一文了解汽車輕量化的關(guān)鍵材料

新型工程塑料越來(lái)越多地應(yīng)用在汽車工業(yè)中。在眾多工程塑料中，熱塑性彈性體是最為適用于汽車輕量化的材料之一，近年來(lái)被更多的汽車制造商為采用。小編總結(jié)了一些該領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí)，供大家參考。
 

熱塑性彈性體（TPE）已經(jīng)成為廣泛替代傳統(tǒng)橡膠和部分塑料的極具發(fā)展前景的新型材料。目前已經(jīng)發(fā)展到十幾個(gè)品種。常見的主要有苯乙烯類（TPS）、聚烯烴類（TPO）、聚氨酯類（TPU）、聚酯類（TPEE）、聚酰胺類（TPAE）等。全球消費(fèi)穩(wěn)增，中國(guó)需求強(qiáng)勁。

▼熱塑性彈性體的發(fā)展回顧

全球市場(chǎng)表現(xiàn)

數(shù)據(jù)顯示，2016年全球TPE市場(chǎng)需求約為570萬(wàn)噸，消費(fèi)結(jié)構(gòu)中TPS約占48%、TPO占29%、TPU占14%、TPEE占6.5%、其他TPE占9%。據(jù)預(yù)計(jì)，未來(lái)幾年全球TPE市場(chǎng)將以年均5.2%的速度增長(zhǎng)，到2019年達(dá)到670萬(wàn)噸，市值有望突破240億美元。

對(duì)于亞洲、非洲等發(fā)展中國(guó)家集中的地區(qū)，TPE人均消費(fèi)遠(yuǎn)低于世界平均水平，未來(lái)這些地區(qū)TPE需求將以高于世界平均水平的速度增長(zhǎng)。目前亞太地區(qū)對(duì)熱塑性彈性體產(chǎn)品的需求占總需求的45%，預(yù)計(jì)到2019年該地區(qū)需求量將占到全球總量的50%。
 

中國(guó)TPE消費(fèi)量約占全球總消費(fèi)量的33%，是全球TPE需求增長(zhǎng)最快的國(guó)家之一，尤以汽車為中心應(yīng)用市場(chǎng)將保持年均15%左右的高速增長(zhǎng)，未來(lái)幾年中國(guó)TPE需求依然強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)消費(fèi)年均增速將在8%左右，高于世界平均水平。
 

聚烯烴類熱塑性彈性體
 

POE作為改性劑，既可以改性橡膠，也可以改性塑料。由于POE 的加工溫度較低，因而與非極性橡膠，特別是EPR、EPDM、NR、SBR 及BR 等的混合較為容易。
 

POE 的最大應(yīng)用還是在塑料制品上。用POE 改性PP，對(duì)其缺口沖擊強(qiáng)度提高很大；將馬來(lái)酸酐接枝POE 后的彈性體用來(lái)改性PA6，可使材料的吸濕性減小、沖擊強(qiáng)度大幅提高。
 

TPO主要包括乙烯-α-烯烴共聚熱塑性彈性體（POE）和動(dòng)態(tài)硫化熱塑性彈性體（TPV）。迄今為止，中國(guó)仍未能商業(yè)化生產(chǎn)POE，產(chǎn)品均需進(jìn)口。
 

得益于研院所和高校長(zhǎng)期的研究，國(guó)產(chǎn)POE技術(shù)已取得了階段性進(jìn)展。2015年11月，由浙江大學(xué)、中石化北京化工研究院研發(fā)的“1000噸/年P(guān)OE生產(chǎn)技術(shù)工藝設(shè)計(jì)包”通過(guò)了鑒定，該技術(shù)有望在幾年內(nèi)獲得商業(yè)化應(yīng)用。
 

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)，如道恩、北化新橡科技等已躋身于全球TPV行業(yè)前列。TPV的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槠囆袠I(yè)，隨著汽車輕量化和綠色環(huán)保趨勢(shì)日益凸顯，TPV將得到更為廣泛的應(yīng)用，或?qū)⒊蔀樵鲩L(zhǎng)最快的TPE品種之一。
 

茂金屬聚烯烴彈性體乙烯
 

聚烯烴類熱塑性彈性體（TPO）主要包括嵌段共聚物、接枝共聚物和共混物3種類型，其中采用茂金屬催化劑合成的聚烯烴熱塑性彈性體乙烯—辛烯共聚物（POE）和動(dòng)態(tài)硫化法制備的熱塑性動(dòng)態(tài)硫化膠是兩種主要的聚烯烴類熱塑性彈性體。
 

