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2014/11/12 11:14:44
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工程塑料改良加速 新材料滿足汽車更多需求
在當今汽車上，塑料代替昂貴的金屬材料在汽車上被廣泛應用已成為一種必然的發展趨勢。高強度的工程塑料不但降低零部件加工、裝配及維修費用，還使汽車更輕量化、節能和環保。數據顯示，塑料及其復合材料是最重要的汽車輕質材料，它不僅可減輕零部件約40%的質量，而且還可以使采購成本降低40%左右，因此近年來在汽車中的用量迅速上升。
工程塑料的機遇與挑戰
20世紀90年代，發達國家汽車平均用塑料量是100kg/輛-130kg/輛，占整車整備質量的7%-10%;到2011年，發達國家汽車平均用塑料量達到300kg/輛以上，占整車整備質量的20%;預計到2020年，發達國家汽車平均用塑料量將達到500kg/輛以上。
目前，汽車塑料中用量最大的通用塑料品種是聚丙烯(PP)、ABS樹脂、聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)。聚烯烴材料構成了汽車主要的塑料件，而且這種趨勢在今后將會越來越明顯。下面筆者將列舉幾種主流的汽車工程塑料解決方案，并對其特點進行解讀。
聚丙烯(PP)
PP可以用作多種汽車零部件，現在典型的乘用車中，PP塑料部件占60多個。PP汽車零部件主要品種有：保險杠、儀表板、門內飾板、空調器零部件、蓄電池外殼、冷卻風扇、方向盤，其中前五種占全車PP用量的一半以上。
聚乙烯(PE)
通過對高密度PE和低密度PE樹脂的接枝改性和填充增韌改性，得到了具有良好的柔韌性、耐候性和涂裝性能的系列改性PE合金材料。PE主要采用吹塑方法生產燃油箱、通風管、導流板和各類儲罐等。
近幾年PE在汽車上的用量基本沒增加，值得注意的是汽車輕量化的發展趨勢促進了燃油箱的塑料化。歐洲汽車上正式采用塑料燃油箱，其主要材料為高分子量高密度聚乙烯(HMWHDPE)。
ABS樹脂
ABS樹脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三個單體的三元共聚物，可以用于制作汽車的外部或內部零件如儀表殼體、制冷和采暖系統、工具箱、扶手、散熱器柵板等;它也可以用于制作儀表板表皮、行李箱、雜物箱蓋等。
近年來，ABS樹脂在汽車上用量的增幅不是很大，這主要是由于ABS樹脂和PP樹脂的競爭十分激烈，而且ABS本身也存在耐候變色性差、易燃等方面的缺陷，因此它在汽車上主要部件如汽車儀表板、格柵等方面的應用也受到限制。
聚酰胺(PA)
聚酰胺俗稱尼龍，具有很高的耐沖擊強度、耐摩擦磨耗特性、耐熱性、耐化學藥品性、潤滑性和染色性。作為汽車結構件，PA的用量不斷上升，并可應用在發動機周圍的苛刻環境下。
聚甲醛(POM)
具有優良的耐摩擦磨耗特性、長期滑動特性、成型流動性和表面美觀、光澤特性，也適用于嵌件模塑。汽車底盤襯套，如轉向節襯套、各種支架襯套、前后板簧襯套、制動器襯套等廣泛采用聚甲醛型三層復合材料，它是以冷軋鋼板為基體，以燒結多孔青銅粉為中間層，表面覆合改性聚甲醛作減摩層的三層復合材料。并軋出一定規律的儲油坑，其結構決定丁它的特殊性能：既具有鋼的機械強度和剛性，同時又有優良的邊界潤滑條件下的減摩抗磨特性。其它應用包括車門把手、安全帶機械部件、組合開關和反射鏡等。
在上述材料中，用于汽車結構件的尼龍材料的使用環境最為苛刻，面對越來越嚴格的各項汽車級標準，工程師對工程塑料進行著不斷改進，傳統的尼龍玻纖增強已經不能滿足更新的需求。而針對聚甲醛材料也已經出現了更先進的解決方案。
