干貨 | 聚丙烯（PP）材料在汽車零部件上的應(yīng)用與展望

 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，輕量、舒適、綠色、環(huán)保成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。汽車輕量化技術(shù)能夠減輕車身重量、降低油耗，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一。目前，汽車零部件更多地采用塑料材料替代笨重、昂貴的金屬構(gòu)件，“以塑代鋼”成為解決汽車工業(yè)發(fā)展要求的佳方案，汽車塑料化程度已經(jīng)成為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平的重要標(biāo)志。

在當(dāng)前的車用塑料中，聚丙烯是用量大、使用頻次高、增長(zhǎng)速度快的品種。聚丙烯在汽車工業(yè)中用量迅速增長(zhǎng)是因?yàn)槠涿芏刃?、體積輕、設(shè)計(jì)空間廣，綠色環(huán)保、性能優(yōu)異及其制造成本低。

聚丙烯在汽車外裝飾件的應(yīng)用特點(diǎn)是以塑代鋼，減輕汽車自重。聚丙烯是一種由丙烯聚合（均聚PP）或丙烯和乙烯共同聚合（共聚PP）而成的無(wú)臭、無(wú)毒、半透明的聚合物，其結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

聚丙烯按甲基（-CH3）空間排布的位置可分為等規(guī)聚丙烯（Isotactic polypropylene）、無(wú)規(guī)聚丙烯（Atactic polypropylene）和間規(guī)聚丙烯（Syndiotactic polypropylene）三種。聚丙烯具有優(yōu)良的柔韌性、耐化學(xué)腐蝕性、耐熱性、介電性能，以及高強(qiáng)度的機(jī)械性能和高頻絕緣性，且不受濕度的影響，聚丙烯的種類及性能如圖2所示。

目前，為了進(jìn)一步改善聚丙烯的性能，通常采用化學(xué)改性（共聚改性、交聯(lián)改性、接枝改性、添加成核劑等）或物理改性（添加有機(jī)或無(wú)機(jī)助劑等）改變高分子組分與大分子結(jié)構(gòu)、晶體構(gòu)型或填充、共混、增強(qiáng)等來(lái)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。改性聚丙烯根據(jù)特點(diǎn)和功能可分為長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料、免噴涂聚丙烯材料、聚丙烯微發(fā)泡材料、高溶體強(qiáng)度聚丙烯、環(huán)保阻燃聚丙烯材料、抗菌聚丙烯、耐刮擦聚丙烯材料，及低氣味、低VOC聚丙烯材料等。

01 聚丙烯的車用優(yōu)勢(shì)

性能優(yōu)勢(shì)

聚丙烯在強(qiáng)度、剛度、硬度、耐熱性上均優(yōu)于聚乙烯；能夠在100℃的溫度下正常使用，具有良好的尺寸穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、較好的力學(xué)性能、較高的耐沖擊性、機(jī)械性質(zhì)強(qiáng)韌，化學(xué)穩(wěn)定性良好且不受濕度影響。聚丙烯外觀透明而輕，密度為0.89~0.91 g/cm3，是目前塑料中輕的品種之一。

因此，采用聚丙烯替代傳統(tǒng)的金屬材料可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)重量的降低。另外，由于近年聚丙烯改性技術(shù)的發(fā)展使聚丙烯在汽車工業(yè)的發(fā)展占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

環(huán)保優(yōu)勢(shì)

聚丙烯為無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)臭的乳白色透明高結(jié)晶聚合物，屬于環(huán)保材質(zhì)。聚丙烯不僅可回收再利用，而且在聚丙烯主鏈上含有叔碳原子，在高溫和氧化作用下能夠產(chǎn)生分子鏈分解反應(yīng)，使聚丙烯具有降解特性，大大地降低了白色污染帶來(lái)的環(huán)境問題。

成本優(yōu)勢(shì)

聚丙烯的生產(chǎn)原料來(lái)源路徑多樣，主要有油、煤、甲醇、丙烯等。煤制聚丙烯是 目前聚丙烯中增長(zhǎng)快的一種原料來(lái)源方式，如圖3所示。

