車用纖維增強塑料多品種開發將駛入快車道
日期：2014-06-27
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汽車產業是國民經濟的重要支柱產業，2013年顯露了強勁的增長勢頭。數據顯示，去年我國整體汽車銷量達2200萬輛，較上一年增長14%。其中，乘用車銷售約1800萬輛，商用車約400萬輛。據預測，2014年我國汽車的整體銷量應可攀升至2300萬輛。但隨著近年汽車銷量的快速增長，保有量規模擴大帶來的能源緊張和環境污染問題更加突出，發展節能與新能源汽車已成為汽車工業應對能源和環境問題的共同選擇。我國也不例外，國務院頒發的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》，把輕量化材料的研發定位于汽車節能的“關鍵核心技術”之一，汽車輕量化的趨勢將加速對高性能塑料產品的巨大需求。
汽車用高性能塑料主要有四大類：工程塑料、塑料合金、改性塑料和纖維增強塑料。特別是纖維增強塑料應用的增加對原生塑料形成威脅，同時也鞏固了塑料應用在汽車工業中的地位，以玻璃纖維和碳纖維增強的聚丙烯、聚酰胺為代表的高性能車用塑料受到關注。國外汽車行業中，西格里與主機廠及系統供應商組建了多個合資企業。與寶馬的合資公司利用西格里提供的碳纖維和織物，采用RTM工藝，為寶馬i3和i8新能源車型生產碳纖維部件。與意大利著名剎車片公司B rembo組建的合資公司為阿斯頓?馬丁、阿爾法?羅密歐和保時捷供應復合材料剎車片。與德國梅特勒（Benteler，以金屬部件為主的汽車零部件供應商）公司的合資公司生產碳纖維復合材料汽車部件，批量生產的產品B柱，其增強部分用碳纖維制作（還與金屬復合）；采用預浸料工藝，生產周期96s，一年可實現15萬件的產量。鑒于碳纖維的高成本，目前在汽車行業應用還不是很多，隨著碳纖維價格逐步降低及加工效率的提高，預計2020年之前，汽車使用碳纖維可能迎來較大的增長。
在玻纖增強塑料汽車零部件開發中，巴斯夫制造的玻纖增強聚酰胺座椅底板比原減重一半，獲得了Alrair Emlighten大獎；與弗吉亞（Faurecia）公司合作開發一種將座椅框架和背面板集成為一體的座椅部件，比傳統座椅減輕約20%，厚度減薄約25mm（15%）；由于車輛正在小型化，為使座椅獲得所需的強度，座椅在重要的位置上采用了連續纖維增強塑料（CFRT）嵌件。在K2013，巴斯夫展出其新型纖維增強聚酰胺條帶用于混合動力車輛電池底盤。圍繞塑料零部件的高溫應用，巴斯夫開發了Endure玻纖增強塑料，包括冷卻器端蓋、諧振器、空氣管線和節氣閥，以及渦輪增壓器較冷一側的零部件；甚至對帶有水冷式中間冷卻器的進氣歧管，在長時間的暴露過程中具有優越的性能，能夠應對220℃達3000h以上。巴斯夫和Smart一起開發了概念車，在2011年法蘭克福車展上亮相；概念車次使用長玻纖增強聚酰胺材料制造的車輪，每個重量比傳統金屬車輪減輕了約3kg；車輪的性能測試表明，具有熱穩定性和化學穩定性、動態強度和韌性。雖然該車輪是為一款概念車，已經達到終投產的程度，適合于A級車和B級車。朗盛子公司Bond Laminates公司用連續長玻纖增強聚酰胺6制造座椅殼體，次應用于OPC車型。這種座椅殼體有極高的剛度和強度，在發生碰撞時可以吸收大量的能量，大幅度提高安全性。DSM集團加盟LIPA合作項目，推進高性能連續纖維增強塑料制品用于汽車輕量化市場。在主打汽車用纖維增強輕量化材料方面的韓國韓華（）公司，早在十年前在其現代汽車上大量采用GMT材料；其在的GMT產量已達到8000噸以上。該公司前年兼并了美國大的GMT公司。據悉，國外目前纖維增強塑料，在長纖維增強塑料和耐高溫纖維增強塑料在車輛上探索應用成為技術攻關熱點。
為了滿足汽車制造商的嚴格要求，車用有機纖維增強塑料產品已出現在歐美，實現了“超輕”、“超強”。作為車輛底部護板系統的市場引領者歐拓公司，將在北美市場上推出輕型多功能材料Uitra-Silent制成的車身底部護板和發動機底護板。這種創新的技術目前僅在歐拓歐洲工廠使用，并已成功運用到車身底部護板和發動機底護板，被多家汽車廠商采用，包括幾家德國頂級汽車廠商。通過這單一結構復合材料，歐拓為車輛提供輕且強有力的底部護板系統。這種由不含玻纖的PET纖維構成的材料和技術制造出的產品重量減輕50%，同時還具吸聲作用，降低車內外的噪聲，對碎石與碰撞有著佳的抵御能力；另外，還有防水、抗熱性能，可完全回收利用。歐拓的底部護板系統提升了車輛的空氣動力學性能，從而提高發燃油效率，降低了二氧化碳排放，達到歐美嚴格的汽車排放標準。
