陕西基于“新常态”战略的汽车塑料工程绿塑创新驱动的分析研究（五）

　　(2015-07-26 22:38:26)

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　　5 基于新常态战略的汽车复合材料工程的绿塑创新驱动

　　汽车高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。

　　市场调研公司Markets and Markets发布了一份关于车用复合材料市场调查报告。这份研究报告分析了车用复合材料（包括聚合物基、金属基、陶瓷基）及其应用（内部部件、外部部件、底盘和传动部件及其他）的全球趋势及至2019年的预测。根据这份报告，全球车用复合材料市场将以8.5%的年均复合增长率，在2019年达到71.42亿美元。高端汽车上的金属部件逐步用复合材料替代。而且随着技术的进步，复合材料的价格还会继续下降，意味着汽车业对复合材料的需求也会继续增长。亚太地区是全球车用复合材料最大的市场。而中国是亚太地区的主要消费者。

　　汽车复合材料主要指由天然纤维、玻璃纤维、碳纤维与塑料组合而成的材料，发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的在汽车绿色塑料工程领域的应用范围

　　复合材料结构件可以满足汽车零部件在结构、尺寸及其他方面的性能需求，越来越显示其强大的生命力。

　　复合材料来制造工艺包括RTM、SMC、NMT、GMT、LFT等。从材料成本、工装模具成本、尺寸稳定性、可回收性、加工时间以及表面光洁度等方面来看，每种工艺都有其优势和劣势。但是让材料类型统一，从而实现循环再利用，则是一个较大的挑战。

　　复合材料的减重节能、低碳排放的绿色化效果是不可否认的。目前汽车的尾门和保险杠的位置普遍都使用的塑料制品，使用复合多层材料组织之后，后尾门比金属尾门重量减轻30%。同时为汽车制造商提供更符合空气动力学的设计，轻量化的同时更降低风阻，这进一步降低了燃油消耗和尾气排放。

　　复合材料的减重效果是不可否认的，如何通过经济有效的方式来发挥其减重效果则是推进复合材料在汽车上大量应用的关键。

　　5.1 汽车天然纤维复合材料工程的绿塑创新驱动

　　天然纤维复合材料为植物基材料 (如麻纤维、竹纤维、甘蔗渣纤维等)具有价廉、可回收、可降解、可再生、成本低、密度低、降噪声、在运行中又安全等绿色化性能，自最初用于车门内衬等少数隐藏零部件以来，已开始出现在与车主接触和互动的车辆部位中，近年来成为汽车材料研究开发的热点之一。

　　5.1.1 天然纤维复合材料提高汽车资源节约型绿塑创新驱动

　　天然纤维复合材料可节约高分子材料，同时又有利于清洁生产和塑料产品性能的优化。纳入天然纤维增强复合塑料的来源有纤维素、木材、亚麻、黄麻、剑麻、大麻、龙舌兰叶纤维、椰子壳纤维，以及稻草与其他农作物废料等。用天然纤维如亚麻、剑麻增强塑料制造车身零件，在汽车行业已经得到认可。

　　汽车供应商佛吉亚（Faurecia SA）经测试，麻被证明是天然纤维填充增强PP复合材料最佳的天然原料，因为与聚丙烯化学属性最为契合。

　　5.1.2 天然纤维填充增强复合材料推动汽车生态轻量化的绿塑创新驱动

　　天然纤维是环保材料，而且植物纤维比玻纤轻40%，减轻车重可降低油耗。用亚麻增强PP制作车身底板，材料的拉伸强度比钢要高，刚度不低于玻纤增强材料，制件更易于回收。对操作工人，可免除因玻纤引起的皮疹和呼吸性疾病。

　　内饰专家们已推出了采用高光泽的天然纤维复合材料来生产可见新概念的饰件，这与木屑的传统利用方式颇为相似——不过天然纤维复合材料能兼顾装饰性和结构要素。

　　戴姆勒 —克莱斯勒公司用亚麻／剑麻毡增强的环氧树脂复合材料应用在E系列轿车的车门、车内饰件，先前用的是木纤维复合材料，使得重量减轻了20％左右，而且机械性能、安全保护性能也得到了提高。05款A级2门轿车用麻蕉纤维增强复合塑料大批量生产备胎罩，成型该零件较常规玻璃纤维增强复合塑料节能60％，它是世界第一个天然纤维大批量应用于外装件的范例。

　　三菱汽车公司与BASF INOAC Polyurethane共同开发使用竹纤维、源自蓖麻籽油的多元醇以及椰子油甘油，并添加源自石油的多元醇以及石油类的二苯甲烷二异氰酸酯，制成竹纤维强化PU，与聚丙烯（PP）制成的侧面车门装饰面板相比，整个生命周期（从原料采集到汽车报废）中的二氧化碳排放量削减约3成。