由于我國(guó)煤炭資源豐富，且煤炭的價(jià)格較為穩(wěn)定，煤制備聚丙烯成本浮動(dòng)小。同時(shí)，聚丙烯容易加工成型，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的其他塑料材料。

02 車用聚丙烯的改性研究

聚丙烯是汽車領(lǐng)域應(yīng)用的核心基材，但由于聚丙烯的性能缺陷，包括收縮率大、容易產(chǎn)生翹曲變形、低溫易脆斷等，決定其必須通過改性才能滿足車用部件的特殊需求。聚丙烯的改性原理是基于車用零件的具體要求，優(yōu)化基體樹脂的結(jié)構(gòu)和組成，采用化學(xué)或物理方法來(lái)進(jìn)行改性。

長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯

長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯是采用長(zhǎng)度為 10~25 mm的玻璃纖維與基體樹脂進(jìn)行復(fù)合而形成的改性聚丙烯復(fù)合材料，與普通聚丙烯材料相比，通過玻璃纖維增強(qiáng)的聚丙烯的機(jī)械性能能夠得到成倍甚至數(shù)倍的提高，能夠與ABS塑料的相關(guān)產(chǎn)品相媲美。

長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯具有更好的耐熱性能，且成本遠(yuǎn)低于ABS塑料；另外，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯的高溫耐疲勞強(qiáng)度甚至比以耐熱性著稱的玻纖增強(qiáng)尼龍高出10%，同時(shí)兼具更優(yōu)異的抗翹曲特性。普通聚丙烯與長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯的性能對(duì)比如表1所示。

發(fā)泡改性聚丙烯

發(fā)泡改性聚丙烯是以聚丙烯材料為基體，通過物理或者化學(xué)的方式使塑料中間層密布尺寸十到幾十微米的封閉微孔結(jié)構(gòu)。

發(fā)泡改性技術(shù)突破了傳統(tǒng)聚丙烯的諸多局限，可以減輕制品的質(zhì)量和成型周期；同時(shí)使制品具有內(nèi)應(yīng)力、翹曲小的特性，在注塑成型中更平整、筆直和穩(wěn)定；另一方面，由于微孔的支撐作用，使材料的抗沖擊性能和抗壓吸能性能更優(yōu)異，在受到多次連續(xù)撞擊和撓曲變形后能夠很快恢復(fù)原始形狀。

低氣味、低VOC聚丙烯

低氣味、低 VOC 聚丙烯材料的研究是車用塑料發(fā)展的一個(gè)重要方向，尤其針對(duì)處于相對(duì)封閉空間的汽車內(nèi)飾用聚丙烯材料，對(duì)聚丙烯提出了綠色、環(huán)保的要求。低氣味、低 VOC 聚丙烯是通過在填料、加工助劑的選擇、成型及后處理工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)上來(lái)優(yōu)化以減少小分子的產(chǎn)生，從而控制氣味的產(chǎn)生。

免噴涂聚丙烯

免噴涂聚丙烯是在聚丙烯基體中通過熔融共混的方式加入具有不同顯示效果的金屬粉、陶瓷粉、高光色粉等，使其能夠自帶特殊的色彩，具備高光澤的特性，免噴涂聚丙烯能夠應(yīng)用于汽車的外飾件。

03 聚丙烯材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

保險(xiǎn)杠（bumper）

保險(xiǎn)杠作為汽車的重要組成部分，承擔(dān)著吸收和緩和外界沖擊力的作用，保障駕駛員的自身安全。在進(jìn)行保險(xiǎn)杠加工時(shí)，常選取聚丙烯或改性聚丙烯材料作為保險(xiǎn)杠的材質(zhì)，如圖4所示。

聚丙烯保險(xiǎn)杠的成型工藝普遍采用注塑和吹塑，注塑成型生產(chǎn)效率較高，能賦予保險(xiǎn)杠剛性；吹塑成型使制品具有剛性和彎曲強(qiáng)度的同時(shí)，外觀質(zhì)量也能得到大幅改善。

