汽车保险杠高分子材料选择与加工

汽车保险杠高分子材料选择与加工
作者贺喆
(单位湖北汽车工业学院机械系T1113-5班 )
摘要汽车保险杠随着时代变化，对其要求也逐渐变化，由原来的安全防护到目前轻量化、美观，高分子材料成了首选材料。

目前最常用到的是聚丙烯、聚氨酯、热塑性弹性体，通过性能、经济、生产能力等约束的比较，我们可以找到最适合目前生产保险杠的材料，最终我们可以知道，就目前情况聚丙烯不是最好的材料，但是最适合目前生产保险杠，在未来几年里，随着技术革新，热塑性弹性体会逐渐占领市场。

英文摘要Bumper as time change, also gradually change to the requirement, from security to lightweight, beautiful, high polymer material has become the preferred material. At present the most commonly used to polypropylene, polyurethane, thermoplastic elastomer. Through the performance, the comparison of constraints, such as economy, production capacity, we can find the most suitable for the current production of bumper material. At the end of the day, we can know, is in polypropylene material is not the best condition, but the most suitable for producing bumper at present. In the next few years, as technological innovation, thermoplastic elastic experience gradually occupy the market.
关键词改性聚丙烯聚氨酯保险杠热塑性弹性体选材轻量化环保美观
1零件的工作条件、失效方式及性能要求
1.1零件的工作条件
保险杠在初期是属于吸收和缓和外界冲击力、防护车身前后部的安全装置，保险杠与车本身分离，有很大的间隙，就像现在的一些货车重卡。

随着目前汽车轻量化，汽车性能的提高，人们对汽车要求的提高，以及材料学的发展，保险杠的定义、要求以及其功能也发生了巨大变化。

不论怎样变化，保险杠依旧是吸收外界冲击、防护车身前后部的安全装置，这也是其最主要的用途。

对于此用途的工作条件，保险杠在瞬间承受巨大的冲击载荷。

这是分析的特殊情况下的工作条件，因为保险杠一般就处于闲置状态，承受冲击载荷只是在发生事故的时候才有。

随着汽车的发展保险杠与车融为一体成为轿车的外饰，因此，在能防撞的前提下，保险杠还需要有并且能长久保持良好的外观。

就这点分析，保险杠作为外饰的工作条件有：
1)长期受雨水侵蚀
2)保险杠边角处突出，极其容易受到墙体以及其他车辆、物体的擦碰
发生摩擦、掉漆、凹陷等
3)对于靠近发动机的情况，保险杠有可能发生变形。

与车身应变程度
不同会使自身产生应力，既影响外观也影响其作为防护装置的使用
性能，此情况也会在过热过冷天气下发生
在选材上，为满足现代用户对轿车的使用要求，必须同时分析和满足以上两个方面的工作条件。

1.2失效方式
与工作条件类似，失效方式也要从保险杠的防护和装饰两个方面来考虑。

但是往往在外观发生变化时，保险杠作为防护装置性能本身就很有可能发生了改变，所以，两者可以一起来看，则，可以得出保险杠失效的形式有以下几点：[1]
1、破裂、裂痕
2、外观变形、软化
3、表面龟裂、粉化、褪色
4、产品装配松动
5、装配后与周边配合件之间的间隙和断差不理想
6、产品产生缩痕
7、前保险杠左右两侧支架断，件强度不足
8、漆面附着力差
1.3性能要求
保险杠性能的要求当然随其失效形式和工作条件决定了。

其性能要求应当如下：
1、具有良好的冲击韧性，在其断裂破坏时能够吸收足够多的能量
2、抗老化性能良好
3、在雨水、暴晒下不易发生化学、物理上变化
4、温度变化时，材料的延伸率较小
5、强度与刚度高，不易发生变形
2材料的初步选择
保险杠最初的选材都是钢板，与高分子材料相比，金属材料更给人一种安全感，许多年以前汽车前后保险杠是用钢板冲压成槽钢，与车架纵梁铆接或焊接在一起的，与车身有一段较大的间隙，看上去十分不美观。

