塑料在汽车工业中应用的探讨.doc

塑料在汽车工业中应用的探讨166应用方法论科201莸12藉1年第期塑料在汽车工业中应用的探讨李锦炫(郑州宇通客车股份有限公司,河南郑州450016)摘要本文介绍了几种常用下程塑料的组织,成分和力学性能特点,以及它们在汽车工业中的应用,分析塑料的主要性能项目,并指了它们在汽车制造方面的选择依据.关键词程塑料,力学性能,选择依据中图分类号U46文献标识码A文章编号16739671一(2011)062016601随着汽车普及率的迅速提高,降低车身自重,节能降耗级降低成本已成为汽车工业发展的主要目标之一.塑料用于汽车工业除了质量轻,安全舒适等优点外,还有比金属更耐腐蚀的特点.此外,塑料还具有设计灵活性大,易加工,可一次成型复杂部件,以实现自动化从而降低成本等优点.近30-#来,国际上汽车塑料的用量在不断增加,平均每辆车上的塑料的用量从20世纪70年代初的5060kg发展到目前的150kg,目前我国平均每辆轿车塑料用量为100kg,达到国b2ot!t纪804代中期水平.汽车业已将汽车用塑料量的多少座位衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志,并明确指出全塑车身是未来汽车的发展方向.可见,塑料在汽车行业的应用空间依然广阔,塑料和汽车行业将达成共赢的工业格局.1汽车塑料件用材料汽车用塑料零部件主要有3类:内饰件,外饰件和其他结构功能件.汽车塑料品种有聚乙烯,聚氯乙烯,聚丙烯,ABS,聚酰胺,聚碳酸酯,聚甲醛,聚氨酯等,一般使用的都是它们的改性材料和复合材料,下面介绍三种典型的工程塑料的性能及应用.1.1高密度聚乙烯(HDPE)PE是通用塑料中产量最大的品种,虽然它具有优良的耐大多数生活和工业用化学品腐蚀的特性,但某些种类的化学品仍会产生化学腐蚀,故目前用双峰分布的HDPE制作汽油燃料油箱.HDPE是一种结晶度高,非极性的热塑性树脂,其中相对分子质量高者,提供燃料箱足够的强度;相对分子质量低者,提供成型加工性,以满足安全性,阻燃,耐热,抗冲,对汽油的阻渗性的要求.随着对阻渗性要求的提高,采取了若干改性方法,如对PE油箱氟化,磺化,PE与尼龙(PA)多层共挤出,涂Pu树脂的阻渗层化接混技术.后者是在HDPE中形成不连续的,相互重叠O.550um厚的PA薄片阻隔层,使阻渗能力极大提高.1.2聚碳酸酯(PC)PC是优良的工程塑料,其特点为耐热(热变形温度为134135),透明性好,透光率达89%(与具有优良透明性的PMMA相近),冲击韧性高,尺寸稳定性优异等,但其耐化学药品性(有机溶剂,碱性)差,表面硬度较低.PC在汽车工业中用途主要为:1)利用透明性,制灯罩和窗玻璃,但为改善其耐磨性,需涂表面硬化层,改善表面硬度和透明性,提高防雾,防眩和耐热性.2)利用其它强度不同的材料对PC改性,开发了一系列工程塑料合金,IIPC/ABS,PC/PBT(PE)等,广泛用于内,外装饰板等受力的部件上,如PC/ABS制作的汽车仪表板.夏天,汽车仪表板表面温度可达115130oC,由ABS转向PC/ABS或MPPO.利用ABS对PC改性,改善塑料的加工时成型的流动性和成本.随ABS用量增加,加工流动生提高,但热变形温度下降.在ABS为3O%时,低温冲击强度出现峰值.PC/ABS合金属部分相容体系.合金的性能受PC相对分子质量,SANPB的粒径分率,接技率,AN的比例SAN的相对分子质量及相容剂影响.为改善其耐侯性,表面硬度,耐化学药品性可用AES,ASA替代ABS.利用PBT(P盯)对PC改性,改善PC的耐化学药品性和加T流动性.1.3聚氨酯(PUR)汽车叶l聚氨酯主要用作泡沫塑料,密度小,导热性低,具有优良的弹性,是绝热保温隔声防振的好材料,座椅坐垫,靠背的芯材是采用软质聚氨酯泡沫,具有良好的抗拉强度和延伸性.汽车的仪表板,内装饰件采用工程塑料薄板和聚氨酯泡沫通过模压成型后,质量轻.成本低,内饰软化,档次高,是高档客车及轿车首选内饰材料.以聚氨酯发泡塑料制成的半硬转向盘取代了以金属为主要骨架的传统转向盘,提高了驾驶员驾车的舒适性和安全性.在客车内饰中,聚氨酯发泡材料应用的更为广泛,它质量轻,尺寸精度高,耐候性好,几乎所有的内饰件都可以由它来制作.