　　天然纤维复合材料应用范围由汽车内饰件拓展到结构件的绿塑创新驱动。

　　英国生物塑料开发商NetComposites领军开发了一项名为Combine的研究计划，创新的结合Combine计划的目的是通过对自然纤维和生物塑料的创新结合来开发一种高性能的、以生物为原料的合成物，这种合成物可以用作结构部件。

　　丰田汽车公司采用聚乳酸和洋麻复合的材料，已研制开发了汽车轮胎罩和车垫，逐渐将以往丰田汽车中的一些通用塑料部件全部采用生物制件代替，已经将生物基塑料的使用范围除延伸到传动系统以外，还在混合动力车普瑞斯的车架中启用了基于玉米、甘蔗或洋麻的生物塑料。

　　福特汽车公司设在德国的材料工程部门在研究亚麻/PP注射成型方面取得了相当的进展，在新型的福特车中这种材料将用于制造冷却器架和引擎挡板等部件。用这种材料制造的部件重量比用玻璃纤维增强的材料轻25%左右。 

　　5.1.4 天然纤维复合材料性能开发的绿色创新驱动

　　自然纤维有填充成型短纤维和压缩成型的垫子纤维两种，但这两种都不能提供足够的强度和硬度来制造结构部件。自然纤维纱通常都是拧在一起的，这使得向其中注入粘性热塑树脂变得很困难。在这个计划中，麻纤维和亚麻纤维要经过加工，将之纺成连续的纤维，再织成高性能的纺织物。把这些纺织物与自毁型生物塑料如聚乳酸结合，然后通过真空袋成型和压缩成型使之成型为各种部件，最后还要进行表面处理。材料结合和加工技术还有待于改进，同时也要考虑材料将来的环境退化、混合性和可回收性等因素。

　　汽车供应商佛吉亚（Faurecia SA） 已开始在欧洲生产一种麻和聚丙烯结合的注塑生物复合材料，同时寻找机会把此技术在北美推广。同时，该公司还在开发一种全天然复合材料，将天然纤维和一种植物基树脂结合在一起。这两项开发都是为了帮助汽车业减重和规避传统材料的价格波动。

　　5.1.5  国内天然纤维复合材料的绿塑创新驱动

　　我国是一个农业大国，天然纤维资源丰富，天然纤维复合材料开发及应用的空间很大，减少碳排放的时空广泛。以秸秆为例，我国每年可产生秸秆7亿多吨，而在理论上4吨秸秆就可做成一吨可降解塑料产品，可以省掉近两亿吨传统塑料，就可以节省6亿吨原油，减少3.8亿吨二氧化碳的排放。国内对秸秆复合材料的开发及应用，进展缓慢。亚洲是未来生物塑料的开发及应用的主要地区，中国是汽车生产大国，应起到引领的主导作用，绿塑创新汽车领域的应用。

　　国际上对秸秆复合材料的开发应用领先于我国。麦秆一直作为天然纤维增强件被用在塑料板材中，而福特、Schulman公司及整个开发团队根据这一成果设计出了一种可供汽车业使用并扩充应用的产品。AgriPlas所用的原料基本上是小麦生产中的废弃物，这一产品是由美国A. Schulman Inc.公司和加拿大滑铁卢大学通过其安大略生物汽车计划共同开发的，采用聚丙烯和20%麦秆混合制成的AgriPlas树脂现被用在Flex的第三排储物箱中，比全PP材质储物箱轻10%，据福特估计，在储物箱中用麦秆代替树脂将每年减少2万磅的油耗，每年还可减少3万磅的二氧化碳排放。

　　5.2 汽车玻璃纤维复合材料工程的绿塑创新驱动

　　玻纤增强塑料是在塑料的基体（常用的热塑性基体为PP、PA6、PA66、PBT、PET、PEEK、等），上，加入玻璃纤维和其它助剂而成的复合材料。玻璃纤维复合材料的质量只有钢材的四分 之一左右，具有比强度和比刚度高、不生锈、结构整体性强、成本低、 设计自由度大等优势，复合材料的种类、数量、纤维方向以及其他参数可以自由选择，力学性能可在大范围调节。在汽车行业中，应用越来越广泛，例如软质仪表板的支撑骨架、车门坎板、发动机罩、风扇叶轮、发动机和动力系统部件、节流体和流量计等。

　　玻璃纤维/热固性树脂复合材料已经以玻璃钢的身份在汽车领域取得了广泛的应用。

　　玻璃纤维/热塑性树脂复合材料一个重要特点是可回收利用，现已以批量生产的规模在汽车中进行试验，并已取得了良好的结果。

　　5.2.1 汽车玻璃纤维复合材料应用技术全套解决方案的绿塑创新驱动

　　汽车玻璃纤维复合材料制品中，玻璃纤维的含量、长度、分散状况以及纤维与基体间的界面结合能力，都对最终制品的力学性能有重大影响，而这些因素又取决于体系组分配比，以及所用的加工设备和加工工艺。

