高新材料助力汽車實現輕量環保、低VOC

汽車輕量化技術備受矚目

全球能源與環保問題日益突出，汽車輕量化進程備受矚目。相關數據顯示，汽車輕量化與能耗有著直接的關系。傳統燃油汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，二氧化碳排放降低5~8克；對于純電動汽車而言，整車質量每減少100公斤可以增加續駛里程10%，節約電池成本15%-20%。輕質材料的應用是實現汽車輕量化最直接有效的方法。

從安全角度來看，輕量化和小型化可以令汽車更加安全。2000年前后美國聯邦政府交通部研究的一個結論顯示，如果能夠降低道路車輛的平均重量，能減少道路凈傷亡。并且隨著主動安全越來越發達，又小又輕的車更容易控制，在與行人和自行車碰撞時，造成的傷害也會降低。

中國確定了2020年乘用車平均油耗降至5.0升/100公里的目標，《中國制造2025》提出節能與新能源汽車作為重點發展領域，并將輕量化作為汽車產業重點發展方向之一。輕量環保已成為當前汽車企業的迫切需求。

◆生物塑料

中國改性高分子復合材料的領先企業鑫達集團去年推出的XDPPSTR-03LQ19005創新生物質輕量化材料解決方案，通過不斷設計、開發力學、環保及減重等性能優異的產品，為汽車行業的客戶創造更大價值。

該生物質填充材料，采用了10%-50%的不同含量的秸稈填充聚丙烯，不僅可以有效降低生產過程中的碳足跡，而且與傳統石油基產品相比，所制成的部件密度更小、簡支梁缺口沖擊強度更高、彎曲額強度和拉伸強度相當，并體現出更優秀的流動性和加工性能，明顯縮短了生產周期。在材料混合均勻的情況下，制成的產品阻燃性更高，同時可將部件重量降低20%左右。另外，在零部件達到使用壽命后，可完全降解，從而最大限度地降低了對環境的影響。目前，鑫達的XDPPSTR-03LQ19005生物質材料已經被國內多家汽車OEM制造商、零部件生產企業用于不同車型的立柱護板、門板試制。

◆聚碳酸酯（PC）

科思創主要生產以“聚碳酸酯”為主的材料，目前占有世界上最大的份額，聚碳酸酯（PC）別名“工程塑料”，具有透明、良好的抗沖擊、抗熱畸變的性能，而且耐候性好、硬度高。

科思創在去年德國k展上發布了一輛名為“K2016”的電動概念車，車身部分外殼和腰線以上的車窗、車頂全部由聚碳酸酯材料制造，它可以做成半透明或者全透明。聚碳酸酯以其特殊的特點制造出特別清晰的汽車車窗，可用于側窗和后窗、全景頂篷、乃至整個后艙口。這樣所制成的部件較之用玻璃制造的重量輕達50%。

◆碳纖維復合材料

碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在3500MPa以上，是鋼的7-9倍，抗拉彈性模量為2300-43000MPa也高于鋼。其含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，是汽車上使用的高強度碳纖維材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟性。一般碳纖維的密度為1750kg/m3，如此低的密度讓其被汽車制造行業所看好。這種材料的特點之一就是質量輕，應用在汽車上最直觀的改變就是整車重量的降低，在動力系統不變的前提下，減重的車身會帶來更出色的加速感受，相對于人丟掉空調、音響等配置的減重方法，碳纖維材料的應用在保留舒適配置的同時達到了更好的效果，碳纖維復合材料的應用可使汽車車身、盤底減重40-60%，相當于鋼結構重量的1/3-1/6。

科思創在2016年K展發布的電動概念車

三菱化學旗下的碳纖維復合材料SMC被豐田公司選中，用在今年3月最新發布的新型雷克薩斯豪華轎車LC500和LC500h上，用于車門內板和后備箱內板的生產。

由三菱化學開發的SMC片材是一種CFRP中間材料，是將碳纖維切成數厘米長之后浸于樹脂中得來。SMC經過快速加工（通常在2-5分鐘）之后，通過模壓工藝可以獲得生產所需的零部件。與預浸料成型工藝相比，SMC工藝具備復雜部件的成型優勢，從而賦予了工程師更加靈活的產品設計能力。

此次，三菱化學的SMC片材能夠獲得豐田的青睞，得益于下列幾點優勢，包括實現了大幅減重、性能的大幅提升，復雜部件生產能力的顯著提高。此次采用三菱化學的SMC片材，是豐田公司的第二次嘗試。雙方的首次合作始于今年2月份，豐田旗下的新款普銳斯PHV混動汽車尾門結構采用了三菱化學的SMC片材。三菱化學方面表示，今后還將繼續推廣旗下碳纖維復合材料在汽車領域的應用。

