吳 純，張 偉，KIM Seoyun，鄭 義

(佳施加德士(蘇州)塑料有限公司，江蘇 蘇州 215000)

長玻纖改性聚丙烯在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用與展望

吳 純，張 偉，KIM Seoyun，鄭 義

(佳施加德士(蘇州)塑料有限公司，江蘇 蘇州 215000)

我國汽車產(chǎn)業(yè)已進入高速發(fā)展的階段，汽車產(chǎn)量、銷量都居世界首位。在汽車產(chǎn)業(yè)快速增長的帶動下，以塑料為代表的非金屬材料也得到了快速的發(fā)展。車用材料發(fā)展的一個主要方向就是輕量化，汽車自重每減少10%，油耗可降低6%～8%。長纖維增強熱塑性塑料(LFT)是纖維增強聚合物領(lǐng)域中的一種新型高級輕量化材料，目前在汽車領(lǐng)域應(yīng)用最多的是長玻纖復(fù)合材料(LGFT)和長碳纖復(fù)合材料(LCFT)。綜述了近年來LGF/PP材料在汽車部件中的應(yīng)用，并對LGF/PP材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用前景進行了展望。

長玻纖；聚丙烯；汽車；輕量化

0 引言

近年來汽車輕量化技術(shù)的快速發(fā)展，汽車零部件使用更輕的非金屬材料替代傳統(tǒng)的金屬材料取得了很大進展[1]。使用工程塑料或纖維增強復(fù)合塑料，不但能減輕整車的質(zhì)量，還具有較高的綜合性能，尤其在纖維增強復(fù)合材料中，短纖維增強產(chǎn)品已經(jīng)成為一種普通材料被廣泛應(yīng)用。長纖維增強材料較短纖維產(chǎn)品，玻纖的殘留長度更長，可使用于力學(xué)性能要求更高的場合,其剛性雖比金屬材料低些，但是通過注塑成型可以得到結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀多變的汽車零部件。

1 汽車輕量化的發(fā)展現(xiàn)狀

輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。汽車輕量化技術(shù)能夠減輕汽車質(zhì)量、降低油耗，是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的主要措施之一。

當前世界一流汽車企業(yè)紛紛與原材料供應(yīng)商合作組成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，研究纖維增強材料低成本技術(shù)，促進纖維復(fù)合材料的大規(guī)模應(yīng)用。國際上已把塑料的用量作為衡量一個國家汽車工業(yè)水平的重要標志之一。輕質(zhì)、高強的長纖維增強熱塑性材料(LFT)已從小批量、少數(shù)的汽車零部件的生產(chǎn)擴展到大批量、多品種的汽車零部件生產(chǎn)，逐步成為制造汽車零部件的主流材料，尤其是在那些力學(xué)強度要求高的部件，如前端框架、吸能防撞保險杠、座椅骨架、車身底護板等[2]。

另外，中國品牌汽車在發(fā)展中也存在一些問題，如研究與應(yīng)用脫節(jié)、上下游脫節(jié)，未形成產(chǎn)業(yè)鏈，主機廠之間缺少合作，投入?yún)⒉畈积R，重復(fù)分散，難以實現(xiàn)技術(shù)突破和控制成本等。產(chǎn)業(yè)化進程與應(yīng)用開發(fā)相對滯后，在產(chǎn)品質(zhì)量和品種門類上與世界先進水平還有相當大的差距。在吉利、奇瑞、長城等國產(chǎn)汽車中，90%以上的LFT零件原材料都從歐美、韓國引進，而且其應(yīng)用主要集中在從歐美、韓國引進的車型中。

2 LGF/PP在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

碳纖維增強復(fù)合材料是近幾年重點研究的課題之一，但是目前存在價格偏高、表面處理困難和難以回收等問題。另外，碳纖維增強功能件也存在與金屬件連接困難等問題。從碳纖維生產(chǎn)角度來看，未來幾年其成本降低的可能性仍然較小，碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域中使用仍然僅限于特定的場合。LFT的力學(xué)性能與增強纖維的材料性能及所占比例有關(guān)，汽車用LFT增強纖維通常為玻璃纖維，理論上玻璃纖維的質(zhì)量分數(shù)在制品中可以達到10%～80%。

此外，LGF/PP的力學(xué)性能還與增強纖維的長度有著密切的關(guān)系，LGF/PP材料中玻纖的長度一般在3 mm以上，與相類似的短纖維(纖維長度約小于1 mm)增強PP材料相比，無論在強度、抗撞擊性能、能量的吸收率等方面都得到了很大提高。但在注塑過程中，玻纖容易浮于產(chǎn)品表面，限制了其在外觀件上的應(yīng)用。這些特性也為LGF/PP在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，深受汽車行業(yè)的青睞。