　　汽车玻璃纤维复合材料的应用技术包括材料的研发、制品的设计、成型加工、后处理等全套解决方案，各个环节互相联合，才能取得绿塑创新驱动的成果。

　　通用电气公司塑料部与CMI国际公司联合研制玻璃增强的PPS注塑成型加工进气歧管，重量为2.3～3.6公斤，而压铸铝制歧管重4.5～7.3公斤，耐久性高于或等于铝制歧管，内表面光滑，可采用体积尺寸较小的歧管，降低了制造费用，而且由于塑料歧管导热性较低、低温空气密度较大，提高了空气燃料混合比，较大幅度提高发动机的效率。通用汽车公司同杰恩伯格工业公司合作研制一种玻璃纤维增强PPS复合材料与钢的复合型汽车凸轮轴，降低了发动机噪音低，改善了健康环境，而且生产时间由几小时削减为40秒，减少了生产的碳排放。

　　5.2.2 汽车长玻璃纤维复合材料(LFT)的绿塑创新驱动[4]

　　长纤维增强热塑性塑料（LFT）是近年来取得突破进展的高性能新材料，具有高强度、高刚度、尺寸稳定、低翘曲度、使用寿命长、耐蠕变性能优良等显著特点，可以弥补或取代常规短纤维增强热塑性塑料（SFT）的许多不足和缺点。长玻璃纤维增强热塑性复合材料以其优异的性能成为汽车玻璃纤维复合材料的绿塑创新驱动的热点。

　　长纤维增强热塑性复合材料优良的综合性能主要得益于其材料中纤维的长度与分布。长纤维在树脂基体中沿轴向平行排列和分散，长度均匀统一，树脂充分浸渍增强纤维。长纤维含量可根据制件要求较大幅度从30%至80%调整。 

　　长纤维增强热塑性复合材料弥补了热固性复合材料与短纤维增强热塑性复合材料的不足之处，与热固性增强复合材料相比有以下几方面突出的优点:基体树脂种类多，可选择性大；可热成型，成型周期短，生产效率高；韧性高,耐冲击性能好;预浸料保存期限几乎不受限制;制品可重复加工、废旧制品可再生利用；产品设计自由度大，可制成复杂形状、成型适应性广。

　　长纤维增强复合材料研发生产需解决三个方面的技术:是浸润设备的设计制造与浸渍工艺；长纤材料的选择和表面处理；是适合浸润的高分子聚合物的制备和改性。

　　5.2.3 汽车玻璃纤维复合材料塑料应用领域的绿塑创新驱动

　　玻璃纤维复合材料结构件设计自由度大，外形多种多样，表面可制作具有特色的花纹。虽然玻纤含量高会对外观产生一定影响，但飞速发展的表面防护处理技术已经基本上弥补了这一缺陷，A级表面是可以实现的。着色性好，可通过添加色母料或表面喷涂制成各种颜色的零件。

　　通过注塑和模压，可以实现各种不规则弧度，这是金属件难以达到的。

　　长期拒绝从金属转件化为塑料件的是节气阀盖，这个堡垒最后被巴斯夫公司30％和35％玻纤增强尼龙66攻破。它们被用在由法国的MGI Coutier公司设计的雷诺和标志车上，比同样的金属部件轻50％。

　　5.2.3.1 汽车仪表板骨架玻璃纤维复合材料的绿塑创新驱动

　　SMA/GF（玻璃纤维增强苯乙烯-马来酸酐共聚物材料）汽车仪表板骨架材料，尺寸稳定性，高刚性可以满足仪表板薄壁化设计的发展趋势，其壁厚一般在2.2mm左右，相对于其他材料3.0～3.5mm的壁厚设计，可以大幅度降低产品重量；独特的酸酐分子结构，副驾驶气囊爆破的同时不易飞溅发泡层及表皮，从而提高了被动安全性；良好的耐热性满足了汽车仪表板在120℃，500h的热老化的要求。

　　5.2.3.2安全气囊壳体玻璃纤维复合材料的绿塑创新驱动

　　DSM公司的玻纤增强的AkulonＫ224-PG８PA6已证明了其作为最好的安全气囊壳体材料之一，在很多方面不仅优于传统的金属材料，也优于其他塑料，可以提供极其优异的性能，同时还可以缩短生产周期，降低成本。它可以在-35℃的低温下正常工作，而不出现破裂或裂痕。在+85℃的高温下，它表现出了优良的抗蠕变性能，从而确保了此部件的固定点不会出现松动现象。全球已有大约150多种汽车的大约1.2亿个安全气囊使用了AkulonＫ224-PG８PA6，而且最重要的是，失误为零。