随着高分子材料的研究得到发展，也同时由于能源问题逐渐深入人心，汽车轻量化成为汽车行业比较热门的词。

与金属材料相比，高分子材料具有比强度很高的特点，这完全满足了人们对轻量化的要求。

另外，在装饰用途上，可以很自然的与车体融合。

金属在受到轻的碰撞后，会在金属面上留下痕迹，而用塑料制造的保险杠对类似的危害有更好的防御性。

因此，高分子材料渐渐取代了金属保险杠，目前在世界范围内约有92%的保险杠是用高分子材料制成的。

[2]
目前常用的高分子保险杠是由三层组成：面板材料是用PP、PE/ABS、PC/PBT；骨架材料可以是木材、金属；中间是以PP发泡材料或PU发泡材料。

我国目前最普遍的是使用增韧（改性）聚丙烯（PP），另外聚氨酯（PU）是国际公认为最适合制造汽车保险杆的原材料，如宝马、奔驰、丰田和本田等各大汽车生产商都选用这种材料来制造保险杆。

逐渐热起来的热塑性弹性体(TPO)在北美使用广泛，2005年，TPO在北美塑料保险杠市场所占份额达75%。

就性能来看，聚丙烯力学性能的绝对值高于聚乙烯，但在塑料材料中仍属于偏低的品种，其拉伸强度仅可达到30 MPa或稍高的水平。

等规指数①较大的聚丙烯具有较高的拉伸强度，但随等规指数的提高，材料的冲击强度有
所下降，但下降至某一数值后不再变化。

温度和加载速率对聚丙烯的韧性影响很大。

当温度高于玻璃化温度时，冲击破坏呈韧性断裂，低于玻璃化温度呈脆性断裂，且冲击强度值大幅度下降。

聚丙烯具有良好的耐热性，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌，在不受外力的条件下，150℃也不变形。

脆化温度为-35℃，在低于-35℃会发生脆化，耐寒性不如聚乙烯。

对于聚丙烯玻璃化温度的报道值有一18qC, OqC, 5℃等，这也是由于人们采用不同试样，其中所含晶相与无定形相的比例不同，使分子链中无定形部分链长不同所致。

聚丙烯的熔融温度比聚乙烯约提高40一50%，约为164一170℃, 100%等规度聚丙烯。

聚丙烯的化学稳定性很好，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其它各种化学试剂都比较稳定；但低分子量的脂肪烃、芳香烃和氯化烃等能使聚丙烯软化和溶胀，同时它的化学稳定性随结晶度的增加还有所提高，所以聚丙烯适合制作各种化工管道和配件，防腐蚀效果良好。

就单纯聚乙烯来说，力学性能不能满足保险杠安全装置的要求。

但是聚丙烯是来源很广，价格低廉的材料，并且通过改性，如采用固相接枝法对等规pp进行改性得到mpp，与其他塑料的共混物冲击强度提高2~3倍，可用作抗冲击壳体材料。

还可以共混改性，与橡胶共混可制被兼具这些聚合物性质的高分子合金，马自达CX-5就采用此合金高分子，表里两层的材质，基材表面的涂料附着性增加，内部的刚性和受冲击吸收性也明显进步。

所以在刚性不变的情况下保险杆厚度变薄，正因为材料使用量变少，故可达减轻约20﹪重量；同时因厚度减少，冷却效果也更为提升，过去须时60秒达到冷却现在仅要30秒，作业时间上节省一半，完全符合节能减碳的环保趋势。

[3]聚氨酯具有韧性好、不易断裂、使用寿命长、耐候性强（-40℃～
+80℃）、重量轻、且可承受一定的冲击力，既能保护车身的油漆同时又增强了行车的安全性，是保障行车安全的最佳扰流配件。

热塑性弹性体TPE/TPR，又称人造橡胶或合成橡胶。

其产品既具备传统
交联硫化橡胶的高弹性、耐老化、耐油性各项优异性能，同时又具备普通塑料加工方更、加工方式广的特点。

可采用注塑、挤出、吹塑等加工方式生产，水口边角粉碎后100%直接二次使用。

既简化加工过程，又降低加工成本，因此热塑性弹性体TPE/TPR材料已成为取代传统橡胶的最新材料，其环保、无毒、手感舒适、外观精美，使产品更具创意。

因此也是一支更具人性化、高品位的新型合成材料，也是世界化标准性环保材料。

现在，TPE以TPS和TPO为中心，在世界各地获得了迅速发展，两者的产耗量已占到全部TPE的80%左右。

烯烃类TPE烯烃类TPE系以PP为硬链段和EPDM为软链段的共混物，简称TPO。

由于它比其它TPE的比重轻（仅为O.88），耐热性高达100℃，耐天候性和耐臭氧性也好，因而成为TPE中又一发展很快的品种。

热塑性弹性体在实际应用中也有些不足。

包括：
1)它属于新技术，普通橡胶加工厂对它不熟悉;
2)热塑性弹性体所需的加工设备热固性橡胶加工厂不熟悉;
3)一些热塑性弹性体需要在加工前进行干燥;
4)低硬度热塑性弹性体能买到的不多;
5)热塑性弹性体在温度升高时会熔化，使之不能应用于短暂的高温条件
下;
6)只有大批量生产，才能使热塑性弹性体具有经济性。

