国产PET复合长纤乘用车底护板性能研究

摘要：介绍乘用车底护板轻量化用材发展情况，对照PP+GF混合纤维阐述PET复合长纤材料、工艺和特性。通过关键性能对比试验，论证了国产化PET复合长纤乘用车底护板的性能优势和轻量化潜能，并展望未来PET复合长纤技术在乘用关键词：底护板PET复合长纤国产性能轻量化乘用车底护板轻量化用材发展到现在，经历了钢板-玻纤增强塑料或合金塑料-纤维模压材料，每一次变化都是材料和工艺技术的进步和革新。早期的纤维模压底护板以LWRT(LightweightReinforcedThermoplastic,轻质增强热塑性塑料)为主，由PP(丙纶)纤维和玻璃纤维(GF)混合制成毡材或板材，再模压成型，其材料密度低，相比塑料底护板轻30%～50%。不过LWRT虽轻，但韧性不足，在一些比较恶劣的涉水行驶工况，产品有开裂风险。另一类纤维模压底护板，以PET复合长纤为基材，轻量化同时又具有良好的强度和韧性，不过以前该技术掌握在少数外资供应商手中，多应用于外资或合资车型。目前国产化技术已经起步且发展迅速，并逐渐应用于国内自主品牌车型。2PET复合长纤技术介绍2.1PET复合长纤材料技术顾名思义PET复合长纤是一种复合纤维，它是由性能不同的两种PET熔体，在同一喷丝孔喷出成为连续不间断的复合纤维丝，该纤维断面呈皮芯结构(图1),低熔点PET为皮层，高熔点PET为芯层，通常低熔点PET占比30%。低熔点PET母料价格略高，国产化材料将低熔点PET优化至10%,大大降低材料成本。PET复合长纤毡材加热时，低熔点PET熔融为高粘度液体，冷却时固结纤维网；高熔点PET芯层则保持增强纤维特性，保证纤维网在加热和拉伸加工过程中的均匀LWRT则以单丝纤维为基材，其中PP纤维为低熔点纤维，GF为高熔点增强纤维。两种纤维混合制成的毡材加热时，受热熔融的PP与50～80mm长的GF粘合(见图2),但两者间结合力远低于PET纤维的强力。2.2PET复合长纤工艺技术不同于LWRT分纤维、毡材和底护板三段供货链条，PET复合长纤企业拥有纺丝、制毡、模压成型全套工艺流程，直接实现终端产品供货，缩短了产品供应链，2.2.1纺丝和制毡工艺熔点不同的PET母粒或切片经干燥后，分别进入螺杆挤出机熔融成PET熔体，经过滤后的PET熔体进入纺丝装置，最后从喷丝板细孔中挤出成丝，与侧吹的冷空气接触冷却成丝束。经过纺丝装置纺出的PET复合纤维丝，经牵引拉伸、铺网、针刺成毡，整个工艺流程见图3。2.2.2模压成型工艺不同于LWRT热料冷模成型，PET复合长纤采用冷料热模工艺(见图4),取消紧，然后通入高温蒸汽，保压到规定时间开模，机械手取出零件，冷却冲切。冷料热模工艺，不仅有效保证PET复合长纤零件的性能的稳定性，而且能够成型更大结构深度(最深约300mm)的制件，提高了零件的设计自由度，同时极大的改善了传统纤维零件的表面光滑度问题，使之更接近注塑级表面，保证制品性能、轻量化同时又贡献了低风阻系数。2.3PET复合长纤技术优势PET复合长纤产品不仅力学性能优秀，还具有良好的可回收利用和可持续特性。PET复合长纤产品的回收优势，在于同种纤维复合，方便回收利用。通常底护板材料利用率70%,边角废料占30%,整车底护板按2.5kg计，废料约1kg。1kg废料在原厂内粉碎、重新纺丝，可使整个物料成本大大降低。PET复合长纤产品的可持续特性，在于它可采用回收而来的PET矿泉水瓶粉碎、造粒、拉丝、制毡、成型底护板产品，完成材料的可持续应用开发，进而实现碳减PET复合长纤产品通过材料回收利用、供应链的缩短，有效降低底护板产品成3国产PET复合长纤底护板性能目前国内PET复合长纤技术发展迅速，下面分别将国产化PET复合长纤、同类PET复合长纤竞品、LWRT关键性能进行比较。3.1国产与外资竞品PET复合长纤性能对比同克重国产PET复合长纤板材与行业竞品进行力学性能对比见表1,从数据来看，国产化材料在拉伸和弯曲强度都高于行业竞品。3.2.1基础力学性能国产化PET复合长纤和LWRT板材的静态拉伸、弯曲力学性能试数据显示，1200g/m2PET复合长纤拉伸强度可与1600g/m2LWRT相当，伸长率是LWRT17倍，体现了PET复合长纤材料高强高韧特性，为PET复合长纤底护板的轻量化设计奠定了力学基础。而PET复合长纤模量上的弱势，可通过结构优化得到补另从数据来看，PET长纤板材在横纵方向力学性能差异较小，材料铺层设计均质化程度较好，而LWRT板材纵横方向的力学性能差别较大，主要因为PP/GF毡材的梳理工艺使得玻纤取向明显，导致板材呈现各项异性特征。3.2.2撕破强力撕破强力是考察材料边缘抵抗撕裂变形的能力，采用同克重国产化PET复合长纵撕裂力是LWRT的1.6倍以上，说明PET复合长纤底护板具有优秀的耐撕裂性能。吸水性考察纤维模压底护板涉水工况吸水后自身质量增加程度。将同克重国产12h、24h,取出垂直放置10秒，然后测量零件的质量，计算吸水率。表4数据显示，LWRT零件24h最大吸水率大于50%,而PET复合长纤小于20%,且只有同克重LWRT吸水率的1/4,大大降低零件吸水后的自重，降低零件失效风险。3.2.4拉脱力零件拉脱力试验能够很好的体现底护板的在整车装配条件下安装孔部位的抵抗然后在零件上截取带有相同安装孔结构的规定尺寸试样，将螺栓和垫圈穿过试样的中心孔固定好，分别进行平面内(X/Y)和平面外(Z)拉脱力试验，试验装置见图表5试验数据显示，国产化PET复合长纤底护板固定点Z向拉脱力是LWRT的1.6倍，X/Y向拉脱力分别是LWRT的1.49/1.28倍，充分体现了PET复合长纤底护板零件的力学性能，保证了底护板零件具有良好的涉水强度。3.3整车涉水试验采用1200g/m2国产化PET复合长纤和LWRT板材成型前舱底护板，分别进行两种工况的整车涉水试验，然后检查零件的外观完好性，实验结果见表6。其中通常工况(水深150mm、行驶速度30-33km/h)两类底护板外观均表现完好，而在稍微恶劣工况(水深200mm、行驶速度30km/h)试验后，LWRT底护板呈开裂下长纤底护板则表现完好，充分论证PET长纤底护板的优秀的耐涉水性能。3.4总结通过以上性能试验对比，说明国产化PET复合长纤产品完全达到外资产品的性能水平，足以支持国内汽车底护板的轻量化开发。同时可以看出国产PET复合长纤底护板力学性能远高于LWRT,可针对不同车型的性能要求，设计更低克重PET长纤毡材，实现底护板轻量化开发。4国产PET复合长纤应用前景另外PET复合长纤材料并不限于应用于汽车底护板，基于其高性能优势，可替代其他短纤维模压产品(PP/PET汽车轮罩挡泥板、PP/PET行李箱侧围饰板、LWRT衣帽架等)、注塑饰板等，实现汽车内外饰产品的轻量化开发。综合以上