聚丙烯作為質(zhì)輕材料，用于制作保險(xiǎn)杠能在一定程度上減輕汽車的自重，而且聚丙烯的抗彎曲性能、耐腐蝕性能對(duì)延長(zhǎng)保險(xiǎn)杠的使用壽命起到*的作用；同時(shí)，聚丙烯具有黏彈性，吸收沖擊能量大，可以應(yīng)對(duì)不同程度外力的作用，增強(qiáng)汽車的安全系數(shù)。

Kim G H等探索了玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的應(yīng)變速率力學(xué)性能及其對(duì)汽車保險(xiǎn)杠梁結(jié)構(gòu)性能的影響。通過采用有限元仿真分析軟件LS-DYNA對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料進(jìn)行了沖擊仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了可以通過使用應(yīng)變速率預(yù)測(cè)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料保險(xiǎn)杠的沖擊響應(yīng)。

Ramaswamy K等研究了來(lái)自三家不同供應(yīng)商的聚丙烯微發(fā)泡材料的機(jī)械性能的差異，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M了聚丙烯微發(fā)泡材料保險(xiǎn)桿模型在各種載荷條件下的性能變化，了解了各供應(yīng)商之間聚丙烯微發(fā)泡材料性能之間的差異對(duì)應(yīng)用于低速保險(xiǎn)杠的影響。

GovindarajK等選擇滑石粉作為無(wú)機(jī)礦物填料，用來(lái)制備滑改性聚丙烯共聚物（PPCP），將PPCP材料用于薄壁前保險(xiǎn)杠集成式格柵構(gòu)件，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的耐久性，并對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)*符合規(guī)格要求。基于PPCP材料的薄壁前保險(xiǎn)杠集成式格柵部件減輕了車身400g的重量，從而有效實(shí)現(xiàn)低排放和低成本。

擋泥板（fender）

汽車擋泥板的主要作用是防止在行車過程中泥土濺到車身、拉桿、球頭上。當(dāng)泥土飛濺到擋泥板上時(shí)，則容易引起生銹，并且在外力沖擊時(shí)擋泥板容易被破壞。采用聚丙烯或改性聚丙烯材料用于擋泥板，由于聚丙烯柔軟、耐沖擊、耐腐蝕的特點(diǎn)，擋泥板用聚丙烯材料可以有效防止生銹，保持擋泥板的美麗外觀。另外，外力沖擊時(shí)容易引起變形，不容易直接毀壞部件，如圖5所示。

聚丙烯擋泥板的成型工藝與擋泥板的結(jié)構(gòu)和尺寸有很大關(guān)系。從工藝角度看，目前國(guó)內(nèi)外汽車擋泥板的成型工藝主要包括沖壓、折彎、焊接、注塑、滾塑等。

Shunichiro I的發(fā)明提出了一種聚丙烯類樹脂組合物，其中聚丙烯的含量為75~97%。本發(fā)明的聚丙烯類樹脂組合物的模制品在汽車工業(yè)，尤其是在汽車零部件，諸如擋泥板、門板、車頂?shù)炔考暇哂泻芎玫倪m用性。

Inal M等提到低流動(dòng)聚丙烯均聚物（LPPH）是一種廣泛應(yīng)用于汽車的熱塑型塑料，由于其高的抗沖擊性能，在汽車工業(yè)上常用作其緩沖作用的擋泥板原材料。

儀表板（instrument board）

儀表板作為汽車設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是一個(gè)集裝飾性、功能性、舒適性、安全性為一體的核心部件。作為汽車的內(nèi)飾構(gòu)件，儀表板直接面對(duì)駕乘人員，對(duì)駕乘人員的安全起著重要作用。

由于聚丙烯優(yōu)良的剛性和出色的韌性，通過擠出和注塑成型制作的聚丙烯儀表板，既可以保證儀表板在使用過程中不出現(xiàn)變形，又可以增加氣囊有限爆破的難度，保證駕乘人員的安全，如圖6所示。