[4]
一些代步车也可以用玻璃钢、碳素纤维等来制作，但是其环保性能以及材料力学性能不太符合保险杠要求，不适宜用在中高档轿车上。

3候选材料
就上述三种材料来说，我认为热弹性体虽然性能优异，但是加工工艺不成熟，就我国的生产加工能力来说，还不能得到广泛应用和发展，生产出来的产品可靠性不高，虽然它是很好的材料，在未来逐渐将占领大片市场，但
不得不就国情将其去掉。

剩下改性聚丙烯与聚氨酯材料。

聚丙烯保险杠普遍采用注射成型工艺 , 其主要优点是 ,可成型形状比较复杂的产品、生产效率较高、能、赋予制品必要的刚性等优点。

其缺点是,必须采用流动性较佳的原料,制品的坚固性较差,受冲撞时易断裂、成本高 ,小批量生产成本高。

我国聚丙烯保险杠成型均采用注射成型。

吹塑成型：随着汽车工业的发展,对汽车保险杠提出了更高要求,可涂饰性汽车保险杠是其发展方向之一。

这种保险杠除了具有保险杠应有性能以外,还具有可涂饰性,安装在轿车上可以实现整车涂装,使塑料保险杠的颜色与车身颜色保持一致,简化了汽车的制造工艺,降低了成本 ,使汽车更加美观、漂亮、实用,从而更好地满足了用户的需求。

[5]
热塑性弹性体在我国不够成熟，可以使用注塑方法成型和挤塑，由于它是热塑性材料，所以，热塑性弹性体还可通过吹塑、热成型以及热焊接进行加工。

而这些方法均不能应用于热固性橡胶制品。

4材料确定
热塑性弹性体与改性聚丙烯相比，热塑性弹性体性能比较优越，但是，聚丙烯加工工艺比较成熟，价格低廉，就国情，应当使用聚丙烯。

随着汽车产销量的不断增加, 汽车废料的回收已经成为影响汽车用塑料增长的大问题。

据估计, 1990年仅德国新注册的汽车就有300 万辆, 如以汽车平均寿命为10 年来计算, 每辆车平均用100kg 塑料, 这300 万辆车将产生30 万吨废塑料。

由此可见, 全世界每年产生的汽车废塑料是相当可观的。

从环境保护和资源有效利用的观点出发, 回收塑料已成为越来越紧要的问题。

保险杠的重复利用必须先脱除涂膜。

混入涂膜的PP材料在成形加工时, 涂膜片妨碍溶融树脂的流动性, 成形体出现间隙、熔接等加工异常情况。

4.1机械脱除涂膜技术
该法是通过摩擦、冲击、分级、过滤的手段脱除涂膜, 优点是毒性、环境安全性好, 但缺点是处理时间不好掌握, 脱除效果不够理想。

如高压喷水法、喷砂打光法喷漆脱除能力比较低, 弯曲部分处理困难; 干式、湿式分级法及过滤法不能避免残留喷漆片的混入。

4.2物理脱除涂膜技术
该技术用卤素溶剂及各种有机溶剂浸透到涂膜/底层涂料/ PP 基料中, 利用底层涂料树脂的膨润作用脱除涂膜, 但这一技术有毒性和环境安全性问题, 其次, 该法涂膜脱除效果和处理能力比较低, PP 材质易变质, 实用性较差。

4.3化学脱除涂膜技术
过去采用强酸、强碱煮沸法, 使用药品有危险性和毒性, 其涂膜脱除效果及处理能力都比较低, 而且需要中和等后处理工序。

日产汽车公司开发的称为有机盐法的新技术解决了煮沸工艺存在的问题。

有机盐脱除涂膜方式有两种: 一是涂膜的化学分解, 通过破坏架桥结构, 使涂膜溶于溶剂, 从而使之脱除; 二是溶剂剥离, 溶剂浸透到PP/ 底层涂料界面, 利用涂膜树脂的膨润作用破坏涂膜/ 底层涂料粘结界面, 使喷漆剥离除去。