茂金屬聚烯烴彈性體乙烯—辛烯共聚物茂金屬催化劑與一般傳統(tǒng)的Ziegler-Natta 催化劑相比，具有理想的單一活性中心，因而能精密控制相對(duì)分子質(zhì)量分布、共聚單體含量及其在主鏈上的分布和結(jié)晶結(jié)構(gòu)。合成的聚合物是高立構(gòu)規(guī)整聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量分布很窄，從而能準(zhǔn)確控制聚合物的物理機(jī)械性能和加工性能。
 

茂金屬催化聚烯烴類TPE最早由美國(guó)Dow化學(xué)公司采用Insite技術(shù)開發(fā)而成，并于 1994年推向市場(chǎng)，是近幾年發(fā)展較快的TPE品種。茂金屬催化劑具有催化活性高、單活性中心的特點(diǎn)，其催化制備的聚合物具有相對(duì)分子質(zhì)量分布窄、聚合物結(jié)構(gòu)可控等優(yōu)點(diǎn)，已成為繼Ziegler-Natta 催化劑之后的新一代烯烴聚合催化劑。
 

▼商業(yè)化茂金屬催化劑聚烯烴彈性體品種

動(dòng)態(tài)硫化法制備的熱塑性動(dòng)態(tài)硫化膠
 

TPV 是熱塑性彈性體(TPE)的一種特殊類型，與具有彈性的嵌段共聚物不同，而是由彈性體—熱塑性聚合物共混物的協(xié)同作用生成，具有比簡(jiǎn)單共混物更好的性質(zhì)。
 

制備熱塑性硫化橡膠的關(guān)鍵技術(shù)是動(dòng)態(tài)硫化技術(shù)，這一技術(shù)的進(jìn)步之一是采用低成本的現(xiàn)有加工方法，通過(guò)將現(xiàn)有的聚合物進(jìn)行共混來(lái)制備新產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的、資金投入強(qiáng)度高的生產(chǎn)新材料的工藝相比，該工藝還能滿足對(duì)大型聚合裝置的環(huán)保要求。TPV 技術(shù)的另一些優(yōu)于作為熱塑性彈性體來(lái)源的嵌段共聚物的地方是：上限使用溫度高、耐烴類介質(zhì)和壓縮永久變形小。
 

業(yè)內(nèi)成功實(shí)踐

茂金屬催化聚烯烴類TPE發(fā)展十分迅速，目前，世界上已成功開發(fā)出多種茂金屬催化聚烯烴類TPE產(chǎn)品，主要有Montell公司的Adflex(反應(yīng)器型改性聚丙烯)、UCC公司的Flexomers(乙烯－丁烯共聚物)、Exxon Mobil公司的Exact(茂金屬乙烯－辛烯共聚物)、Du Pont-Dow公司的Engage(茂金屬系乙烯－辛烯共聚物)等。國(guó)內(nèi)茂金屬催化聚烯烴彈性體制備目前還沒有大規(guī)模生產(chǎn)報(bào)道，研究主要集中在增韌改性共混領(lǐng)域。
 

TPO成汽車工業(yè)新寵兒

聚烯烴熱塑性彈性體是一種高性能聚烯烴產(chǎn)品，其在高溫下可以像熱塑性塑料一樣加工，而在常溫下又呈現(xiàn)橡膠彈性，并且價(jià)格低、密度小、彎曲彈性模量高、低溫抗沖擊性能好、流動(dòng)性好、易加工、可重復(fù)使用，這些特性又使其在汽車內(nèi)外飾領(lǐng)域大有可為。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，使用TPO可以使車重減輕20%~25%，被認(rèn)為是汽車輕量化的理想材料，未來(lái)開發(fā)和應(yīng)用值得業(yè)內(nèi)期待。
 

1、聚烯烴熱塑性彈性體在汽車上的應(yīng)用

聚烯烴熱塑性彈性體 (TPO)在高溫下可以像熱塑性塑料一樣加工，而在常溫下又呈現(xiàn)橡膠彈性，且具有價(jià)格低、密度小、彎曲彈性模量高、低溫抗沖擊性能好、流動(dòng)性好、易加工和可重復(fù)使用等性能，因此已得到廣泛的應(yīng)用。
 

聚烯烴熱塑性彈性體作汽車外裝件主要用于：保險(xiǎn)杠、 散熱器格柵、 車身外板 ( 翼子板、后側(cè)板、車門面板 ) 、車輪護(hù)罩、擋泥板、車門檻板、后部活動(dòng)車頂、車后燈、車牌照板、車側(cè)鑲條及其它保護(hù)膠條、擋風(fēng)膠條等；作內(nèi)飾件主要用于：儀表板、儀表板蒙皮、內(nèi)飾板蒙皮、安全氣囊外皮層材料等；作底盤、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)用于：等速萬(wàn)向節(jié)保護(hù)罩、等速萬(wàn)向節(jié)密封、齒條和小齒輪防護(hù)罩、軸架懸置防護(hù)罩；作發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)部件及其它方面：空氣導(dǎo)管、燃料管防護(hù)層、電氣接線套等。1998年全世界TPO在汽車上的用量約為 45.36萬(wàn)噸 ，其中90%用于汽車外裝件。
 

