长玻纤改性聚丙烯在汽车领域中的应用与展望
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摘要：我国汽车产业已进入高速发展的阶段，汽车产量、销量都居世界首位。在汽车产业快速增长的带动下，以塑料为代表的非金属材料也得到了快速的发展。车用材料发展的一个主要方向就是轻量化，汽车自重每减少１０％，油耗可降低６％～８％。长纤维增强热塑性塑料（ＬＦＴ）是纤维增强聚合物领域中的一种新型高级轻量化材料，目前在汽车领域应用最多的是长玻纤复合材料（ＬＧＦＴ）和长碳纤复合材料（ＬＣＦＴ）。本文综述了近年来ＬＧＦ／ＰＰ材料在汽车部件中的应用，并对ＬＧＦ／ＰＰ材料在汽车领域中的应用前景进行了展望。
关键词：长玻纤；聚丙烯；汽车；轻量化
引言
近年来汽车轻量化技术的快速发展，汽车零部件使用更轻的非金属材料替代传统的金属材料取得了很大进展。
使用工程塑料或纤维增强复合塑料，不但能减轻整车的质量，还具有较高的综合性能，尤其在纤维增强复合材料中，短纤维增强产品已经成为一种普通材料被广泛应用。
长纤维增强材料较短纤维产品，玻纤的残留长度更长，可使用于力学性能要求更高的场合，其刚性虽比金属材料低些，但是通过注塑成型可以得到结构复杂、形状多变的汽车零部件。
1、汽车轻量化的发展现状
轻量化是汽车产业发展的必然趋势。汽车轻量化技术能够减轻汽车质量、降低油耗，是实现节能环保的主要措施之一。
当前世界一流汽车企业纷纷与原材料供应商合作组成产业联盟，研究纤维增强材料低成本技术，促进纤维复合材料的大规模应用。国际上已把塑料的用量作为衡量一个国家汽车工业水平的重要标志之一。
轻质、高强的长纤维增强热塑性材料（ＬＦＴ）已从小批量、少数的汽车零部件的生产扩展到大批量、多品种的汽车零部件生产，逐步成为制造汽车零部件的主流材料，尤其是在那些力学强度要求高的部件，如前端框架、吸能防撞保险杠、座椅骨架、车身底护板等。
另外，中国品牌汽车在发展中也存在一些问题，如研究与应用脱节、上下游脱节，未形成产业链，主机厂之间缺少合作，投入参差不齐，重复分散，难以实现技术突破和控制成本等。产业化进程与应用开发相对滞后，在产品质量和品种门类上与世界先进水平还有相当大的差距。
在吉利、奇瑞、长城等国产汽车中，９０％以上的ＬＦＴ零件原材料都从欧美、韩国引进，而且其应用主要集中在从欧美、韩国引进的车型中。
2、ＬＧＦ／ＰＰ在汽车领域中的应用
碳纤维增强复合材料是近几年重点研究的课题之一，但是目前存在价格偏高、表面处理困难和难以回收等问题。另外，碳纤维增强功能件也存在与金属件连接困难等问题。从碳纤维生产角度来看，未来几年其成本降低的可能性仍然较小，碳纤维复合材料在汽车领域中使用仍然仅限于特定的场合。ＬＦＴ的力学性能与增强纤维的材料性能及所占比例有关，汽车用ＬＦＴ增强纤维通常为玻璃纤维，理论上玻璃纤维的质量分数在制品中可以达到１０％～８０％。
此外，ＬＧＦ／ＰＰ的力学性能还与增强纤维的长度有着密切的关系，ＬＧＦ／ＰＰ材料中玻纤的长度一般在３ｍｍ以上，与相类似的短纤维（纤维长度约小于１ｍｍ）增强ＰＰ材料相比，无论在强度、抗撞击性能、能量的吸收率等方面都得到了很大提高。
但在注塑过程中，玻纤容易浮于产品表面，限制了其在外观件上的应用。这些特性也为ＬＧＦ／ＰＰ在汽车结构件上的应用创造了条件，深受汽车行业的青睐。ＬＧＦ／ＰＰ具有轻质、高强的优点，易于制造和实现低成本，目前已成为汽车轻量化使用的首选聚合物基复合材料。
长纤维增强聚丙烯用于轿车的仪表板本体骨架、电池托架、前端模块、控电盒、座椅支撑架、备胎盘、挡泥板、底盘盖板、噪音隔板、后车门框架等。
2.1 软质仪表板骨架
对于软质仪表板骨架材料，采用ＬＧＦ／ＰＰ比常规填充ＰＰ材料强度更高、弯曲模量更高、流动性更好，在相同强度下，仪表板设计厚度可减薄，从而减轻质量，一般可减轻质量约２０％。
同时可将传统的多个部件仪表板组合件发展成为单个模块。大众公司已选用陶氏的ＬＧＦ／ＰＰ，生产Ｐｈａｅｔｏｎ美国版的仪表板支架，由于该材料在模拟撞击试验中，能量的吸收要比传统材料高５０％，因此可使乘坐在前排不系安全带的乘客免遭冲击伤害。
索纳塔９和新途胜的仪表板骨架选用了ＧＳＣａｌｔｅｘ的ＰＰ－２０％ ＬＧＦ材料，使仪表板的厚度从２．５～３．５ｍｍ减小到１．８～２．５ｍｍ，使仪表板的质量从３．５ｋｇ降至２．７ｋｇ；与ＰＰ／ＧＦ材料相比，韧性提高了１３０％，刚性提高了５０％，热变形温度提高了１０℃，并具有更好的耐热性。
2.2 保险杠前端模块