前者起主要作用, 后者起辅助作用。

[6]
5材料的现状及未来发展动向
目前，国内聚丙烯保险杠专用材料的研究、开发和应用取得了一定的成果。

但是仍存在一些问题，一方面是聚丙烯、增韧剂、色母料原材料的研究、开发有待加强，目前许多国内汽车企业，特别是合资企业，这些原料很大程度上依赖进口，故加强这方面的研发力度对国内汽车工业的国产化程度有重要的影响；另一方面，政府、企业、高校应该形成一种良好的合作开发局面，各自担负起应有的责任，打破国外企业的技术垄断和封锁，开发出具有国际技术水准的专用材料。

国外对塑料汽车保险杠的研究起步较早，20世纪60年代就已形成商品化生产规模，当时主要选材为PU和PC/ABS合金，进入20世纪80年代后，
PP改性材料成为制作保险杠的首选材料。

近年来，随着高分子合金、复合、动态硫化、相容剂及共混理论与技术的发展，PP改性材料不断适应各种汽车保险杠用材的要求，正在逐步代替其他保险杠材料，使用PP改性材料生产的保险杠已占70%。

欧洲保险杠大部分采用可注射成型的EPDM改性PP材料，20世纪90年代初，欧洲约有85%保险杠用EPDM改性PP制作，1995年提高到95%。

日本在塑料保险杠的开发方面始终处于世界前列，20世纪90年代日本大约80%的保险杠用改性PP制成。

日本窒素公司开发了一系列用于汽车保险杠的高结晶PP，日本本田CR-X型汽车是世界上较早采用注射模塑法生产改性汽车保险杠的汽车。

日产汽车公司和三菱油化公司也研制出由PP嵌段共聚物、苯乙烯弹性体和聚烯烃系乙丙橡胶3种组分配成的新材料制作的保险杠，该保险杠具有高刚性、耐冲击性、抗损伤并具有良好的光泽、弹性和涂装性。

保险杠装车后，在8 km/h受冲撞时可不碎裂，并具有复原的弹性。

这种材料还具有装饰美观、可注射成型等特点，性能与聚氨酯差不多，成本则降低10%~20%。

日本三井化学也研制了以由PP嵌段共聚物、弹性体和滑石粉色目料配成的材料制成的保险杠，综合性能良好。

1991年，丰田汽车公司将纳米PP复合材料用于汽车前、后保险杠，使原来保险杠的厚度由4 mm减至3 mm，质量减轻约1/3。

据报道，北美汽车工业TPO使用量的年增长率超过10%。

2005年，TPO在北美塑料保险杠市场所占份额将达75%，而RIM聚氨酯和PC/PBT则将下降到20%和1%。

美国GM公司正在广泛采用TPO取代RIM作保险杠，福特公司正逐步停用PC/PBT保险杠，克莱斯勒公司长期以来一直使用TPO保险杠，并计划用TPO取代其他材料。

TPO在市场上所占份额持续上升的一个重要原因就是材料性能的改善。

目前，PP/EPDM用于汽车保险杠是汽车工业的发展趋势。

国外一些公司开发了许多回收PP/EPDM汽车保险杠的方法，如德国大众汽车公司采用先粉碎、清洗，然后再造粒及模塑的方法，这种方法简单可行、效率高。

也有一些公司将回收的PP/EPDM汽车保险杠先粉碎，然后用二甲苯作溶剂分离聚合物的
方法生产PP/EPDM。

日本汽车公司则先除去保险杠的涂料，然后再加工成新的汽车保险杠。

再生的PP/EPDM汽车保险杠与新生产的PP/EPDM汽车保险杠一样，可装在汽车上使用。

日本目前80%保险杠采用PP/EPDM制造，欧洲汽车保险杠材料大多采用德国BASF的产品。

[6]
6结论
总的来说，目前适合保险杠的材料是聚丙烯，通过不同方式改性，可以得到不同的性能要求。

在未来技术逐渐成熟，热塑性弹性体逐渐深入我国汽车领域，当然，它会渐渐取代聚丙烯材料，正如目前美国的情况一样。

相信未来保险杠会有更好的替代材料，既满足轻量化、环保要求，同时又满足安全可靠.
7参考文献
[1]/view/a43030e95ef7ba0d4a733baf.html
[2]/view/604025.htm
[3]/view/49047.htm
[4]/view/481514.htm
[5]/view/168535ee102de2bd960588b7.html
[6]《塑料》2001 年第3 期( 30 卷)《聚丙烯汽车保险杠的应用与开发进展X》王跃。