2、聚烯烴熱塑性彈性體在汽車上的應(yīng)用開發(fā)動(dòng)向
 

1998年TPO占世界汽車保險(xiǎn)杠原料市場(chǎng)的85%，其中歐洲占汽車保險(xiǎn)杠原料市場(chǎng)的90%，美國(guó)占75%，日本占95%。TPO在保險(xiǎn)杠市場(chǎng)中份額持續(xù)上升的重要原因是材料性能的大幅度改善， 特別是彎曲彈性模量、 低溫抗沖擊性和熔體流動(dòng)速率的改善， 這些性能的提高有助于降低保險(xiǎn)杠壁厚、 減輕質(zhì)量、減少材料消耗和加工時(shí)間，并使保險(xiǎn)杠性能保持不變，并降低成本。
 

（1）TPO在汽車保險(xiǎn)杠上的應(yīng)用開發(fā)動(dòng)向
 

D&S國(guó)際塑料公司推出汽車用新一代TPO，用作汽車保險(xiǎn)杠，壁厚可減至 2.5mm(原為3.5mm)，使保險(xiǎn)杠質(zhì)量減輕 31%(1.18kg)，成型周期縮短 15s。與原來(lái)的TPO相比，其彎曲彈性模量提高一倍 (1482.4MPa)， 拉伸強(qiáng)度提高60%(27.6MPa)，硬度較高 (75～80洛氏硬度 ) 。熔體流動(dòng)速率也提高一倍 (15～25g/10min) 。此外， 新一代TPO的低溫抗沖擊性、 耐化學(xué)藥品性和涂裝性也較優(yōu)越。該公司推出的混合型TPO產(chǎn)品， 具有較低的線脹系數(shù)， 尺寸穩(wěn)定性好，能滿足汽車配件對(duì)尺寸偏差日益嚴(yán)格的要求， 具有較低的收縮率、 高的流動(dòng)性、良好的涂裝性和低溫抗沖擊性 ( 沖擊強(qiáng)度為 3.53MPa)，已用作新的大眾 Beetle車的保險(xiǎn)杠。該車在公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)進(jìn)行的小型汽車碰撞試驗(yàn)中性能最佳。Montell 公司生產(chǎn)的高彎曲彈性模量TPO已被用于該車保險(xiǎn)杠，其壁厚從3.2～3.5mm，降為 2.4mm，質(zhì)量為2.37kg，大大節(jié)省了成本和縮短了成型周期，顯示了巨大的應(yīng)用潛力。Exxon Mobil化學(xué)品公司推出一種用茂金屬合成的改性TPO，質(zhì)量輕并可加工成薄壁保險(xiǎn)杠，壁厚減少了25%以上。
 

（2）TPO在汽車車身外板上的開發(fā)動(dòng)向
 

TPO能應(yīng)用于車身外板是由于開發(fā)了尺寸穩(wěn)定的TPO配混料，解決了熱膨脹問(wèn)題。通過(guò)配混礦物和玻璃填料與各種橡膠，已將TPO的熱膨脹系數(shù)降低 50%～75%，并且剛度、光澤度、耐沖擊性和耐擦傷性也都很高。高模量低線脹系數(shù)TPO還可作汽車其它外裝飾件，包括散熱器格柵、車輪護(hù)罩、 車門檻板等。D&S國(guó)際塑料公司推出的低線脹系數(shù)TPO系列的彎曲彈性模量為552～2275MPa ，線脹系數(shù)僅為通用TPO的50%。這對(duì)制造尺寸較長(zhǎng)的外裝件很有利，可省去為防止彎曲而設(shè)計(jì)的支撐部分，作側(cè)面模塑件和車門檻板。20%礦物增強(qiáng)品級(jí)的TPO的彎曲彈性模量為2275MPa ，性能與一種PC/ABS合金相同，而質(zhì)量要輕7%，可作車身護(hù)板、車輪護(hù)罩、儀表板等，滿足耐熱沖擊標(biāo)準(zhǔn)要求?；旌闲蚑PO產(chǎn)品，具有高光澤，彎曲彈性模量為550MPa ，主要用于汽車側(cè)身彩色模塑件。
 

