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热塑性弹性体材料在汽车轻量化研究中的应用

概要:汽车轻量化已成为世界汽车技术发展的趋势,热塑性弹性体作为汽车轻量化的关键材料,在汽车领域具有很好的应用前景。文章通过详细介绍苯乙烯类、聚烯烃类、聚氨酯类、聚酯类等热塑性弹性体的性能及在汽车零部件领域的应用等,体现了热塑性弹性体对汽车轻量化的积极促进作用,并指出了热塑性弹性体的未来发展方向。

 

1.汽车轻量化

随着人们对汽车的动力性、舒适性、多功能性等配置要求越来越高,汽车承载的装备也随之增加,导致汽车重量及油耗不断上升。目前,世界多个国家和地区对汽车的二氧化碳排放量进行了严格限制;我国颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》中要求,到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0L/百公里,节能型乘用车燃料消耗量降至4.5L/百公里以下。近年来,减少汽车燃油用量已成为改善全球气候问题的重要组成部分,汽车轻量化迫在眉睫。

汽车轻量化是在满足汽车使用要求、安全性能和成本控制的前提下,将结构轻量化设计及制造技术与多种轻量化材料应用集成,实现汽车整备质量减重。实验数据表明:当汽车的整备质量降低10%,可使燃油效率提高6%-8%;整车每减少100kg,可使百公里油耗降低0.3~0.6L,CO2排放减少5.0g/公里。此外,由于汽车碰撞时的冲击能量与汽车质量成正比,同等条件下汽车越轻则碰撞时的冲击能量、乘员所受的冲击加速度和车身结构的变形就越小,对乘员安全的保护性能越高。因此,汽车轻量化由于可减少燃料消耗、降低排气污染、保护乘员安全,已成为世界汽车技术发展的趋势。其中,热塑性弹性体作为汽车轻量化的关键材料,在汽车领域具有很好的应用前景。

 

2.热塑性弹性体

根据弹性体是否可塑化,将弹性体分为热固性和热塑性两类。热固性弹性体即传统意义的橡胶;热塑性弹性体(TPE)兼具塑料的可塑性和橡胶的弹性,是最近发展较快的一种新型高分子材料。热塑性弹性体可回收利用、机械性能好、加工便捷、耐候性及耐老化性优异,按化学组成可分为苯乙烯类、聚烯烃类、聚氨酯类、聚酯类、聚酰胺类等。

近年来,采用共混、填充、增容、共交联、嵌段共聚、化学接枝、互穿聚合物网络等合成与加工改性技术,既可保持聚合物本身的优点又可利用复合效应改善某些原有缺陷,材料的综合性能得到大幅提高,为开发更多的TPE产品奠定了良好基础。例如:环氧化天然橡胶/聚氯乙烯/蒙脱土共混型TPE材料可提升拉伸强度及邵氏硬度;将炭黑、纳米氧化硅和微米氧化钙添加入聚醚二醇/聚苯乙烯/丁苯橡胶TPE材料,可起到明显的补强作用;采用动态硫化法制备的聚氨酯/硅橡胶聚烯烃合金热塑性弹性体,相比简单二元共混体系可将拉伸强度提高10倍;将双(γ-三甲氧基甲硅烷丙基)胺接枝乙烯-醋酸乙烯酯共聚物作为增容剂后,可提高聚氨酯/硅橡胶过氧化物硫化的TPE复合材料的拉伸强度和断裂伸长率;采用多功能复合改性剂YY-503,可显著改善PP/SEBS复合材料的MFR和表面光泽度;以天然橡胶和甲基丙烯酸甲酯为主要原材料制备的NR/PMMA互穿网络共混物,随着硫化剂过氧化二异丙苯和双烯交联剂用量的增大,可提高NR/PMMA共混物的拉伸强度和撕裂强度。

 

3.车用热塑性弹性体

汽车零部件采用TPE材料不仅可以减少重量、提高零部件性能及整车回收利用率,还能改善外观,自20世纪90年代以来,TPE在汽车领域的用量增长很快并逐步取代了传统橡胶材料。汽车轻量化及全球范围内汽车燃油经济性标准的愈发严格,是推动全球TPE需求量增长的主要因素。相关机构预测,未来5年内TPE将有平均5.5%的综合增长率,而作为全球最大TPE市场的亚太地区在2022年价值有望达到78.2亿美元。