◆玻璃纖維增強尼龍

寶馬i8跑車新的諧振腔采用杜邦?Zytel? PLUS95G35玻璃纖維增強尼龍為原材料。這款諧振腔，由寶馬集團、杜邦高性能材料公司和MANN+HUMMEL密切合作共同開發，降低了兩個渦輪增壓發動機的噪音，帶來了更加愉快的駕駛體驗。這種材料的輕質和高強度特性還利于減少燃料消耗和CO2 排放。

汽車內VOC的控制備受人們關注

在不降低性能的同時減少排放的需要，是這種新應用的推動力。汽車制造商正在不斷尋找替代品，以應對歐盟減少溫室氣體排放的目標，從而引發歐洲新車市場出現重大變化。

◆其它復合材料

大眾出廠的PoloRWRC(世界拉力賽用車)路試版的發動機罩采用了蒂森克虜伯的Litecor生產。這一工藝使整個發動機罩的重量減輕了30%，二氧化碳的排放減少了25%。在第16屆中歐塑料工程師協會汽車創新獎中，這項工藝獲得了最高獎。

Litecor采用兩層0.2-0.3毫米厚的鋼板加上0.3-1毫米厚的"特種熱塑混合纖維"薄膜核心層?？偛课挥诘聡牡偕颂敳緵]有明確說明內芯材料的構成，但該公司在2012年獲得的這項工藝專利指出：內芯基材是聚丙稀、聚乙稀、尼龍或其復合物，并包括有“至少一層纖維增強塑料”。

該Litecor板至少有14種潛在用途，主要用于大型扁平面板和高強度的車身零部件，包括車頂、車門、尾門和發動機罩等。與全鋼板設計相比，用Litecor板制造的發動機罩目前價格要貴21%、車門板要貴7%，但成本大大優于鋁材。

如何有效降低汽車內飾的VOC排放？

 塑料作為汽車內飾的重要組成部分,其在生產過程中使用的增塑劑、阻燃劑、脫模劑等成為汽車VOC（揮發性有機化合物）的主要來源之一，而VOC是影響車內空氣質量的重要原因。因此，對于相關材料供應商來說，如何有效降低甚至消除因材料而產生的VOC已經成為極其重要的課題。

隨著人們對環保和健康的關注，汽車內VOC的控制越來越備受重視。在汽車的生產制造過程中，廣泛應用了塑料、涂料、粘合劑、保溫材料、織物及皮革等，而這些材料則成為VOC的主要來源。為了滿足消費者的訴求，不斷降低車內VOC含量，汽車制造商及材料供應商均在持續尋找更加環保的汽車用材料。

◆聚氨酯（PU）

在最近落幕的 CHINAPLAS 2017 國際橡塑展“設計?x?創新”同期活動上，巴斯夫展出了與延鋒聯合開發的創新汽車儀表板產品原型。作為“設計?x?創新”同期活動的五個共創項目之一，該產品的合成革采用巴斯夫Haptex? 聚氨酯解決方案生產。使用 Haptex? 可省去傳統的濕法工序，且在干法工序中無需使用粘合劑，由此簡化了儀表板的生產流程、降低了成本。由于不使用有機溶劑，Haptex? 生產出的合成革達到了中國最嚴格的揮發性有機化合物 (VOC) 排放標準要求，有助于提高車內空氣質量。

Chinaplas 2017展上巴斯夫展出的創新汽車儀表板產品原型

此外，Haptex? 還有助于改善儀表板的外觀和觸感。得益于優異的耐水解性和耐低溫性，Haptex? 涂層不會發生收縮，從而確保了儀表板表面保持光滑。其物理性質，如撕裂強度和耐磨性與傳統聚氨酯組合料相比也毫不遜色。

◆環保PC/ABS

盡管有很多方法能夠降低車內VOC含量，但是選用低VOC的原材料有助于從源頭改善車內空氣污染問題，達到治標又治本的效果。

在Chinaplas 2017展會上，萬華開發出TVOC僅為10-25ppm的WanBlend?低VOC環保PC/ABS產品，而普通PC/ABS材料的總揮發有機化合物TVOC為50-80ppm。該產品在降低VOC含量的同時兼具超低的氣味等級，而且還具有優異的高低溫韌性、耐濕熱老化、耐UV特性和極佳的流動性等。

◆丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物是五大合成樹脂之一，具有耐熱、耐低溫、耐腐蝕等優良性能，且易加工、表面光澤性好。通過如下對ABS材料低VOCs技術改進，可有效降低汽車內VOC的含量。

