1、汽车塑料：展现价值文章来源： 现代塑料汽车需求的下滑没有造成塑料业创新的停滞。事实上，最近发布的一些进展表明，在当前全球经济的困难时期，塑料比以往任何时候更能体现自己的价值。因为塑料新材料和新工艺可以帮助汽车制造商获得低成本、质轻以及易于回收的部件和系统。在 2008 年 SPE 汽车复合材料会议和第 38 届 SPE 汽车年度创新奖评选活动中，塑料材料、塑料工艺的进展和创新性的塑料产品设计得以集中亮相。其中，新开发的工艺包括双片材吹塑成型燃油箱和内护面焊接技术。在材料方面，可以滑动成型的 TPE、小块的SMC 及用于车身板的热塑性复合材料已被开发出来。另外，碳纤维复合材料的大规模生产已取得突
2、破。创新的油箱工艺Inergy 汽车系统公司开发出了一种新的双片材吹塑成型技术。该工艺获得了“ 加工/装配/有效技术类”大奖。该工艺免去了后成型工序，能够满足严格的加利福尼亚州规定的零排放汽车(PZEV)要求。该工艺生产的汽车油箱已经被用在 2009 宝马 7 系轿车中，它与标准的吹塑成型油箱一样，具有 6 层 HDPE/EVOH 结构。图 1 Inergy 汽车系统公司的双片材吹塑成型工艺，用于多层燃油箱的成型。该工艺免去了后成型步骤，其产品达到了 PZEV 排放要求料坯在挤出机机头和一个适配器处被分开，形成 2 片 810mm 厚的片材，然后落入模芯和动模之间。模芯装配有 315 个手动放
3、置部件，如翻转阀、燃料输送模块和水平传感器。在片材成型时，模芯与以上部件相接，之后空模芯后退，模具闭合，片材膨胀成型。与传统吹塑油箱工艺相比，新工艺的整个成型的周期缩短了 5s。该油箱仅需一个孔以嵌入燃料输送模块。据称，这种工艺能够更好地控制壁厚以减轻重量。另外，用该工艺生产满足 PZEV 要求的油箱，要比传统生产工艺更经济。据 Inergy公司称，另一种双片材吹塑成型油箱工艺将于 2009 年在欧洲得到商业化。另一个创新的“吹塑成型应用和外车身板类 ”的获奖产品是业界首次出现的一体化挡板和踏脚板，该产品被应用在福特 2008 Escape SUV 上。挡板、踏脚板衬垫和踏脚板采用了15%玻纤
4、增强 PP，经吹塑制成一体化制品。由于改善了装配性和装饰性，该部件被安装在车身侧面，而不是位于车身下部。该部件由 ABC 集团成型，长达 1.75m。和传统部件相比，其刚性提高了 56%，重量减轻了 3.9kg，并使每辆车可节省部件成本和装配成本$5。图 2 图为业界首次应用的一体化挡板和踏脚板。该部件由 15%玻纤增强 PP 制成，被安装到 2008 福特 Escape SUV 上Extol 公司的红外焊接工艺进入了“工艺/装配/ 有效技术类”奖的最后角逐。该工艺可在汽车顶棚装配中取代热熔胶工艺。该工艺的首次应用是在 2009 福特 F150 皮卡顶棚的生产中，该顶棚由 TrimQuest
5、公司加工成型。紧凑的焊接头发射红外线将不同的塑料部件熔融焊接到一起。这种柔性密封，确保了焊接部件之间的无缝结合以及最高效率的热传导。气动焊头压力为 0.14MPa，能够确保焊接点聚合物的混熔，从而使焊接更加牢固。冷却空气穿过焊接部位带走热量。通过使用夹具，多个部件的焊接可在 2030s 内完成。图 3 HydroPlast 系统由 SABIC 创新塑料公司和 Vari-Form 公司联合开发，首次被应用在 2008 福特 Falcon 上对于福特 F150 的车顶棚而言，不用热熔胶装配，能够减轻重量 10%15%,同时使生产周期缩短 20%40%。此外，红外焊接工艺还能够降低噪声，提高可回收性