对于结构复杂的前后大顶,只能采用玻璃钢或者聚氨酯发泡来制作,但聚氨酯相比玻璃钢产品重量却降低20%,而且生产效率大幅度提高.内行李架底板的材料由铁皮覆革改为聚氨酯发泡后,重量可降低30%,是整车内饰减重中最有效的手段.客车制造中也在蒙皮和内饰板之间填充发泡材料,起密封防水,隔热,隔声,防振作用.2汽车塑料构件材料的主要性能项目2.1高温弯曲模量(Eu)模量是分子链内化学键和分子链间次价力(氢键,范德华力)的宏观表现,因而,模量(E=/s)既反映材质内聚力的差别,也表征材料在弹性范围内的刚度,它比单纯应力,应变更能说明高聚物构件承受持续力作用的能力.材料的分子量愈大,交联度愈高,玻璃化温度愈高,结晶度愈高,则其弹性模量也越高.从微观看,由于高聚物的高分子链节缠结,分子取向,非分子掺混层次结构等的不均.更增加了材料的各向异性.另外,实用中汽车结构件大多处于复杂受力状态,如试件在弯曲变形时,其上部受压,下部受拉,中部受剪,Eu是拉,E拉,压,E压的综合反映,因此,选用弯曲模量EU作为评定塑料刚度的主要指标是适宜的.非脆性高聚物在屈服前的弹性范围内,在长期高温加载时有蠕变和应力松弛行为.基于高聚物粘弹响应特性取决于各种分子运动的速率.时间和温度对各种分子运动也均具有同样相关性,高分子材料的松弛模量随时间及温度的变化具有时一温等效转化意义,因而常用提高材料高温下弯曲模量EU作为限制蠕变与松弛发生,发展的有效手段.热变形试验给出了一定应力(应变)水平下,材料热变形温度界限及随温度上升而弹性弯曲模量下降的关系.虽然热变形试验不能代替蠕变试验,但材料热变形温度愈高,材科在高温下弯曲模量愈大,则制品刚度大,其蠕变松弛愈小,在允许的变形下,可承受更大的载荷.直接和间接地反映了高聚物的高温下的力学特点,能有效地监控材料的静载下的力学特性.2.2低温冲击韧性(a.k)对汽车塑料构件来说,低温冲击韧度n.k也是判别材料动载力学行为的重要指标,其理由如下:1)防止高聚物材料脆性破坏高聚物在1g以下呈脆眭,在以上一定温度范围内受高速冲击也呈脆性,且实验温度越低,加载速度愈高,其脆性越严重.材料在突然的脆性失效中只吸收较低的能量,脆性破坏比韧性破坏有更大的危险陛,因而,冲击韧度更应作为监控指标.2)监察高聚物材料内部缺陷断裂力学认为,高聚物材料在受外力作用下,由于分子热运动,微结构不均衡,内应力存在,各向异性,空穴,低分子物存在等缺陷,造成分子链节破坏形成初始裂纹,由于应力集中,裂纹聚集形成大的主裂纹,裂纹扩展,一旦裂纹以音速扩展时,断裂立即发生.因此,必须引入对材料内部缺陷员敏感的冲击韧度指标作为对材料平均应力水平的判断.3)保证工程应用的可靠性.不同材料对制品表面粗糙状态及缺口,孔洞,拐角等所造成的敏感性不同,不同材料在不同温度下对缺口的敏感程度亦不同.目前尚不能用以能量表示的冲击值来直接对结构的(下转第185页)箍霸应用方法论185处理方法集中填埋或存放,但是这样处理一吨需要三四千元的费用,又面临着费用无着落的问题.事实上,废电池回收业并非无利可图,因为废电池中含有大量可再生利用的重金属和酸液等物质,通过废电池再利用,每年可再生锌4万吨.据华南理工大学韦朝海博士估算,按每天处理l0万只废电池计算,除去各种费用之后,可获利2万元左右;以70亿只电池,50%的利用率计算,年利润可达6亿多元.可见,规模经营完全可以创造效益.4)回收后的处理问题.废电池处理技术尚未根本解决,特别是一次性电池,因为原材料品种太多,增加了处理难度.仅限于回收,而没有处理和再利用的措施.所谓回收也仅仅是将污染集中,即使能回收,回收的废电池也不能得到妥善的处理.因此建立一套完善有效的法规,加大环保宣传力度以及开发可靠处理技术刻不容缓.5建议1)加强宣传教育工作.树立全民回收废旧电池的自觉意识,使全体人民积极配合有关部门的回收工作.在人员相对集中的学校,单位,企业,公园,商业中心及城郊结合部的农村进行科普宣传,提高全民环保意识,了解电池基本知识,对废旧电池区别处置,其中含汞,含铜,含铅的废旧电池作为重点回收的类别.2)提倡使用绿色环保电池.大力提倡使用无污染,污染小,无汞或汉宫两低的电池.