呂吉平

（青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東省青島市 266100）

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，2019年我國汽車保有量達(dá)到了2.6億輛，汽車保有量的急劇增加，導(dǎo)致對能源的需求日益增多。尾氣排放是造成霧霾的因素之一，能源問題和環(huán)境問題已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展所面臨的主要問題。研究表明，降低汽車質(zhì)量能夠有效降低油耗以及排放量，整車質(zhì)量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放量下降4%～10%，在保證汽車安全性能的基礎(chǔ)上，輕量化已經(jīng)成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要課題［1-3］。本文主要綜述了汽車輕量化的意義和現(xiàn)狀，主要從外飾件、內(nèi)飾件、車身覆蓋件、車窗及功能結(jié)構(gòu)件等方面闡述了塑料在汽車輕量化中的應(yīng)用。

1 汽車輕量化的意義

隨著世界各國對環(huán)境保護的要求日益增高，各國政府紛紛制定相關(guān)法律法規(guī)，促進節(jié)能減排。我國提出2020年汽車燃料油消耗量要達(dá)到0.05 L/km，這對汽車企業(yè)提出了更高的要求。汽車輕量化是降低油耗，達(dá)到節(jié)能減排的有效手段和方法。統(tǒng)計結(jié)果表明，汽車每減重100 kg，百公里油耗可降低0.4 L，二氧化碳排放量可減少1 kg。與提升動力技術(shù)相比，汽車輕量化技術(shù)的投入相對較少，降低燃油消耗成效更顯著。另外，汽車輕量化有助于提升汽車的安全性能。理論上，汽車碰撞時產(chǎn)生的沖擊力與汽車的質(zhì)量成正比。在同等條件下，汽車越輕，碰撞時產(chǎn)生的沖擊力越小，車身結(jié)構(gòu)的變形、侵入量和乘客受到的沖擊加速度越小，汽車對乘客的保護性能越好、越安全。從社會的發(fā)展趨勢來看，具有高燃油經(jīng)濟性和環(huán)保特點的新型汽車是汽車工業(yè)提高自身核心競爭力的現(xiàn)實需求［4-6］。

2 汽車輕量化的現(xiàn)狀

為解決環(huán)境和能源危機問題，各國政府開始嚴(yán)格控制汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。歐盟、美國、中國到2020年燃油汽車經(jīng)濟性較2015年均需提高42%左右。要達(dá)到這個目標(biāo)，整車輕量化是主要的技術(shù)路線［3］。應(yīng)用輕量化材料是汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢，塑料、碳纖維、鋁合金、鎂合金等是汽車企業(yè)使用較多的輕量化材料。從圖1可以看出：德國的汽車輕量化材料應(yīng)用占比為34%左右，是全球使用輕量化材料最多的國家。德國的巴伐利亞機械制造廠股份公司（寶馬）、奧迪公司，美國的電動車及能源公司（特斯拉）、通用汽車公司、福特汽車公司，日本的豐田汽車公司、本田株式會社是目前全球汽車輕量化材料使用比例相對較高的汽車企業(yè)。我國汽車輕量化分兩個階段實施。2014—2017年，國產(chǎn)汽車實現(xiàn)減重8%；2017—2020年，實現(xiàn)減重7%。國內(nèi)汽車材料目前仍以高強鋼為主，伴隨著先進制造技術(shù)和材料的發(fā)展，應(yīng)用鋁鎂合金、“以塑代鋼”依然是未來我國汽車輕量化發(fā)展的主要方向［3，5］。

圖1 部分國家輕量化材料應(yīng)用占比Fig.1 Share of lightweight materials in several countries

3 塑料在汽車輕量化的應(yīng)用

塑料及其復(fù)合材料因柔韌性較好、耐化學(xué)藥品腐蝕、絕緣性好、單位質(zhì)量的塑料抗沖擊性也不亞于金屬，在汽車工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前，應(yīng)用在汽車上的塑料主要有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚酰胺（PA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚碳酸酯（PC）、聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚甲醛（POM）等。我國車用塑料消費量及預(yù)測見圖2［6-9］。