近幾年，受國際汽車市場幅射，我國纖維增強塑料用于汽車工業走勢也十分強勁。據有關方面提供數據，2013年玻纖增強塑料產量達到137萬噸，主要應用方向為汽車工業。國內早應用于汽車增強塑料零配件生產工藝為復合、擠出、造粒、注塑系列過程；以后，上海耀華大眾、長春英利等公司先后引進迪芬巴赫LFT-D技術及華東理工大學GMT技術等進入市場后，推進了汽車零部件用增強塑料的開發。在2013年第四屆國際汽車復合材料技術專項研討會上， 東風商用車有限公司，成功開發了兩項應用于商用車的創新復合材料和技術。1.多層復合材料在商用車外飾件的應用。在新東風天龍旗艦車型上，采用了免涂裝的多層復合板代替SMC材料，使得部件減重40%，材料成本降低20%左右。鑒于生產這種多層復合板的設備需進口，東風公司自主開發了低成本的解決方案，采用獨特的硬泡PU配方，再導入連續纖維層來獲得高強度的骨架層。PU配方中微量水（不加入水）與異氰酸酯反應生成的CO2發泡，特殊多元醇體系，使反應產物具有鋼韌平衡；采用特殊催化劑，獲得了合適的固化速度。2. PP麻纖板在商用車的內飾板基材的應用。通過在PP麻纖板中導入連續玻纖增強PP片材，開發了兩種解決方案：一是引入單層作為中間層，用于要求更輕的后圍和側圍內飾板；另一種是輔在兩邊，作為內外層，用于前頂和后頂內飾板。在會上，浙江俊爾新材料公司報告了十多年來，先后為汽車行業開發了玻纖增強尼龍、長玻纖增強PP、中等長度玻纖增強PP和PP、PC合金，為代替進口材料提供了選擇。這些開發的增強塑料中，30%--40%玻纖增強PA6用于前端模塊，耐老化、力學強度好、抗振動、低翹曲和耐高低溫性能，已在一汽奧迪Q3上批量使用，并通過大眾臺架實驗；玻纖增強尼龍用于氣門室罩蓋，在-40℃下不開裂，長期工作溫度130℃（極限溫度150℃），降噪減振，耐化學性好，可功能集成，與鑄鋁相比，減輕30%-40%的重量，降低50%成本；長玻纖增強PP，在溫度要求不太高的部件中可代替玻纖增強尼龍，用于前端模塊（已在廣汽成功應用，通過其有所檢測）、儀表板骨架（20%或30%長玻纖增強），具有低VOC排放，已在華晨寶馬和一汽奧迪試用；中長度玻纖增強PP代替尼龍制作低排量進氣歧管的試驗正在進行中，相比尼龍，重量減輕10%，力學性能相當，加工溫度低、不需烘干而降低能耗。據汽車市場近信息報導，四川成都黎明化工院開發成功玻纖增強聚氨酯行李架和風道用于客車和校車。該兩種車用增強塑料產品累計應用在10.5萬輛客車校車上，滿足了GB24407-2012標準體系。
車用纖維增強塑料產品種開發，帶動了工藝和裝備的提升。目前，國內纖維增強塑料成型工藝有三種形式，GMT片材模壓成型、塑料長粒料注塑成型、樹脂與長纖維之間混配（LFT-D）模壓等。其中，直接將PP玻纖混配，可大幅降低成本，比GMT低40%-50%；比粒料低30%-40%；另可根據實際需要確定配比。輕質的LFT--D部件主要用于汽車的半結構件和結構件，制件中纖維的長度應大于10mm。福建海源公司成功研發全自動LFT-D模壓生產線，直接混配的塑料熔體可以采用模壓成型。這幾年，上海華東理工大學在自主研發的GMT設備上進行了重大技術改進，為適應中小增強塑料制造企業先進技術的引入，成功開發了低成本LFT生產線，年產能力達500-1000噸，已在江蘇宜興、溧水地區合作運行。另從有關方面獲悉，國內已有數家企業生產夾層PP蜂窩內表敷貼玻纖增強PP結構板用于輕量化冷藏車和集裝箱板改造。
近幾年，德國克勞斯瑪菲公司的根據制品性能要求，提出了更多的加工形式。LFI（長纖維注塑）、RTM（樹脂傳遞模型）和Fiberform是在汽車行業有著重要應用的三大纖維增強復合材料設備技術。其中，LFI技術因取代GMT（玻璃氈）而產生。GMT的玻纖含量和分布是不能改變的，而LFI可以通過調整工藝使制件局部玻纖含量和分布發生改變；此外，LFI可以將嵌件集成進去?？藙谒宫敺崎_發的LFI設備早用于成型smart車型的頂棚，迄今為止在已有10條LFI設備在運行。RTM不是新技術，早在20年前產生，近些年大有進軍汽車行業之勢，這緣于汽車輕量化的要求越來越迫切。5年前，克勞斯瑪菲開發了更適用于碳纖維復合材料的高壓RTM技術。該技術采用高壓澆注混合頭，靠高壓瞬時將兩種不同組分良好混合，而不像傳統工藝那樣采用低壓發泡，靠機械攪拌混合；由于高壓澆注混合頭采用了特殊設計，脫模機可直接混合在樹脂中，從而無需在模具上噴涂脫模劑。克勞斯瑪菲對RTM技術的研發，很大程度上緣于4年前寶馬啟動的i3和i8電動車項目。其為寶馬提供RTM設備，促成雙方在工藝開發方面配合得非常緊密，為其提供一個完全自動化的RTM生產線；即從預成型開始，預成型件的傳遞、上下料以及產品出來的后處理，如修邊等都是自動化運行的。Fiberform是制造復雜零件的一種熱塑性復合材料工藝，可得到高強度、高剛性的輕質部件。該工藝是克勞斯瑪菲2004年為保時捷研發的一項技術，后來得到了不斷改進，目前可以實現不需任何后處理的全自動運行。（資料來源于2014上海（國際）橡塑展收集材料和本刊積累資料。）
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