近年来已投入使用和正在研制的一类高性能,无污染电池,包括目前已投入使用的金属氢化物镍蓄电池,锂离子蓄电池,正在推广使用的无汞碱性锌锰原电池,及燃料电池,太阳能电池(光伏电池)等.3)国家应在政策,资金方面给予一定的扶持.国家应制定相关的政策法规,规定废旧干电池必须回收,禁止将废旧干电池随意丢人生活垃圾之中;对积极参与废旧干电池回收利用的科研单位和企业要给予政策和资金倾斜,确保投资者资本的增值和处理单位产品的优先推广.4)为废旧干电池回收利用创造各种便利条件.如在公共场所设置废旧干电池回收箱,加快普及垃圾的分类回收,在各居民点普遍设立专门回收电池的垃圾桶;在销售电池时,实行抵押金制度,或采用以旧换(上接第166页)力学特性进行计算,但冲击实验可以定性的对缺口,表面状态以及因此使材料由韧性变为脆性破坏作出反应,所以,冲击韧度对控制产品设计的安全程度有重大意义.4)标定高聚物材料承受动裁的能力高聚物材料,通常状况下具有弹性形变待点,在高应变速度条件下一般呈粘塑性质.目前,受冲击载荷的梁,受振动作用的杆件的力学行为均用粘塑性理论分析,用a.k可以定性的反映材料承受动载(含疲劳)的能力.3汽车塑料构件材料的选择分析尽管高温弯曲模量EU和低温冲击韧性0【k是区分和监控汽车构件材料所特有的,共性的,基本的力学指标.但是,由于高低温数据较少,而较通用的常温下的模量和冲击强度在一定程度上也能反映材料的基本性质,并且汽车用塑料零件的使用环境为常温,因此,一般以常温下的Eu和dk作为综合监控指标.例如高弹性PP,因其耐候性好,冲击韧性高,所以多用来制造保险杠,但是,由于该材料弯曲模量Etl低,无极性,因此也存在一些不足之处:为保证强度制品壁厚,材料耗用多;易变形需金属支架支撑;高低温尺寸变化大,不易与其他高阻尼抗冲材料复合来进一步提高缓冲能力;以及不利于喷涂装饰等.又如无机填充PP(填充滑石粉,云母或CaCO等),主要用于内饰件和暖风机壳体等,由于其价格便宜,尺寸稳定性好,所以获得了较广泛的应用.但是由于冲击韧性o【k低,普遍存在着耐冲击性偏低,外观质量较差,对于大型薄壁件,薄壳件还有需要提高材流动性的问题.再如汽车整体仪表板选材过去为高温刚性PP,其强度高,刚性好,可作各种受力支架,但存在着纵向与横向收缩率差新制度,确保废旧干电池的回收率.只要充分动员社会的一切力量,废旧电池的回收并不难解决.5)开发适合我国国情的处理技术.借鉴其他国家经验,结合国内的经济技术水平,市场规范程度,科学地认识废旧电池的环境影响,不能过分夸大其危害.技术的先进程度直接影响着整个废旧电池管理工作的最终效果.因此,应改进产品,减少电池中重金属等有害成分的含量,开发先进的,适合我国国情的资源化,无害化废旧电池处置技术.6结束语废旧电池的回收处理问题是离不开政府的政策和经济等各方面共同的支持,而最有实际收益的做法就是除了控制电池里面有害物质的成分的同时,还应该及时建立起来一套行之有效的处理体系.参考文献【1gg嫒,强鹏翔,臧其威.废旧电池的回收与综合利用【J1.科技与生活,2010,6:208.2杨景良,裴东,曲晓红.废旧电池回收利用技术及对策J.环境卫生工程,2009,l7(4):40-42.3李芸,赵彦.废旧电池回收技术的现状JJ.电池,2007,37(6):474-475.4J张明,彭瑾,曹燕燕废旧电池的回收处理技术进展啪.环境卫生工程,2008,16(2):18_21.【5李健,赵乾,崔宏祥,等.基于国情的废旧电池回收利用模式研究.中国软科学,2008,9:3945.作者简介马威(1964一),河南平顶山市人,毕业于河南师范大学,本科学历副教授,主要从事应用化学研究.别大,易变形的缺点,现通过对PP填充玻纤,增强,增韧,合金化进行改性,改用EU和nk值皆较高的玻纤增强聚丙烯(FRPP),使得产品既保持了足够的强度,又增加了韧性,同时也不再容易产生热变形.综上所述,EU和k可综合反应高聚物材料的力学水平,能较集中的反映汽车塑料构件对材料的性能要求.由于Eu和Otk是对立的两个方面,往往材料的冲击性能提高了,而弯曲模量就降低了.对既有耐热刚性的要求又有低温韧性要求的材料,也可以说对材质承受静载,耐蠕变有要求的同时又有承受动载耐疲劳的要求,因此,用EU和Otk作为综合监控指标对材料加以评定可避免材料配方选择时的片面性.另外还要注意具体结构件的特殊性能要求,