圖2 我國車用塑料消費量及預(yù)測Fig.2 Consumption and outlook of automobile plastics in China

塑料廣泛應(yīng)用于汽車的內(nèi)飾件、外裝件、車身、車窗及結(jié)構(gòu)件［6］。PP主要應(yīng)用于保險杠、儀表盤、門內(nèi)飾板、空調(diào)零部件、蓄電池外殼、冷卻風(fēng)扇、方向盤等；PE主要應(yīng)用于內(nèi)護板、地板、油箱、行李架、刮水器、扶手骨架等；PA主要應(yīng)用于散熱器蓋、襯套、齒輪、皮帶輪、氣缸頭蓋、水泵葉輪等；ABS樹脂主要應(yīng)用于儀表殼、工具箱、扶手、散熱格板、變速箱殼、內(nèi)護板、反射鏡殼體等；PC主要用于保險杠、前端板、車門把手、擋泥板、前燈等；PBT和PET主要用于保險杠、反射鏡外殼、車外部把手、安全氣囊通電部件、霧燈、音響喇叭、頂棚等；POM主要用于加載齒輪、燃油系統(tǒng)、電氣設(shè)備、軸承、襯套等。

我國每輛經(jīng)濟型轎車塑料用量為50～60 kg，中型載貨車塑料用量僅為40～50 kg；重型貨車可達(dá)80 kg左右。我國中、高級轎車大部分為發(fā)達(dá)國家引進車型，汽車塑料的應(yīng)用量基本與發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)90年代水平相當(dāng)，為每輛車100～130 kg，因此，塑料在我國汽車上的應(yīng)用還會更加廣泛［9］。

3.1 外飾件

汽車外飾件包括保險杠、進氣格柵、雨刮器、車燈、門把手、門鎖等。保險杠是使用塑料最多的外飾件，常用材料有改性PP、片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維氈增強的熱塑性聚合物（GMT）等。保險杠主要由防撞梁、緩沖材料和外殼構(gòu)成，大部分防撞梁現(xiàn)已采用SMC，GMT等材料，緩沖材料又稱為保險杠內(nèi)襯，車輛在低速碰撞時可以對汽車和人員起到保護作用，常用的保險杠吸能緩沖材料主要是發(fā)泡PP。轎車的前后保險杠殼體材料要求抗沖擊性好、流動性高、尺寸穩(wěn)定性好、耐損傷性好等，一般分為軟質(zhì)材料和硬質(zhì)材料。其中，軟質(zhì)材料主要為聚氨酯，通過反應(yīng)注塑成型工藝制備，其具有良好的吸收沖擊性能，但是價格昂貴，只適用于高檔汽車；硬質(zhì)材料主要采用改性PP注塑成型，主要用于合成面板［6，8］。

金旸（廈門）新材料科技有限公司［10］發(fā)明了一種高光澤度免噴涂汽車保險杠護板專用PP，將36.6%～73.3%（w）的PP，3.0%～8.0%（w）的氯化改性PP，5.0%～20.0%（w）的氫化石油樹脂，3.0%～6.0%（w）的增韌劑，0.2%～0.6%（w）的抗氧劑，0.2%～0.8%（w）的分散劑，15.0%～25.0%（w）的無機填料，0.3%～3.0%（w）的金屬顏料混合，通過同向雙螺桿擠出機擠出造粒，制備具有高光澤金屬質(zhì)感的免噴涂汽車保險桿護板專用PP，該PP材料解決了汽車保險桿護板免噴涂化的技術(shù)難點。福建和動力智能科技有限公司［11］發(fā)明了一種將甲基丙烯酸丁酯、溴化亞銅、乙酸乙烯酯和苯乙烯進行聚合制備汽車保險杠中緩沖材料的方法。該方法通過增加聚合物分子鏈的長度和支鏈數(shù)，分子鏈之間相互滲透、相互貫穿、纏結(jié)，增大聚合物體系的物理交聯(lián)，限制分子鏈運動，聚合物趨于半結(jié)晶或結(jié)晶狀態(tài)，使聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，提高聚合物的阻尼性能和受熱溫度，添加石墨和云母特殊的片狀結(jié)構(gòu)，在聚合物上形成微觀孔，有利于產(chǎn)生界面阻尼，進一步增加聚合物的阻尼性能，以達(dá)到較好的緩沖減震效果。