(1)選用乳液接枝-本體SAN摻混法或連續本體聚合法生產ABS樹脂。乳液接枝-本體SAN摻混法投資少，反應容易控制，聚合簡單，品種靈活，產品雜質少，揮發性有害物質殘留量少。連續本體聚合法具有成本低，產品純凈，工藝流程短等優點，是具有廣闊前景的制備工藝，但有待進一步發展。

(2)選取VOCs含量較低的ABS化工材料和耐熱劑，在制作塑料合金過程中，選用大分子相容劑。

(3)研發新型耐熱合金材料，如PA/ABS合金、TPU/ABS合金等，用于取代PC/ABS、PC/PBT等耐熱性相對較差的合金制品，提高材料的熱穩定性，降低其在加工、日曬過程中大分子的有機物的降解，從而達到抑制有毒有害小分子物質的產生、降低VOCs揮發量的目的。

◆聚甲醛(POM)

聚甲醛是一種沒有側鏈的高密度、高結晶性的線型聚合物，具有極高的強度、剛度和韌性，特別是它還具有突出的耐疲勞性能以及優良的耐水性。在汽車內飾件中主要應用于座椅的安全帶扣、把手、儀表板等。成型加工時，POM中殘留的或是新生成的不安定組分極易分解產生甲醛。通過如下對POM材料低VOCs技術改進，可有效降低汽車內VOC的含量:

減少料粒中殘存的甲醛，減少分子中的不安定組分;在混料過程中，添加甲醛捕捉劑，這種捕捉劑在注塑以及材料再生使用、著色時都可發揮捕捉甲醛的效力，而且不會助長添加劑的析出。

◆聚碳酸酯(PC)

聚碳酸酯是分子鏈中含有碳酸酯的高分子化合物的總稱。具有極好的抗沖擊性、耐蠕變性能，并具有較高耐老化性能。在汽車內飾件中主要用于開關面板、裝飾條等的制備。PC殘留單體比較少，但酯交換法PC生產過程中不可避免的會殘留苯酚物質。通過如下對PC材料低VOCs技術改進，可有效降低汽車內VOC的含量。

萬華WanBlend?與其他材料在汽車低VOC的性能對比

(1)采用沉析法后處理工藝去除PC內的殘余物質。即將蒸發與沉析相結合，配之以排氣式擠出機工藝路線，以逆流方式在汽提塔去除沸點較低的二氯甲烷，經薄膜蒸發后，可獲得高質量分數的的聚碳酸酯-甲苯混合物。隨后，直接送入排氣式擠出機脫凈殘余甲苯，得到高純度樹脂，降低殘余甲苯含量。

(2)采用超臨界流體法。超臨界二氧化碳不僅具備氣體的擴散性，還具備液體的溶解能力，可作為苯酚的優良溶劑。對于碳酸二苯酯和雙酚A反應產生的副產物苯酚，超臨界二氧化碳能有效地將其擴散至聚碳酸酯中，減少污染。

◆聚丙烯(PP)

聚丙烯是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂，具有優異的耐熱性、剛性、可加工性。PP塑料在汽車中應用較廣，約占車用塑料總量的30%。通過如下對PP材料低VOCs技術改進，可有效降低汽車內VOC的含量。

(1)添加活性炭、多孔氧化鋁、硅藻土等多孔物質，特別是一種多孔的鋁硅酸鹽無機物質，這種添加劑對低分子有機化合物具有很強的吸附能力，并且在較高溫度下也不會解吸附，從而使得材料的VOCs含量達到標準要求。

(2)采用自然脫揮、真空脫揮相結合的方式，使用專業的脫揮設備與工藝在聚丙烯改性過程中進行處理。采用這種辦法雖然效率較高，但成本也相對較高。

“節能、環保、安全”是汽車行業發展的重要主題，車內空氣質量作為汽車環保、安全的重要方面，必將深刻影響消費者的購車理念。只有從源頭出發，研發、制備、選擇低VOCs內飾材料，才能從根本上解決車內VOCs超標問題。塑料作為汽車內飾件的重要組成部分，更應予以高度重視，通過控制設計、生產、加工、清洗等各個環節，最大限度地降低其對乘車人員的危害，從而構建良好的乘車環境。

結語

在節能減排之重壓以及塑料本身更新升級的共同影響下，塑料在汽車中展現了更多的可能性。而無論是汽車發動機及周邊部件的塑料化，還是電池及電子元器件車所帶來的車用塑料的需求，亦或是在汽車VOC方面塑料表現的優化，都讓我們有理由相信，未來，車用塑料還有許多可能尚待挖掘。