3.1苯乙烯类热塑性弹性体

苯乙烯类热塑性弹性体(TPS)是TPE的鼻祖,其硬端由苯乙烯类组成,软端由聚丁二烯等组成,是目前世界上产量最大、发展最快的一种热塑性弹性体。TPS的最初产品被称为SBS(聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物),是在常温下表观性状最接近于橡胶的TPE材料。TPS具有优异的耐摩擦和抗疲劳性能、良好的拉伸强度和弹性且价格低廉,经饱和加氢所制成的TPS-SEBS等具有优异的耐臭氧、耐氧化、耐紫外线和户外耐候性能。由于在非动态用途方面可与乙丙橡胶媲美,该类热塑性弹性体可用于密封条、装饰条、制动手柄、换档手柄手球等汽车部件。

3.2热塑性聚烯烃弹性体

热塑性聚烯烃弹性体由橡胶和聚烯烃构成,橡胶组分为三元乙丙橡胶、丁腈橡胶和丁基橡胶,聚烯烃组分主要为聚丙烯和聚乙烯;聚丙烯-乙丙橡胶的配比一般为(5-60)/100,最好为(20-35)/100。动态部分硫化热塑性聚烯烃弹性体(TPV)是三元乙丙无规共聚物与聚烯烃树脂加入硫化剂(有机过氧化物或与硫黄硫化体系并用)后,于密炼机中共混并借助硫化剂部分交联而得。TPV的相态结构是由橡胶和聚烯烃两相分离的共混物,且共混物的性能会随着相态变化而发生改变,当橡胶为连续相时TPV性能类似硫化胶,当树脂为连续相时则性能类似塑料。使用TPV材料后则无需硫化阶段,可使用更简单的加工设备以降低能耗,还可减少后续的去除毛边工序,从而缩短制造周期。

TPO/TPV具有耐磨、耐候、耐撕裂、耐冲击、耐臭氧、耐紫外、耐酸碱等优异性能,最大应用领域为汽车配件制造行业,其中用量最多的有EPDM/PP和NBR/PP两类。可以通过注射、挤出、热成型、吹塑成型、压延机加工等多种手段,将TPO/TPV制造成形状复杂的制品;也可根据需要添加各种颜料,将成品调成不同颜色;还可加入抗氧剂、软化剂、填充剂等配合剂,改善TPO/TPV的加工性能和使用性能并降低成本。

随着汽车向高性能、长寿及轻量化发展,汽车部件采用TPO/TPV取代传统热固性硫化胶的速度越来越快,功能化开发进一步拓展了TPO/TPV在汽车领域的应用范围。汽车外饰件系统中,可将TPO/TPV应用于保险杠、车身外板、车轮护罩、挡泥板、车门槛板、散热器格栅、车牌照板、车侧镶条等;汽车内饰件系统中,TPO/TPV主要用于仪表板、扶手、内饰板蒙皮、安全气囊外皮等;汽车密封系统中,TPO/TPV的应用包括雨刮条、玻璃导槽、大灯密封圈、挡风玻璃密封条、三角窗密封条、油箱盖密封圈等;汽车发动机系统中,TPO/TPV可用于空气导管、电气接线套、燃料管防护罩等;此外,TPO/TPV还可在底盘及转向系统用于等速万向节保护罩、轴架悬置防护罩、齿条和小齿轮防护罩等。

3.3聚氨酯类热塑性弹性体

聚氨酯类热塑性弹性体(TPU)是由异氰酸酯、聚醚(或聚酯)大分子多元醇与小分子扩链剂构成的嵌段共聚体;一般由异氰酸酯及扩链剂构成硬段,由低聚物多元醇柔性长链构成软段,硬段和软段交替排列形成重复结构单元。除了含有氨酯基团以外,TPU分子内及分子间可形成氢键,硬段和软段可形成微相区并产生微观相分离,独特的分子结构使TPU成了一种既保持橡胶高弹性又具有塑料的高硬度和高强度的高分子合成材料。卓越的耐磨性使TPU获得了“耐磨橡胶之王”的美誉,TPU还具有隔音、耐油、耐水、耐溶剂、耐屈挠、耐老化、机械强度高、滤震性好、黏接力强、硬度范围广等优异性能,但耐热性和耐压缩性较差,外观易变黄且易粘模具。通过采用不同种类的固化剂、多元醇和扩链剂等原料,可以合成出性能各异的多种TPU产品。相关机构预测,由欧洲、亚太和美国主导的全球TPU市场到2020年价值有望超过730亿美元。