3.2 內(nèi)飾件

汽車內(nèi)飾件包括儀表板、車門內(nèi)板、方向盤、座椅、頂篷、地墊、遮陽板等。內(nèi)飾件表面要光潔，耐磨、耐熱、低反光、具有吸音和遮音等功能，在陽光直射下不易揮發(fā)有毒性氣體。目前，汽車內(nèi)飾件所用的塑料量已經(jīng)占整車塑料用量的50%以上，以PP作為主要原料制成新型汽車儀表板，不但韌性、強度、外觀等綜合性能良好，而且使汽車成本降低，故其在汽車儀表板上的用量很大。歐洲企業(yè)生產(chǎn)的汽車儀表板接近一半的材料使用PP，這個趨勢將會持續(xù)增長［6，8，12］。

為了避免光線反射給駕駛?cè)藛T帶來安全隱患，汽車內(nèi)飾件一般都采用消光處理，盡可能降低內(nèi)飾件的光澤度。湖北格霖威新材料科技有限公司［13］發(fā)明了一種低光澤度高抗沖阻燃PC/ABS合金的制備方法，將30.0～60.0 phr的PC，15.0～40.0 phr的ABS，0.5～3.0 phr消光劑，3.0～6.0 phr增韌劑，0.1～0.4 phr抗氧劑，8.0～11.0 phr阻燃劑，2.0～4.0 phr協(xié)效阻燃劑，0.02～0.10 phr白礦油投入低速混合機中得到預(yù)混料，再經(jīng)雙螺桿擠出機造粒，制成PC/ABS合金。該合金具有PC，ABS的優(yōu)點，在保持良好力學(xué)性能的同時，明顯提高了合金的抗沖擊性能和阻燃性能，且選用效果最好的消光劑，使PC/ABS合金在60°入射角測試中光澤度明顯降低，具有優(yōu)異的消光效果，可廣泛應(yīng)用于汽車儀表板、內(nèi)飾件等。金發(fā)科技股份有限公司［14］用高密度聚乙烯（HDPE）改性PP，制備適合汽車儀表板用PP復(fù)合材料。采用乙烯、丙烯合成的二元嵌段共聚聚丙烯A 20.0～62.0 phr，采用1-丁烯、乙烯、丙烯合成的三元無規(guī)共聚聚丙烯B 10.0～20.0 phr，填料10.0～25.0 phr，增韌劑10.0～20.0 phr，PE 8.0～15.0 phr，潤滑劑0.1～0.3 phr，光穩(wěn)劑0.1～0.3 phr，抗氧劑0.2～0.6 phr加入高速混合機中混合3～5 min，再將混合料加入雙螺桿擠出機中進行熔融擠出，造粒，干燥，冷卻，制備了汽車儀表板用PP復(fù)合材料。該方法生產(chǎn)工藝簡單，降低了材料光澤度，適合大批量生產(chǎn)。

3.3 車身覆蓋件

車身覆蓋件又稱車身外板，主要包括發(fā)動機蓋、翼子板、車門、后備箱蓋等。車身覆蓋件目前仍以鋼板為主，在歐美等發(fā)達(dá)國家已大量使用SMC或GMT作為車身覆蓋件的材料，但因為其密度較大，輕量化效果不顯著，正在逐步被改性PP，PC/PBT，聚苯醚/PA等熱塑性材料所取代。據(jù)統(tǒng)計，車身覆蓋件塑料化后，后備箱蓋可減重約8.17 kg，發(fā)動機蓋可減重約4.1 kg，車門（四個）可減重約43.13 kg，車身可減重約94.43 kg，車身覆蓋件“以塑代鋼”的空間很大［6，8］。