HOSTAFORM® XGC
作為全球性工程塑料生產商，塞拉尼斯的HOSTAFORM® XGC系列材料擁有更出色的耐化學性、高溫環境下的長期穩定性、高耐磨性、尺寸穩定性、卓越的熱穩定性和工藝穩定性，廣泛應用于汽車結構件中。
XGC系列材料即便在零下30℃-零下40℃的環境溫度下仍然可以保證強度、剛度和韌性之間的平衡。其還采用了塞拉尼斯專屬的混配主鏈改性技術。常規的玻纖增強材料中，樹脂和玻纖在熔融狀態下只進行了物理混合。而XGC材料是在熔融狀態下同時有類似偶聯的化學反應在內部進行，一部分POM的分子鏈會接到玻纖上面去，因此它不是純粹的物理反應。這樣的材料在抗沖擊性能方面比常規的材料要高出至少50%。
HOSTAFORM® XGC 擴大了玻纖增強型 HOSTAFORM® 共聚甲醛的應用范圍，并對現有的玻纖增強產品組合加以補充。XGC 系列的性能可以與非同類基材PBT 和 PA玻纖增強型產品相媲美。下圖顯示的是機械性能對比，以下列出的是潛在的應用優勢：
Hostaform® XGC 系列產品與各種可替代的玻纖增強材料的機械性能對比
更高的強度–符合未來的規格要求且/或減輕組件重量，同時仍滿足應用功能的要求。
更好的韌性–適用于在使用過程中，部件可能承受較高沖擊力的應用(典型案例包括雨刮臂、輸送系統和滑雪板固定裝置)。
優異的抗疲勞性能–車窗和車門系統的傳動齒輪是在操作過程中組件承受了嚴苛的周期性應力的典型應用。
更高的拉伸強度和剛性–針對新零件，有機會減少加強筋及降低壁厚，和/或使用比非同類樹脂更低的玻纖含量。這能夠實現輕量化和/或在現有部件設計中確保更高的安全系數。
免于濕度影響–在較廣操作溫度范圍內提供尺寸穩定性，這對于精度要求較高的應用(如車門、車窗和雨刮系統中的齒輪系統)至關重要。塞拉尼斯的 Hostaform® 玻璃纖維增強型產品憑借這些優點與其他所有備受推崇的性能優勢的結合，使設計工程師能夠從全新的高度來看待材料選擇。
在抗沖擊性方面，Hostaform® XGC系列也在原有的典型玻纖增強產品基礎上大幅提高(如下圖所示)，可以看到XGC 的抗沖擊性能已經得到明顯改善，超過了標準玻纖增強型(C9021GV1/30)品級。
Hostaform® C9021GV1/30與XGC25對比
Hostaform® PTX
汽車制造商正面臨著減輕重量、降低成本以及提高燃料效率的壓力。使用高性能的工程材料可幫助制造商在成本和競爭壓力日益增加之際依然維持利潤。
塞拉尼斯Hostaform® PTX系列針對冷抗沖性、熔接強度和耐燃油性設定了基準。這些新型 POM 品級具備低吸濕性、絕佳的機械性能和摩擦性能以及高水平的耐化學性和耐燃油性。Hostaform® PTX 可以擠壓成平管和波紋管，可用于燃油、氣動剎車系統、離合器、新鮮空氣通風口和襯板應用。
據了解，Hostaform® PTX與常規POM的區別在于前者很軟，后者剛度很高。這樣一來，PTX系列材料則更多地應用于汽車管路中，典型的應用就是汽車油箱內的油管。
早期汽車油箱軟管采用的是尼龍11、尼龍22這類材料，它們的缺點在于：長期經受燃油浸泡，很容易有低分子量的尼龍分子析出，隨著油溫變低，這些物質就沉淀下來，久而久之會堵塞油路、噴油嘴。而PTX材料則不會出現低分子量的聚甲醛析出的情況，是燃油箱軟管的理想材料。
小結
汽車中包含著數以萬計的零件，不同部位對于材料特性需求也有很大差別，隨著汽車設計的進步與消費者理念的改變，人們對于汽車材料需求越來越多。無論是法規層面還是消費者需求層面，工程塑料由于其環保、輕質、節能、多樣化的特性已經成為了汽車新材料的必然趨勢。