汽车塑料件的发展趋势是不断推出高性价比且可回收再生的材料,促进了TPU广泛应用于汽车的多种部件,包括轮胎、座椅、地垫、头枕、门板、气囊、轴套、仪表盘、遮阳板、减震垫、换档拉杆手柄手球、隔音降噪及密封材料等;采用玻璃纤维增强的增强型聚氨酯弹性体,可显著提高材料的刚性和冲击性,用于制作汽车保险杠等大型部件。

3.4聚酯类热塑性弹性体

聚酯类热塑性弹性体(TPEE)属于线型嵌段共聚物,除了具有硫化橡胶所特有的性能外,还兼具热塑性塑料的加工特性。由于TPEE的模量比相同硬度的其他热塑性弹性体要高,当以模量为重要的设计条件时,采用TPEE材料可缩小制品的横截面积以减少材料用量;通过改变软硬段比例,可调节TPEE的硬度范围;TPEE的耐热性能优异,且硬度越高耐热性越好,在140℃连续加热10h基本不失重,180℃高温下加热10h失重仅为0.1%;TPEE的耐寒性能也很出色,且硬度越低耐寒性越好,可在-40℃的低温下长期保持性能不变。此外,TPEE的机械强度高且耐疲劳、耐油、耐耗、耐化学介质等性能优异,但耐热水性较差。在汽车零部件领域,TPEE常用于油管、门锁、密封圈、前照灯、进气软管、安全气囊、齿轮齿带、安全带部件、转向节防尘罩、门把手密封环、卫星天线卡箍等。

 

4.存在的问题

虽然热塑性弹性体具有无毒、环保、易回收、质感柔软、硬度可调、着色便捷、物理化学性能好、适应多种加工工艺等显著优势,但在实际应用过程中,TPE材料也存在一些不足之处:(1)物理性能会随温度上升而下降,塑性形变增大;(2)当缠结点不足或缠结点不是结晶相时,耐溶剂性较差;(3)某些TPE材料在加工前需要进行干燥处理;(4)制品价格较高。基于热塑性弹性体的以上缺陷,相关技术人员仍在不断研发及改进。

 

5.热塑性弹性体前景展望

随着我国对环境保护越来越重视,橡胶材料污染大、难回收、加工过程能耗高,势必将被无污染且易回收的材料所替代。目前,热塑性弹性体已取代部分天然橡胶、合成橡胶及塑料,为汽车各部件制造提供了重要的材料支撑,大力促进了汽车轻量化的发展进程。近年来,TPS,TPV,TPU等热塑性弹性体的国产化进程正在加快,国产TPE材料用量比例逐渐增大,车用热塑性弹性体的需求量也持续上升。采用浇注型TPU制造的轮胎相比于普通橡胶而言滚动阻力低,可减少汽车的燃油消耗;使用寿命长,可减少轮胎的使用数量和翻新次数;生产过程中可减少炭黑和芳烃油的使用量,使用过程中不会产生污染环境的废尘和废料,还可实现生物降解提高回收利用率。汽车密封条和进气软管等以前主要使用EPDM材料,近几年很多已被TPV取代。

 

6.结语

然而,现有TPE材料的某些性能无法达到汽车零部件实际应用中的高要求,如耐热性、耐压缩性、耐久性等,这激励了全球技术人员对TPE材料的功能性研究持续活跃,新品种TPE及其复合材料不断涌现并应用于各领域。从合成技术和加工工艺方面考虑,TPE材料的未来发展方向包括:(1)研究对TPE进行化学交联改性的新方法。(2)开发不同材质TPE材料的复合成型技术。(3)将纳米技术与TPE材料应用相结合。(4)开发可回收再利用的新型TPE材料等。随着轻量化材料的不断开发及改进,热塑性弹性体在汽车领域的使用将进一步降低系统成本、提高部件性能、减轻整备质量等,为汽车轻量化营造辉煌未来。


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