傳統(tǒng)的翼子板用PP復(fù)合材料一般采用滑石粉填充增加剛性，同時為保證其韌性，添加大量的熱塑性彈性體，但這種改性PP的線性膨脹系數(shù)極大，導(dǎo)致不同季節(jié)尺寸變化大，影響翼子板的裝配，同時會造成翼子板與車身之間出現(xiàn)“間隙面差”，影響汽車美觀。江蘇金發(fā)科技新材料有限公司［15］采用乙烯-1-辛烯共聚物、氫化苯乙烯/丁二烯/苯乙烯彈性體和乙烯/丙烯酸酯彈性體進行協(xié)同增韌，獲得了溫度為-30～85 ℃的低線性膨脹系數(shù)的PP復(fù)合材料，解決了這一問題。將29.0～65.0 phr的PP，0.1～2.0 phr熱穩(wěn)定劑，0.1～1.0 phr加工助劑，5.0～20.0 phr乙烯-1-辛烯共聚物，1.0～7.0 phr氫化苯乙烯/丁二烯/苯乙烯共聚物，1.0～7.0 phr乙烯/丙烯酸酯共聚物加入長徑比為40∶1的雙螺桿擠出機中熔融混合分散，25.0～35.0 phr超細(xì)滑石粉從側(cè)喂料加入雙螺桿擠出機，擠出造粒得到產(chǎn)品。該PP流動性好、剛性高、抗沖擊性能好、線性膨脹系數(shù)低，滿足汽車翼子板材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)檢測，該材料的熔體流動速率大于等于20 g/10 min，彎曲模量大于等于2 500 MPa，線性膨脹系數(shù)小于等于4×10-5。

3.4 車窗

傳統(tǒng)的汽車車窗玻璃由玻璃原片經(jīng)二次加工而成，主要有夾層玻璃和鋼化玻璃兩種。前風(fēng)擋玻璃普遍采用夾層玻璃，其余一般為鋼化玻璃。若采用塑料替代傳統(tǒng)玻璃，車窗可減重30%～40%。PC因優(yōu)異的耐熱性、剛性、抗沖擊性、尺寸穩(wěn)定性和良好的透光率成為汽車塑料車窗的首選材料；但是，我國目前還沒有塑料車窗的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，塑料車窗本身的應(yīng)用也面臨提高耐候性、耐磨性、抗沖擊性等方面的要求，因此，車窗的塑料化預(yù)計還需要一個長期的過程［8，16］。

由于PC的耐磨性、耐氣候性和憎水性較差，直接使用PC作為車窗玻璃容易產(chǎn)生刮花、密封性差、不能防水防霧導(dǎo)致影響視線等問題。神通科技集團股份有限公司［17］發(fā)明了一種輕質(zhì)耐磨汽車側(cè)窗玻璃的制備方法，用雙色注塑模具先將PC基層注塑成型，再在同一模具內(nèi)將PC/ABS黑邊層注塑成型；將PC基層與PC/ABS黑邊層烘烤去除內(nèi)應(yīng)力，并用醇類溶劑擦洗表面，淋涂并烘干得到表面涂層。表面涂層的涂料由表面接枝聚二甲基硅氧烷的納米SiO2與PC-聚二甲基硅氧烷共聚物按質(zhì)量比為（1～5）∶100分散到溶劑中得到。該方法極大提高了側(cè)窗玻璃的耐磨性、耐候性和憎水性，實現(xiàn)了汽車輕量化的同時提高了車窗玻璃的使用性能。