6、。Extol 已经证明该工艺能够用在车门板、地板、储藏柜和茶托上。据了解，另一款福特汽车在 2009年夏天也将采用这一工艺。图 4 第一款用于轿车的热塑性塑料油盘模块是底盘/金属件奖的优胜者。该模块将压铸铝上盖与多功能玻纤增强 Zytel 尼龙 66 下部外壳整合到了一起新型前端一种使用了液压成形金属管的塑料/金属复合技术成为“底盘/金属件类”奖的最终入围者。该技术首次应用在 2008 福特 Falcon 车型的前端上。这种新的 HydroPlast 系统的开发历时 4 年，由 SABIC 创新塑料和 Vari-Form 公司联合研发。金属板在顺序压力液压成型下，能够形成密闭式圆筒，无需包覆成
7、型塑料加强筋，这与以前的开放式复合结构有所区别。金属管与玻纤增强 Noryl GTX PPO/尼龙进行包覆成型，并且 3D 附件或者 SmartLok 连接件也在管子与塑料之间直接成型。最终的结果是，使钢与塑料都发挥出更好的功效。与竞争的印花钢结构件相比，该技术可将部件的重量减轻 20%，并可减小包装空间、提高气流的散热效果，以及将尺寸公差控制在1 mm 以内。该技术的其他应用如仪表板等，也正在开发当中。“底盘/金属件” 奖的优胜者是第一种用于旅行车的热塑性油盘模块。该模块上部采用了铸铝盖，底部外壳采用了杜邦的 35%玻纤增强 Zytel 70G35 HSLR 尼龙 66 注射成型。这种油盘目
8、前安装在 Daimler C 级柴油轿车上，比全铝油盘轻 1kg。另外，由于热稳定尼龙的流程长，因而注射成型周期可缩短 20%25%。在 150下，该油盘具有更好的刚性和耐油性。一体化的气阻托盘/ 挡油圈被焊接到油盘的平坦部位。这种一体化的挡油圈改善了燃油的流动性，从而减小了燃油的晃动。对于该部件，杜邦还希望再集成一些其他部件，如导油管、油水平开关、油过滤器以及其他的回油部件。图 5 图为 Inteva Products 生产的搪塑 TPE 仪表板蒙皮。其使用的苯乙烯/烯烃共混物与 PVC 或者 TPU 相比，具有相当或者更好的性能，同时重量可减轻20%，VOCs 排放或者雾化也更低材料创新材
9、料类奖的优胜者是搪塑仪表板蒙皮，据称该技术首次在北美使用。该部件所用的苯乙烯/聚烯烃共混物名为“Invision TPE”，由内饰件生产商 Inteva Products 开发。据报道，这种仪表板蒙皮与 PVC 或者 TPU 蒙皮性能相当甚至更好，但是重量减轻了 20%，并且无VOCs 排放或雾化。该仪表板蒙皮被用在 2008 GM Saab 9-7X SUV 上。该材料能够利用 PVC 或者 TPU 加工设备进行成型。其配方具有低粘度、低剪切的特点，独有的添加剂具有优良的粉末填装和高流动性，粉末无聚集，同时降低了孔隙率。该材料的另一个关键特点是具有-35的低温延展性和更好的长效耐候性以及尺寸
10、稳定性。Inteva 已经将许可证颁给混配料供应商 A. Schulman 公司，以让其在美国和欧洲制造和销售 Invision TPE。材料类奖入围者还包括使用了纳米粘土的轻质 SMC，据称这是第一种没有使用中空微珠而获得低密度的材料。使用这种材料制成的卡车引擎盖，其重量可比原部件减轻 20%。这种引擎盖基于 Arotran 720 聚酯（A 级表面树脂）和 Arotran 740 聚酯（用于结构增强），这两种树脂都来自 Ashland 复合材料公司。据 Ashland 高级研究员 Helena Twardowska 介绍，原来 200 份的碳酸钙填料可以用2050 份的增强型填料和 35
11、份的来自南方粘土公司的 Cloisite 纳米粘土取代。纳米粘土具有很高的分散效率，使用少量的纳米粘土即能形成微孔。这种粘土可将高温模量提高15%20%，并且能够减少收缩，改善制品表面质量。图 6 Ixis 热塑性复合材料片材由 Azdel 和 SABIC 创新塑料开发，可用于车身板的制造。这种车身板拥有连续非取向纤维外层和无规短切纤维芯层为改善涂膜性能，Ashland 在该 SMC 配方中添加了丙烯酸酯增韧剂。该材料密度虽较低，但其机械性能并没有下降，而且可以通过现有设备来加工。 Ashland 称，该材料的成本比标准的 SMC 高 15%，此外还有其他几种轻质的 SMC 材料，可用作行李盖