LGF/PP具有輕質(zhì)、高強的優(yōu)點，易于制造和實現(xiàn)低成本，目前已成為汽車輕量化使用的首選聚合物基復(fù)合材料。長纖維增強聚丙烯用于轎車的儀表板本體骨架、電池托架、前端模塊、控電盒、座椅支撐架、備胎盤、擋泥板、底盤蓋板、噪音隔板、后車門框架等[4]。

2.1 軟質(zhì)儀表板骨架

對于軟質(zhì)儀表板骨架材料，采用LGF/PP比常規(guī)填充PP材料強度更高、彎曲模量更高、流動性更好，在相同強度下，儀表板設(shè)計厚度可減薄，從而減輕質(zhì)量，一般可減輕質(zhì)量約20%。同時可將傳統(tǒng)的多個部件儀表板組合件發(fā)展成為單個模塊。大眾公司已選用陶氏的LGF/PP，生產(chǎn)Phaeton美國版的儀表板支架，由于該材料在模擬撞擊試驗中，能量的吸收要比傳統(tǒng)材料高50%，因此可使乘坐在前排不系安全帶的乘客免遭沖擊傷害。

索納塔9和新途勝的儀表板骨架選用了GS Caltex的PP-20% LGF材料，使儀表板的厚度從2.5～3.5 mm減小到1.8～2.5 mm，使儀表板的質(zhì)量從3.5 kg降至2.7 kg;與PP/GF材料相比，韌性提高了130%，剛性提高了50%，熱變形溫度提高了10 ℃，并具有更好的耐熱性。

2.2 保險杠前端模塊

汽車前端模塊通常是多個部件的總成。它將眾多的組件集于一體，包括前向照明系統(tǒng)、散熱器和冷卻風(fēng)扇、空調(diào)冷凝器、格柵口加固板、吸撞緩沖區(qū)、帶有裝飾面板的保險杠、車前蓋鎖閉系統(tǒng)、雨刷噴水瓶，以及各種電子組件和線路布置等，前端模塊已用于緊湊型和中型汽車。近年來很多大型轎車也使用了前端模塊，它們能為汽車制造商帶來許多便利[5]。大眾第7代高爾夫前端支架采用巴斯夫的LGF/PP，這樣就不需要金屬支撐物，從而大大減輕了部件質(zhì)量，縮短了裝配時間和降低了成本。

通過外購一個完整的前端，一家OEM制造商不僅可以免去組裝生產(chǎn)線上大量的組裝操作工序，以及與眾多供應(yīng)商的聯(lián)系，而且降低了模具成本。由于前端模塊的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在一定程度上實現(xiàn)了標準化，因此允許在銷往眾多不同地區(qū)的多種車型上采用通用設(shè)計，從而實現(xiàn)成本的降低。

2.3 車門模塊

現(xiàn)代索納塔在汽車塑料車門部件上，使用STAMAX 30% LGF/PP材料取代4個車門中的鋼板，使總車質(zhì)量減輕約2 kg，同時促進了車門的模塊化發(fā)展，將21個組件集成到1個注射成型的部件中，將5個裝配流程簡化到1個，從而降低了汽車整體的裝配成本。

在新福特Fiesta車型前門模塊中，集成了多種功能元件，如門鎖、車門玻璃升降器、揚聲器、防盜裝置等。

2.4 其它結(jié)構(gòu)

散熱風(fēng)扇 散熱風(fēng)扇用于降低發(fā)動機引擎的溫度，其形狀復(fù)雜，要求材料具有較高的耐熱性和優(yōu)異的加工性能，通常采用長玻纖增強尼龍材料。LGF/PP具有優(yōu)異的加工性能，且耐熱性可以滿足工作環(huán)境需要；與尼龍材料相比，可使制品的質(zhì)量減輕20%左右。在散熱風(fēng)扇部件上得到了推廣使用。

換擋機構(gòu) 換擋機構(gòu)目前主要采用金屬材料和短纖維尼龍材料，國外少數(shù)車型換擋機構(gòu)骨架已嘗試采用LGF/PP替代短玻纖尼龍材料。尼龍材料容易吸水，成品件吸水率一般在0.7%以上。在高溫高濕環(huán)境下，存在著失效的風(fēng)險。若改為不易吸水的LGF/PP，則可避免此類問題的發(fā)生，同時采用長玻纖增強PP材料，可起到減輕質(zhì)量、降低成本等作用。

空調(diào)風(fēng)葉 LGF/PP具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，用其制造的空調(diào)軸流離心風(fēng)葉，不僅外觀得到了改善，耐熱性能也得到了提高，而且還降低了制品的生產(chǎn)成本。