汽车前端模块通常是多个部件的总成。它将众多的组件集于一体，包括前向照明系统、散热器和冷却风扇、空调冷凝器、格栅口加固板、吸撞缓冲区、带有装饰面板的保险杠、车前盖锁闭系统、雨刷喷水瓶，以及各种电子组件和线路布置等，前端模块已用于紧凑型和中型汽车。
近年来很多大型轿车也使用了前端模块，它们能为汽车制造商带来许多便利。大众第７代高尔夫前端支架采用巴斯夫的ＬＧＦ／ＰＰ，这样就不需要金属支撑物，从而大大减轻了部件质量，缩短了装配时间和降低了成本。
通过外购一个完整的前端，一家ＯＥＭ 制造商不仅可以免去组装生产线上大量的组装操作工序，以及与众多供应商的联系，而且降低了模具成本。由于前端模块的基础结构在一定程度上实现了标准化，因此允许在销往众多不同地区的多种车型上采用通用设计，从而实现成本的降低。
2.3 车门模块
现代索纳塔在汽车塑料车门部件上，使用ＳＴＡＭＡＸ３０％ＬＧＦ／ＰＰ材料取代４个车门中的钢板，使总车质量减轻约２ｋｇ，同时促进了车门的模块化发展，将２１个组件集成到１个注射成型的部件中，将５个装配流程简化到１个，从而降低了汽车整体的装配成本。在新福特Ｆｉｅｓｔａ车型前门模块中，集成了多种功能元件，如门锁、车门玻璃升降器、扬声器、防盗装置等。
2.4其它结构
散热风扇 散热风扇用于降低发动机引擎的温度，其形状复杂，要求材料具有较高的耐热性和优异的加工性能，通常采用长玻纤增强尼龙材料。
ＬＧＦ／ＰＰ具有优异的加工性能，且耐热性可以满足工作环境需要；与尼龙材料相比，可使制品的质量减轻２０％左右。在散热风扇部件上得到了推广使用。换挡机构 换挡机构目前主要采用金属材料和短纤维尼龙材料，国外少数车型换挡机构骨架已尝试采用ＬＧＦ／ＰＰ替代短玻纤尼龙材料。
尼龙材料容易吸水，成品件吸水率一般在０．７％以上。在高温高湿环境下，存在着失效的风险。若改为不易吸水的ＬＧＦ／ＰＰ，则可避免此类问题的发生，同时采用长玻纤增强ＰＰ材料，可起到减轻质量、降低成本等作用。
空调风叶ＬＧＦ／ＰＰ具有优异的尺寸稳定性，用其制造的空调轴流离心风叶，不仅外观得到了改善，耐热性能也得到了提高，而且还降低了制品的生产成本。电子油门踏板电子油门踏板臂需要承受较大的力，因此，选用材料要求较好的韧性，以及材料的高低温变化性小。
目前电子油门踏板臂以玻纤增强尼龙材料为主。泰科纳材料商成功将ＬＧＦ／ＰＰ用于电子油门踏板上，具有低气味和高强度的良好性能，提高了车内空气质量。
另外，ＬＧＦ／ＰＰ可用于座椅靠背，替代传统钢材骨架，可减轻质量2０％，还具有优异的设计自由度和力学性能，扩大了乘坐空间等优点。
3、ＬＧＦ／ＰＰ在汽车领域中的应用前景
随着越来越多的ＬＧＦ／ＰＰ用于汽车零部件，这对汽车业界而言，无论是降低生产成本，还是实现汽车轻量化，都有着十分广阔的应用前景。
（１）聚丙烯的原料来源丰富，采用的聚合工艺相对高效且简单，形成的改性材料也易于成型加工，整个制造成本较低。
（２）在所有聚合物中聚丙烯的密度最低，仅为０．９ｇ／ｃｍ３，即使经改性后，也在１．１～１．２ｇ／ｃｍ３，相比其他的材料，质量减轻了１５％左右。
（３）较之其他工程塑料，减振和吸振的效果更好。以发动机进气岐管采用的尼龙改性材料为例，采用ＰＰ／ＧＦ３５玻纤增强聚丙烯改性材料可使噪声下降５ｄＢ。
（４）无论聚丙烯还是其改性材料，均为环境友好型材料，可以多次循环使用。
４、结语
实现汽车轻量化已成为当今国内外汽车业界的一个战略目标。ＬＧＦ／ＰＰ材料的开发使用，使得车身、各大总成和零部件减轻质量，已经取得了长足的进步。但还存在一些问题：
（１）复合材料零部件的高成本不仅是由于原材料的价格，而且生产工艺的复杂性也使其制造成本偏高，因此，复合材料零部件的应用受到了限制。
（２）复合材料回收难。欧美等发达国家规定到２０１５年，９５％以上报废的汽车零部件需回收利用。这对复合材料在汽车上的应用是一个很大的挑战。
（３）设计能力薄弱也是我国复合材料推广使用困难的原因之一。随着科学技术的进步，高成本、难加工、难回收等问题将会得到解决。例如：ＬＧＦ／ＰＰ材料作为外观件，需解决玻纤浮在表面外露的难题，目前通过零部件表面的皮纹设计方案已经取得了一定的成果。今年是十三五开局之年，已经把聚合物材料的发展作为一项重点发展项目，中国已经成为全球经济发展的最大市场，伴随着中国自主品牌汽车产业的发展，ＬＧＦ／ＰＰ在汽车领域的应用前景广阔。
来源：期刊—上海塑料
作者：吴纯、张伟（佳施加德士（苏州）塑料有限公司）
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