12、和其他一些汽车配件。外饰件奖的最终入围者是用于业界首个隐形触摸板非钥匙式系统的有机玻璃门柱贴，这种系统目前应用在福特 Flex 和林肯 MKS 车型上。该门柱贴使用了 Altuglas International 公司开发的耐冲击和抗刮擦的 Plexiglas 有机玻璃尾灯材料。该材料通过新型着色剂被配成深黑色，其光泽超过了带有硬镀层的 PC、预喷涂铝和粉末喷涂钢。使用这种新材料制造门柱贴，每个可节约成本$2.5。该门柱贴采用双色注射成型，包括 1 个黑色改性有机玻璃组件，以及 1 个由中等冲击强度有机玻璃制成的 2mm 厚、半透明的非钥匙式窗口。内饰件奖的最终入围者是福特与混配料供应商 Ad
13、vanced Composites 公司开发的TPO。据说该材料开创了新的低温韧性标准，可用在无缝气囊上。新 TPO 用在福特福克斯和林肯 MKS 上，在-40时也具有延展性，能够达到福特的低温抗冲击要求。气囊系统由 Automotive Components Holdings 公司注射成型，比软质仪表板式气囊成本低且轻2.3kg。内饰件的获奖者是福特 Flex 车型的模块化的控制台底托架和变速箱组件。该结构件在注射成型时，由于使用了 20%玻纤增强的回收 SMA 作为变速箱组件的底板，因而免去了金属框架的使用。这样使得整个系统的装配得到了简化，并改善了装配性能和外观，以及优化了封装性能。同时
14、，成本也得以降低，重量则减轻了 2.3kg。新车身板解决方案在 SPE 汽车复合材料会议上，SABIC 创新塑料和 Azdel 联合介绍了 Ixis 157 材料。这是一种组合型热塑性复合材料，专用于制造水平车身板。这种车身板具有三明治结构，其芯层是 50%无规玻纤增强的 PP，2 个表皮（0/90）由 60%的连续非取向玻纤增强的 PP制成。该表皮达到 A 级标准，尺寸稳定性好，易于加工，并使材料总成本降低。据介绍，2 个表皮层通过压延而被粘接到芯层上，最终形成 2mm 厚的板材。该板材比钢轻 50%，具有良好的隔音性能，并且专为离线喷涂而设计，其 HDT 达到 157。图 7 在 2008
15、 福特 Mustang 以及福特其他 8 款车型的PUR 发泡座椅中，大豆基多元醇取代了 12%的石油基多元醇Ixis 157 材料适于采用铝制模具的低压成型(0.10.7 MPa)，当其板材产量达到 100 000 个/h 时，可比钢板节约 85%的成本。该材料的压缩成型周期为 2min，小批量生产时可以采用 200 的真空袋成型，成型周期为 20min。尽管该材料已被应用在通用的 Chevrolet Volt 和 Hyundai QarmaQ 概念车上，但是还没有真正实现商业化。预计在 2009 年，欧洲和美国的汽车厂商会将其应用到汽车顶棚上。目前，另一种相似的复合材料 Ixis 200
16、已经上市。该材料是基于 SABIC 创新塑料的 Xenoy PC/PBT 开发的，其 HDT 为 200，可以在线喷漆和进行 e 涂层处理。碳纤维引人注目碳纤维复合材料在汽车领域经历了一个井喷式发展。高性能和定制化奖被授予了 2009 Corvette ZR1（第一款能够满足 FMVSS 前端撞击测试的量产车型）的 A 级引擎盖。该部件使用的碳纤维/环氧树脂预浸料坯的弯曲模量达到 96 527MPa，重量 5.4kg，仅为 SMC引擎盖的一半。该部件为两板结构，外板经过喷涂而获得 6 层未取向 A 级表面，含有织物的预浸料坯内板则经过抛光而获得接近于 A 级的表面。此外，该引擎盖还于业内首次配