（3）TPO在汽車其它部件上的應(yīng)用
 

TPO又一較大潛在市場(chǎng)是作機(jī)動(dòng)車身門、窗及其它部件的密封材料。目前機(jī)動(dòng)車身密封都采用三元乙丙橡膠， 一輛車約用12kg。歐洲每年生產(chǎn) 1200萬(wàn)輛機(jī)動(dòng)車， 總需求量超過(guò)15萬(wàn)t ，而全世界約需44萬(wàn)t/a 。TPO在車內(nèi)應(yīng)用的最大潛在市場(chǎng)是取代PVC作大型部件如儀表板、 車門內(nèi)裝飾板等蒙皮。與PVC相比，除了可回收性外， TPO還有如下優(yōu)點(diǎn)：長(zhǎng)期耐紫外線性、顏色穩(wěn)定性、質(zhì)量較輕、無(wú)增塑劑遷移問(wèn)題。TPO的一個(gè)缺點(diǎn)是缺乏輕質(zhì) PVC皮革樣的柔軟觸感，但利用與苯乙烯類彈性體和硫化膠等填充劑摻混的新配混技術(shù)，已使PO-T能具有與PVC十分接近的柔軟性。
 

熱塑性聚烯烴在新車型中應(yīng)用的典型案例，是尼桑2014款Rogue車型率先采用熱塑性聚烯烴作原料生產(chǎn)汽車后備箱蓋，結(jié)果獲得美國(guó)塑料工程師協(xié)會(huì)頒發(fā)的“2014汽車創(chuàng)新大獎(jiǎng)”。據(jù)悉，該汽車后備箱蓋采用熱塑性聚烯烴PP樹脂打造。噴漆A類外門板由里安德巴塞爾工業(yè)(Lyondellbasell)具有極高熔體流動(dòng)性、高剛度、高沖擊性能、礦物填料填充熱塑性聚烯烴(TPO)牌號(hào)制造(據(jù)說(shuō)是北美首次在外部提升式門中使用這種材料)。這一罩蓋不僅質(zhì)量輕(凈重是等體積傳統(tǒng)復(fù)合材料的70%)，在性能方面也有很大的改良。
 

陶氏化學(xué)公司也推出了適用于汽車內(nèi)飾及外飾零件的熱塑性聚烯烴(TPO)材料的新牌號(hào)—ENGAGEXLT聚烯烴彈性體，能為復(fù)合材料生產(chǎn)商、模制品生產(chǎn)商、汽車生產(chǎn)商以及消費(fèi)者帶來(lái)多種性能優(yōu)勢(shì)。

▼陶氏將聚烯烴彈性體應(yīng)用于汽車輕量化

北歐化工與博祿公司在他們最新一批研發(fā)成功的新型工程塑料當(dāng)中，DaplenTMEE058AI和FibremodTMWE380HP是最成功的代表。DaplenTMEE189HP抗沖擊力強(qiáng)，還具有優(yōu)異的防紫外線和耐刮擦性，非常適合應(yīng)用于汽車工業(yè)。而作為DaplenTMEE189HP的改良版，熱塑性聚烯烴 DaplenEE058AI采用tigerstripe-free專利技術(shù)生產(chǎn)，避免了傳統(tǒng)聚烯烴在使用后會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)條紋，影響產(chǎn)品外觀的問(wèn)題。FibremodWE380HP則是一種新型PP復(fù)合材料，在以PP為原料的基礎(chǔ)上融入了10%的礦物填料及20%的玻璃增強(qiáng)型纖維，具有高耐熱性能，良好的尺寸穩(wěn)定性，還可進(jìn)行多次深加工，可廣泛應(yīng)用于汽車機(jī)構(gòu)性部件。
 

汽車輕量化、節(jié)能環(huán)保及軌道交通發(fā)展，將使交通用塑料需求繼續(xù)增長(zhǎng)。目前，歐美等國(guó)的汽車塑料用量已占10%~15%，中國(guó)在10%左右。隨著聚烯烴的生產(chǎn)、加工以及催化、填充等改性技術(shù)的不斷進(jìn)步，聚烯烴在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越多，尤其是在當(dāng)下汽車輕量化、節(jié)能環(huán)保趨勢(shì)下，車用聚烯烴改性材料更是發(fā)揮了巨大作用。
 

目前汽車行業(yè)愈加追求輕量化、高性能屬性的材料，通過(guò)減少汽車的整體重量，達(dá)到節(jié)省燃油目的，從而促進(jìn)企業(yè)銷售的增長(zhǎng)。汽車輕量化已然成為汽車行業(yè)重要發(fā)展趨勢(shì)之一，而在此趨勢(shì)的推動(dòng)下，眾多輕量化材料的需求正迎來(lái)強(qiáng)勁增長(zhǎng)。