3.5 功能結(jié)構(gòu)件

汽車的功能結(jié)構(gòu)件包括油箱、制動踏板、發(fā)動機、周圍部件、輪轂、電池、暖風(fēng)機等。功能結(jié)構(gòu)件要求塑料具有耐高溫、耐油、耐化學(xué)藥品腐蝕、防噪音、高抗疲勞性、易加工成型等優(yōu)點，但不同的功能結(jié)構(gòu)件對塑料性能的要求又有差異。目前，我國約80%的汽車已使用塑料油箱，與金屬油箱相比，塑料油箱能夠減重約30%。塑料油箱主要分為單層塑料燃油箱和多層塑料燃油箱，由于多層塑料燃油箱有阻隔層，其抗燃油滲透能力更強，是乘用車油箱的主流方向。油箱主要使用PE，其阻隔層主要采用乙烯-乙烯醇共聚物；鋼材、鋁鎂合金和復(fù)合材料是制造輪轂的主要材料，鋁鎂合金制造的輪轂在乘用車市場占主流，以碳纖維復(fù)合材料制造的輪轂較鋁鎂合金制造的輪轂質(zhì)量可降低20%～40%，但因其制造成本高，只在超跑車上有應(yīng)用，短時間難以大規(guī)模應(yīng)用于乘用車中；發(fā)動機及周圍部件使用的塑料以PA為主［7-8］。塑料燃油箱一般采用HDPE，因其相對分子質(zhì)量較高，因此，可以保證油箱具有較好的剛性和抗蠕變性，同時還具有抗沖擊、耐化學(xué)藥品腐蝕、耐環(huán)境應(yīng)力開裂、抗靜電等優(yōu)良性能以及較好的加工性能。HDPE作為高電阻率絕緣材料，在其加工和使用過程中容易產(chǎn)生靜電積累，造成靜電吸塵乃至靜電放電等不良現(xiàn)象，易引發(fā)燃燒甚至爆炸。因此，生產(chǎn)燃油箱的HDPE，必須具有良好的抗靜電性能。中國石油化工股份有限公司［18］發(fā)明了一種具有良好抗靜電性能的PE制備方法，該PE用于制備油箱，將5.0～10.0 phr炭黑、6.0～10.0 phr鄰苯二甲酸二（十一烷基）酯與丙酮共混后，于40～80℃真空干燥6～10 h，與由1-己烯為共聚單體制備的40.0～60.0 phr的PE1熔融共混，造粒；在以茂金屬為催化劑制備的40.0～600 phr的PE2中加入陶土0.5～3.0 phr，在高速攪拌機中混合2～5 min，熔融，造粒，將兩種PE顆?；旌?，制備了具有抗靜電性能的PE。該PE具有優(yōu)良的力學(xué)性能、加工性能和導(dǎo)電性能，適用于中空吹塑加工。

哈爾濱工程大學(xué)［19］發(fā)明了一種輕質(zhì)低阻高強度碳纖維輪轂，包括碳纖維輪輞、輪輻、鋁合金花鼓，輪輻分別連接碳纖維輪輞和鋁合金花鼓，鋁合金花鼓的兩側(cè)均安裝軸承承盤，軸承承盤上設(shè)置大孔以及大孔與鋁合金花鼓之間的小孔，大孔里安裝氮化硅軸承，鋁合金軸伸入鋁合金花鼓中，鋁合金軸的兩端分別與鋁合金花鼓兩端的氮化硅軸承配合。該輪轂的氮化硅軸承置于軸承承盤內(nèi)，高強度鋁合金軸與軸承之間采用過盈配合，保證了氮化硅軸承、高強度鋁合金軸良好的可拆卸性，一方面將傳統(tǒng)工藝中的輪軸-軸套、軸承滾珠與內(nèi)外圈之間的二次摩擦轉(zhuǎn)化為軸承滾珠與內(nèi)外圈之間的一次摩擦，另一方面，也消除了傳統(tǒng)工藝中軸承與軸套之間的摩擦，達(dá)到了減小摩擦的效果。

4 結(jié)語與展望

輕量化是近幾年汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向，通過共混改性，塑料越來越多地應(yīng)用在汽車輕量化中。我國在汽車上的塑料用量與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距，這就預(yù)示著相關(guān)塑料在我國汽車工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，我國還沒有掌握一些新型復(fù)合材料（如納米復(fù)合塑料、生物基可降解塑料和塑料合金）的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，這就需要我國塑料生產(chǎn)企業(yè)加強與汽車企業(yè)的合作，加快汽車相關(guān)塑料產(chǎn)品的研發(fā)，推進塑料產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以滿足我國汽車輕量化的需求。