17、置了透明的聚碳酸酯视窗，同时为减小刮擦、起雾和腐蚀，还使用 Ashland 开发的胶粘剂在其表面粘结了一层 PUR。Plasan 碳纤维复合材料公司采用真空灌注和高压罐成型引擎盖。其使用的环氧树脂来自 ETS 公司，具有快速固化及低 VOC 排放的特点，并被预先加入了紫外线稳定剂。Plasan 可在不超过 60min 的时间内，在 143下固化 8 个引擎盖。Plasan 为此还使用了自动化的粘结、机加工和检测系统。“模具成本在$100 000 以下，这比 SMC 模具成本低90%。因此，最终部件的制造成本比 SMC 更具竞争力。 ” Plasan 工程经理 Gary Lownsdale 说。
18、 Plasan 的另一种碳纤维引擎盖已在福特 Mustang Shelby 500KR 上得到商业化应用。图 8 Hyundai Verna 的汽车格栅首次使用了带有 Soliant 公司铬质漆膜的 6 个ABS 嵌件的模内装饰工艺可再生技术“环境类” 奖项的优胜者是首次使用大豆基多元醇制成的聚氨酯（PUR）发泡座椅。在2008 福特 Mustang 以及福特其他 8 款车型的 PUR 发泡座椅中，有近 12%的石油基多元醇被大豆基多元醇所取代。该技术的研发合伙公司 Lear 称，他们从 Urethane Soy Systems 公司采购大豆多元醇，再通过特殊的工艺将其与传统的多元醇共混。这种
19、共混配方可以减少 66%的 VOCs 排放，同时显示出比石油基多元醇更低的雾化水平。对于未来的计划，Lear 和福特将增加大豆基多元醇的含量，使之达到 25%。同时，福特将为 John Deere 公司颁发技术许可证，以进行其他内饰发泡部件的探索，如头部缓冲垫、椅子扶手和中央控制台。“环境类” 奖的另一个入围者是首次使用回收 TPO 制成的耐候性部件。该部件是 GMC Envoy 和 Chevrolet Trailblazer SUV 的进气板，其注塑材料使用了 100%的回收 TPO，配方中包含 20%的滑石。回收公司 MRC Polymers 的专利涂层去除工艺，能够以最小的污染回收 TP
20、O 材料。据说这种回收料与原始料的物理性能相当。由于水基回收工艺所产生的废物经烘干后一般可作为填料出售，因此与原始料相比可节约 2.2%的成本。更重要的是，每年将有 202t 的填埋废物被重新利用。模内装饰“工艺/装配/有效技术类”奖的最终入围者还包括 Hyundai Verna 汽车的铬质表面前格栅，据称这是首次使用超过 4 种装饰薄膜与注射成型同步制成一个部件。该前格栅的 6 个热成型嵌件由 0.5mm 厚的带有 Soliant 公司铬质漆膜的 ABS 片制成，它们通过一步注射成型被嵌入到 ASA 芯层中。该方法由于消除了电镀铬、修饰和喷涂的后处理步骤，从而提高了产品的可回收性和制品的耐久
21、性。Soliant 公司和韩国模塑商 Motost 开发了用中央浇口代替连续浇口，以便可以处理多嵌件的专用模具。该模具的工作原理是通过在模芯和模腔侧面创建分流器来实现对塑料熔体的最大控制。首个 EPP 头枕“安全类” 奖的入围者是首次应用的蒸汽室成型发泡 PP 头枕，该头枕达到了 FMVSS-202a 对头部舒适的要求。福特的几款车型，如福克斯、 Flex、 MKS 轿车 以及 F-150 卡车均装配了这种头枕。该部件的生产是由 3 家公司完成的，其中，JSP International 公司生产和销售 EPP 粒料，Tegrant 公司完成 EPP 的成型，Windsor 机械集团完成整个部件的装配。在整个部件中，泡沫被成型到局部的凹陷中，因而降低了残余变形，满足了FMVSS-202 的凹陷和高度保持能力要求。搭扣的设计取消了滑片和推杆，使头部更加安全。该部件的大小适当，可在 32 腔模具上成型。其成型模具的成本显著低于注射模具或者吹塑模具。线切割 PS 发泡可用于低成本的头部冲击能量吸收装置的制造。这一产品是安全类奖项的最终赢家。陶氏的 Impaxx PS 发泡片材以块状挤出，接着采用线切割技术使其具有复杂形状。该工艺的优势是无需模具、部件重量减轻 25%（与竞争产品相比），以及设计和生产可在 5 天内完成。
