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车用塑料的技术发展趋势

  为满足汽车日趋智能、舒适、环保低碳及降成本的需求,车用塑料作为车用材料中的一员将发挥日益重要的作用,并朝着功能化、轻量化、绿色环保化以及低成本与高质量的平衡方向发展。

  目前,我国汽车工业进入了一个高速增长的发展阶段,汽车产销量双超1800万辆,居于世界第一位。在汽车产业快速增长的拉动下,一个与汽车有关的高增长产业群体已形成,以塑料为代表的非金属材料产业就是这个产业群之一。作为汽车材料的重要品种,车用塑料的产值正在不断增长,同时其技术发展趋势也越来越受到业内的关注。

  那么,车用塑料的技术发展趋势是什么呢?这需要从整个汽车发展的方向来看。由于未来的汽车更智能、更舒适、更环保低碳及更便宜,因此车用塑料的发展趋势大体可以归为以下几个方面:功能化、轻量化、绿色环保化以及低成本与高质量的平衡。

功能化
  根据新浪网对消费者购车的调查分析可知,车的外型、颜色以及内饰的设计已成为消费者购车的重要因素之一,仅次于价格和安全性。由于汽车的价格和安全性相对变化不大,因此汽车的舒适美观化是消费者最关注的内容之一。而汽车的舒适美观化,离不开材料越来越高的功能性。从消费者对内、外饰的要求来看,车用塑料的功能化趋势体现在低气味性、颜色多样性等多个方面。

  汽车内饰材料的低气味性是近来消费者关注的一个热点。新车是否有气味已成为消费者购买汽车的一个重要因素。虽然我国目前还没有专门针对汽车车内空气污染而制定的检测标准,但是很多国内的汽车公司已经开始针对汽车车内材料、安装工艺的环保问题进行专题研究。鉴于国际知名汽车主机厂针对汽车内饰件所使用的材料都有严格的气味、挥发性气体的测试标准,并且这些标准随着消费者需求的提升而变得越来越严格;加之我国的汽车行业相关标准也日趋与发达国家看齐,汽车内饰材料的低气味性一定是最近5~10年的一个显着趋势。

  内饰材料的颜色开始呈现多样化的趋势。传统的内饰颜色主要以哑光的黑色和米色为主,这主要是从驾驶的安全性考虑——低光泽、冷色调,使驾驶者的眼睛不易疲劳。然而现在内饰的颜色在保证安全的前提下,选择越来越人性化,以满足不同消费者的需求。例如,在运动款的车型上采用了钢琴黑、月光银等高光泽的颜色效果。这些高光泽的颜色主要用于不影响驾驶员视线的位置,如仪表板腰线以下零件、副仪表板和门板。其主要的设计理念是提升内饰的档次和给消费者在带来新鲜感。具有橘红色、嫩黄色等鲜艳色调的内饰,不仅在车主购买时起到吸引眼球的作用,而且在平常的驾驶环境中可以调整驾驶员的心情,使其心情变得愉快和兴奋。目前,这些鲜艳的颜色在座椅上已获得了广泛应用,在仪表板、副仪表板的装饰条上也开始有所应用。内饰材料颜色的多样性,要求基础树脂具有良好的后加工性以及染色性、耐候性。

  抗静电材料也是汽车内饰材料的发展趋势之一。塑料具有高电阻率和低介电常数,容易摩擦起电,且电荷很难被导掉,因此容易产生静电吸尘、干燥环境下火花放电等不良现象。为解决这一问题,提高驾乘的舒适性,德国大众汽车从2009年开始要求部分汽车内饰件具有永久抗静电的功能。这些内饰件包括手经常触摸的部件,如内后视镜的边框、顶棚上的眼镜盒等,所用材料为PC/ASA、PA/ASA合金等抗静电塑料。

  基于较低的密度和成本,聚丙烯多年来在汽车内饰中被广泛使用。不过,聚丙烯材料也存在一定的问题,比如矿物填充的聚丙烯材料表面易划伤,出现发白的现象,影响消费者的使用。最近几年,这一现象得到了很大的改善,但部分耐刮擦聚丙烯材料又出现了表面易发粘的不良现象。因此,聚丙烯填充材料以后的一个发展趋势是,不仅其耐刮擦性能良好,而且不会出现手感不好的情况。另外由于客户触感的需求,汽车内饰将会越来越多地使用软质仪表板。这也就意味着发泡材料及TPO材料会有更多的应用。