Yang B等的發(fā)明公開了聚丙烯組合物的制備方法，將該聚丙烯組合物制成薄膜或片材，可以應(yīng)用于汽車的內(nèi)飾零部件，如儀表板、輔助儀表板等。聚丙烯薄膜或片材可以與儀表板的氣囊門區(qū)域結(jié)合在一起，提高儀表板與氣囊之間的焊接力，提高用于儀表板氣囊門的沖擊阻力，防止安全氣囊門的破裂。

Noh J G等發(fā)明了一種用于汽車內(nèi)飾構(gòu)件的聚丙烯樹脂組合物，其具有優(yōu)異的涂料黏合性，無(wú)須底漆處理就可以直接涂漆在汽車內(nèi)飾構(gòu)件的表面，如儀表板表面等，并且具有*的抗沖擊破壞性、優(yōu)異的剛性和較低的重量，可以有效降低汽車內(nèi)飾構(gòu)件的重量。

風(fēng)扇葉片（fanblade）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)扇葉片是保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的關(guān)鍵構(gòu)件。風(fēng)扇葉片的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果和工作噪音的大小。聚丙烯風(fēng)扇葉片具有重量輕、噪音低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且葉片形狀可以通過注塑成型制成各種有利于空氣流動(dòng)的飛機(jī)機(jī)翼形。因此，聚丙烯塑料成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇壓片的選塑料材料，如圖7所示。

Yan X等通過采用注射成型工藝制備了玻璃纖維和玄武巖纖維增強(qiáng)的聚丙烯雜化復(fù)合材料。由于玻璃纖維、玄武巖纖維增強(qiáng)的聚丙烯復(fù)合材料在汽車工業(yè)中有的應(yīng)用備受歡迎，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片上的應(yīng)用則是為典型的代表。

其他應(yīng)用（other）

聚丙烯及其改性聚丙烯材料除了在汽車保險(xiǎn)杠、擋泥板、儀表板及風(fēng)扇葉片上的應(yīng)用外，在汽車上的應(yīng)用還包括前端模塊、換擋器座底、底護(hù)板、天窗排水槽、發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋、排檔盒底座、后視鏡支架、車門內(nèi)板、座椅護(hù)板、門護(hù)板、柱護(hù)板、包裹架護(hù)板、后護(hù)板、油箱、散熱器水室、油門踏板、卡車保險(xiǎn)桿支架等。

04 聚丙烯材料在汽車領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題和發(fā)展方向

聚丙烯通過增韌、填充、增強(qiáng)、共混等改性方法可得到性能各不相同的材料，在汽車外裝飾件、內(nèi)裝飾件、功能與結(jié)構(gòu)件上得到了廣泛的應(yīng)用。目前，市場(chǎng)上新能源汽車的保有量不斷上升，前景十分廣闊。

面對(duì)“國(guó)六”即將全面到來(lái)，隨著汽車制造水平及消費(fèi)者對(duì)汽車安全性、舒適性及審美的要求，對(duì)聚丙烯材料的性能提出了更多、更高的要求，低密度、薄壁化、微發(fā)泡、高強(qiáng)度、低氣味是目前車用聚丙烯材料亟待解決的技術(shù)難題和未來(lái)主要的發(fā)展方向。

05 結(jié)語(yǔ)

汽車塑料的用量是衡量一個(gè)國(guó)家汽車生產(chǎn)技術(shù)水平的關(guān)鍵指標(biāo)。聚丙烯材料憑借其高性價(jià)比和*的性能，在車用塑料中扮演著不可替代的角色。越來(lái)越多的汽車零部件采用聚丙烯材料替代金屬制件，以促進(jìn)汽車工業(yè)的減重節(jié)能，提高汽車的美觀舒適度。本文闡述了聚丙烯及其改性材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，以及未來(lái)在汽車領(lǐng)域的發(fā)展方向。