把手、仪表板、汽车窗升降机装置、电开关、安全带扣等。

汽车底盘衬套,如转向节衬套、各种支架衬套、前后板簧衬套、制动器衬套等广泛采用POM型三层复合材料,它是以冷轧钢板为基体,以烧结多孔青铜粉为中间层,表面覆合改性POM作减摩层的三层复合材料,并轧出一定规律的储油坑。

聚苯醚(PPO)

在五大工程塑料中,PPO的规模与产量居末位。中国PPO供需缺口巨大,且工艺技术与国际水平差距大,2006年底蓝星化工新材料股份有限公司通过引进捷克技术建成国内第一套1万吨/年聚苯醚的大型工业化装置。

PPO在实际应用时大部分采用改性PPO(MPPO),工业化主导产品仍然是PPO/PS、PPO/PA、PPO/PBT合金。PPO/PS合金适用于潮湿、有负荷和对电绝缘要求高、尺寸稳定性好的场合,适合制造汽车轮罩、前灯玻璃嵌槽及尾灯壳等零部件,也适合制造连接盒、保险丝盒及断路开关外壳等汽车电气元件。

PPO/PA合金由于具有优良的力学性能、尺寸稳定性、耐油性、电绝缘性和抗冲击性等性能,可用于制作汽车外部件,如大型挡板、缓冲垫及后阻流板等。

PPO/PBT合金的热变形温度高,对水分敏感度小,是制造汽车外板的理想材料。

特种工程塑料

聚苯硫醚(PPS)

PPS强度高、综合性能优异,被视为汽车轻量化的理想材料。用于汽车功能件:点火器、加热器、汽化器、离合器、变速器、齿轮箱、轴承支架、灯罩、保险杠、风扇、排气系统以及反光镜和车灯座等零部件。可代替金属制作排气筒循环阀及水泵叶轮,气动信号调解器等。

聚醚醚酮(PEEK)

PEEK具有卓越的耐热性、耐摩性、吸收振动性,具有340℃的超高熔点及卓越的抗化学品抗水解特性。可用于活塞组、密封垫、垫圈、轴承、传动、制动和空调系统、传动装置、齿轮及电子传感器等。

发展趋势

低碳时代大步走来,在世界的各个角落引发了绿色风暴,其中汽车塑料材料的绿色环保主要体现在4个方面:材料的生物可降解性、可循环性、可再生性,以及汽车尾气的低碳排放。

复合型工程塑料

单一塑料已无法满足汽车工业中高应力件、高温件和外板等部件的使用要求,复合型工程塑料在汽车零部件上的应用显示出越来越强大的生命力。

玻璃纤维增强热塑性复合材料(GMT)

GMT片材在汽车工业中的应用达40多种,主要有座椅骨架、保险杠、仪表板、发动机罩、电池托架、脚踏板、前端、地板、护板、后牵门、车顶棚、行李托架、遮阳板、备用轮胎架等部件。

聚丙烯(PP)作为GMT复合材料的基体材料已经将近40年,但AZDEL Inc公司开发了以聚碳酸酯(PC)和聚醚腈亚胺(PEI)作为基体的低密度GMT产品,AG公司为短切毡引入了一种新的尼龙基体产品,代表了GMT新的发展趋势。新的GMT材料具有天生的阻燃性能和隔热性能,此外,它还具有韧性好、抗损伤能力高、成型周期短、生产效率高、加工成本低及不污染环境等一系列优点。

长纤维增强热塑性复合材料(LFRT)

LFRT在汽车中主要应用在保险杠、行李仓底板、蓄电池槽、车门、车身、座椅靠背、备胎架、发动机底座、仪表盘等。LFRT基体的使用范围更为广泛。泰科纳工程塑料为其LFRT生产线引入了一款新型基体材料,导电和不导电的POM和PPS,具有重量轻、价格低、易于回收重复利用的特点,代表了LFRT未来的发展方向。

碳纤维增强复合材料

碳纤维具有强度高、耐久性好、可靠性高和减重的优点。日本东丽工业公司(Toray Industries)从2010年底开始为丰田和富士重工两家公司生产的汽车车身供应碳纤维,这是碳纤维在日本规模化量产的汽车中的首次应用。另外富士重工会将碳纤维车顶作为斯巴鲁跑车的选配装置。但目前碳纤维的生产成本过高。

环保型塑料材料

随着汽车工业的快速发展,车用废旧塑料的回收是一大难题。今后应该重视和积极开展汽车废弃塑料件的回收利用技术的研究,开发环保型汽车用塑料将成为未来的研发方向。

以中国目前汽车保有量5000万辆计,据估算,国内每年报废总量在250万辆以上。全国有汽车拆解企业1000多家,拆下的巨量废塑料通过焚烧或是填埋的方法来解决。若能把这些数量的废塑料合理利用,不仅能解决环保问题,而且还能带来巨大的经济效益。


欧洲领先的PET聚酯生产商西班牙LSB公司联手两家西班牙汽车塑料零部件供应商,共同开发汽车行业内第一款可完全回收的PET树脂。丰田汽车公司使用环保生物塑料作为汽车内饰材料,成为全球首次使用生物聚对苯二甲酸乙酯的公司,该材料首次运用于2010年上市的雷克萨斯CT200h车型的行李箱衬里。

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