  能镀铬的塑料材料(主要是PC/ABS、ABS材料)目前被广泛应用于汽车内、外饰上,如汽车徽标、散热格栅、后视镜、排挡装饰件和轮毂罩等等。与金属相比,塑料电镀制品不仅可以很好的实现金属质感,而且能减轻制品重量,有效改善塑料外观及装饰性,大大提高设计自由度,同时改善其在电、热和耐蚀等方面的性能。镀铬产品由于能彰显高品质形象而被高级车大范围的使用。例如,上海通用于2009年推出的新君越车型,甚至给后车灯增加了电镀的“眉毛”,以彰显新一代高级车的时尚感。近来,这种应用又从B级车扩大到A级车,如上海通用随后推出的英朗等车型也开始大规模使用镀铬材料。这意味着,电镀级的塑料材料将会更多地使用在汽车外饰件上。

  随着消费者更愿意与大自然及天空实现更开放的接触,消费者对天窗特别是全景天窗的需求更为强烈。同时这一趋势也使得大规模地使用塑料材料来替代玻璃成为可能,因为使用透明的塑料材料(如PC材料)可以带来更大的设计自由度,使得天窗具有更大的开口尺寸及更大的有效开口。相信不久的将来,全塑料的全景天窗将会大面积地应用在量产车上。

  随着80后、90后的人群成为购买车辆的主要人群,运动款车型及跑车成为

  年轻人的新选择,而运动款和跑车的一个显着特征便是塑料扰流板(尾翼)的使用。扰流板的主要作用是可以减少车辆尾部的升力,如果车尾的升力比车头的升力大,就容易导致车辆过度转向、后轮抓地力减小以及高速稳定性变差。由于塑料扰流板大部分由吹塑级ABS经过成型、喷涂后制作而成,因此吹塑级ABS材料将会更多地使用在汽车扰流板上。

轻量化
  汽车材料技术发展的另一个主要方向是使汽车轻量化,减轻汽车自身重量是降低汽车排放、提高燃油效率的最有效措施之一。汽车的自身重量每减少10%,燃油的消耗可降低6%~8%。预计未来10年内,轿车自身重量还将继续减轻20%。除了高强度钢材和铝镁合金的使用,汽车轻量化最重要的手段是新型轻量化塑料材料的开发与应用,目前“以塑代钢”已经从汽车结构件扩展到整个汽车的内外饰件。

  在内饰材料中,一个显着的趋势是LFT材料的应用。LFT是英文“Long-FiberReinforceThermoplastic”的简称,中文译为长纤维增强热塑性塑料,又习惯称之为长纤维增强热塑性复合材料,它是纤维增强聚合物领域的一种新型高级轻量化材料。据最新统计,汽车行业的LFT消耗量约占世界LFT行业总消耗量的80%。其中,欧美LFT消耗量大约占95%(欧洲占80%,美国占15%)。LFT材料目前在汽车内饰应用最多的是PP长玻纤增强材料,主要应用于软质仪表板骨架。长玻纤材料不仅具有良好的刚性和强度,而且其抗冲击强度也远比过去的短玻纤填充材料高。这种玻纤增强材料已开始在汽车门内模块内大量使用,以取代过去的钢铁。因为长玻纤增强材料不仅可以降低整个零件的重量,而且其设计自由度大幅提高,从而方便了工程人员的设计。内饰件的薄壁化也会减轻汽车的重量,目前内饰部件的平均壁厚已从过去的3mm减少到现在的2.2mm左右,而且还有更薄的趋势。由于薄壁化需要材料具有更高的模量和流动性,因此从长玻纤增强材料在更加轻薄内饰件中将会得到更多的应用。这里顺便提及的是,通过结合高低温冷热成型(heatandcold)技术,长玻纤增强材料还能够更好地实现在零件A级面上的使用。例如,对于仪表板除雾格栅产品,采用PBT/ASA+15%GF的材料替代传统的PC/ABS材料,不需要二次喷涂,就可直接通过材料和模具实现哑光的效果。