電子油門踏板 電子油門踏板臂需要承受較大的力，因此，選用材料要求較好的韌性，以及材料的高低溫變化性小。目前電子油門踏板臂以玻纖增強尼龍材料為主。泰科納材料商成功將LGF/PP用于電子油門踏板上，具有低氣味和高強度的良好性能，提高了車內(nèi)空氣質(zhì)量。

另外，LGF/PP可用于座椅靠背，替代傳統(tǒng)鋼材骨架，可減輕質(zhì)量20%，還具有優(yōu)異的設(shè)計自由度和力學(xué)性能，擴大了乘坐空間等優(yōu)點。

3 LGF/PP在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

隨著越來越多的LGF/PP用于汽車零部件，這對汽車業(yè)界而言，無論是降低生產(chǎn)成本，還是實現(xiàn)汽車輕量化，都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

(1) 聚丙烯的原料來源豐富，采用的聚合工藝相對高效且簡單，形成的改性材料也易于成型加工，整個制造成本較低。

(2) 在所有聚合物中聚丙烯的密度最低，僅為0.9 g/cm3，即使經(jīng)改性后，也在1.1～1.2 g/cm3，相比其他的材料，質(zhì)量減輕了15%左右。

(3) 較之其他工程塑料，減振和吸振的效果更好。以發(fā)動機進氣岐管采用的尼龍改性材料為例，采用PP/GF35玻纖增強聚丙烯改性材料可使噪聲下降5 dB。

(4)無論聚丙烯還是其改性材料，均為環(huán)境友好型材料，可以多次循環(huán)使用。

4 結(jié)語

實現(xiàn)汽車輕量化已成為當今國內(nèi)外汽車業(yè)界的一個戰(zhàn)略目標。LGF/PP材料的開發(fā)使用，使得車身、各大總成和零部件減輕質(zhì)量，已經(jīng)取得了長足的進步。但還存在一些問題：

(1) 復(fù)合材料零部件的高成本不僅是由于原材料的價格，而且生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性也使其制造成本偏高，因此，復(fù)合材料零部件的應(yīng)用受到了限制。

(2) 復(fù)合材料回收難。歐美等發(fā)達國家規(guī)定到2015年，95%以上報廢的汽車零部件需回收利用。這對復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用是一個很大的挑戰(zhàn)。

(3) 設(shè)計能力薄弱也是我國復(fù)合材料推廣使用困難的原因之一。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，高成本、難加工、難回收等問題將會得到解決。例如：LGF/PP材料作為外觀件，需解決玻纖浮在表面外露的難題，目前通過零部件表面的皮紋設(shè)計方案已經(jīng)取得了一定的成果。

今年是十三五開局之年，已經(jīng)把聚合物材料的發(fā)展作為一項重點發(fā)展項目，中國已經(jīng)成為全球經(jīng)濟發(fā)展的最大市場，伴隨著中國自主品牌汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，LGF/PP在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

[1] 吳靖.塑料技術(shù)在汽車輕量化中的應(yīng)用分析[J].塑料制造,2013(4):36-37.

[2] 胡正華.汽車用塑料新材料發(fā)展概況[J].塑料,2003,32(6):67-74.

[3] 易美濟.帝斯曼推出高性能熱塑性復(fù)合材料解決方案,推動輕量化和可持續(xù)發(fā)展的汽車零部件[J].高科技纖維與應(yīng)用,2013,38(6):21-22.

[4] 方鯤,張國榮,吳絲竹，等.長纖維增強熱塑性復(fù)合材料在汽車零配件上的應(yīng)用進展[J].中國塑料,2009,23(3):13-18.

[5] 丁素芳,庹海鋒.汽車全塑前端模塊支架剛度的研究[J].現(xiàn)代制造工程,2012(4):35-39.

Application and Prospect of LGF/PP in Automotive Field

WUChun,ZHANGWei,KIMSeoyun,ZHENGYi

(GS Caltex(Suzhou) Plastics Co., Ltd., Suzhou 215000, China)

Automobile industry has entered a stage of rapid development in China, capacity and sales of automobile are ranked No.1 in the world. Rapid development of the non-metallic materials, especially plastics, has been driven by rapid growth in the automotive industry. Light weight is one of the main direction of the development of automotive materials. Fuel consumption can be reduced by 6% to 8% when the mass of automobile is reduced by 10%. Long fiber reinforced thermoplastics( LFT) is a new kind of advanced lightweight material for fiber-reinforced polymers. A detailed introduction of the use of LGT/polypropylene(PP) in automobile industry is reviewed. And the application of LGF/PP material in automobile field is prospected.

long glass fiber; polypropylene; automobile; lightweight

吳 純(1988—)，男，碩士，從事改性聚丙烯材料的應(yīng)用與開發(fā)

TQ 325.1+4

A

1009-5993(2016)04-0023-03

2016-07-08)