  在外饰材料中,“以塑代钢”的案例更多,保险杠的前端模块近几年开始使用PP长玻纤增强材料;保险杠缓冲梁则由PC/PBT材料替代过去的钢铁材料;一些SUV车型上的行李支架越来越多的由工程塑料制成;可以和白车身一起进行电泳涂装的PA/PPE材料目前也已经开始应用在翼子板上,如东风标致雪铁龙的多款车型都采用了这种塑料翼子板。值得注意的是,使用塑料翼子板的趋势在汽车行业已越来越明显。

  在汽车发动机周边零件中,“以塑代钢”的趋势则更为显着,包括进气歧管、汽车发动机盖及油箱等诸多零件。这些零件通常采用的材料以尼龙玻纤填充材料为主。

绿色环保化
  绿色制造日益成为汽车制造业的主要发展方向。特别是自欧盟议会及欧盟理事会通过了ELV相关指令(废弃车辆指令2000/53/EC和汽车关于可回收利用性形式批准指令2005/64/EC)后,对汽车的设计、材料的选择以及制造等均提出了更高的要求。根据ELV的回收指令规定:自2006年1月1日起,每一辆报废汽车,其平均重量至少应有85%能够被再利用,其中,材料回收率至少为80%。自2015年1月1日起,这两项指标将分别提升至95%和85%。这就意味着,汽车零部件的设计及其选用材料应遵循便于回收利用的原则。因此,汽车用非金属材料的总体发展趋势是共用化,也就是材料的集中化。当然,材料的选择应尽可能地选择可以回收的热塑性材料,也就是尽量少用和不用热固性材料。因此从回收利用的角度来看,热塑性材料会更广泛地应用在汽车内外饰中,这样,材料的集中化和共用化也就顺理成章。近年来,内饰材料尤其以改性聚丙烯类材料的共用化趋势较为明显。当然,推动聚丙烯类材料大量使用的驱动力不仅仅是受到ELV相关指令的影响,更重要的是,通过聚丙烯材料的共用化,一方面降低了整车厂对非金属材料的使用成本和管理成本;另一方面,聚丙烯材料较低的密度和较高的流动性,更有利于减轻零部件的重量和提高工艺性等。

高质量与低成本的平衡
  高质量与低成本的平衡不仅仅是汽车主机厂的设计要求,而且也是汽车用材料的发展方向。如何能够做到高质量与低成本的平衡,是目前国内外汽车主机厂最为关注的焦点问题之一。通常,在国内合资品牌车厂都有“VAVE”的过程,也就是通过技术的提高来降低成本。比较常用的手段是实现原材料国产化。正是由于大规模的优秀国产材料供应商的加入,才使得汽车总成本的降低成为可能。然而,汽车主机厂如果仅仅考虑单方面的原材料的成本降低是远远不够的,因为原材料成本的降低是有限的,降低幅度一般在10%~20%之间。而如果能够对所用材料进行革新或是采用降低系统成本的方案,那么零部件的成本节约可以达到50%,甚至更高。

  目前,用于制造汽车内、外饰的“免喷涂方案”就是一个很好的降低系统成本的方法。过去,汽车内饰材料通常采用对塑料基材进行喷漆的手段来达到内饰美观的功能。表面装饰漆不仅可以保护树脂基材,而且可以实现高光、哑光等表面效果,并同时实现耐侯,耐刮擦等功能。但是,喷涂工艺也带来了一些问题:首先,流程较为复杂,注塑毛坯件后,需要增加运输、预处理及涂装等基本环节,部分喷漆工艺还需要底漆、面漆及UV固化漆等多道生产工序;其次,每个制造过程产生的缺陷件由于已经喷涂过热固性油漆,不易剥离,导致最后回收困难,污染环境;再次,内饰件使用不可回收的热固性油漆,也给满足ELV法令的要求带来了挑战;最后,使用油漆使得整个零件的成本一般增加1倍甚至2倍。

  现在,随着材料和模具工艺的发展,采用免喷涂材料直接注塑成零件(MoldInColor)来满足主机厂的要求,已成为内饰应用的新趋势。免喷涂产品表面不用担心橘皮现象,即便有损伤,也不会出现露底现象(基材与面漆有明显色差)。目前许多材料厂商都推出了汽车用免喷涂哑光系列树脂,它们包括低光泽PC/ABS、低光泽PA/ASA和PA/ABS、低光泽耐热ABS以及PBT/ASA玻璃纤维填充材料。这些材料已经应用于转向柱盖、手套箱、中央面板饰框、遮阳板、立柱饰板及仪表板两侧堵盖等汽车内饰件。

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