汽车塑料保险杠的发展

汽车塑料保险杠的发展与各国的立法及技术发展有关。美国在1966 年公布了汽车安全法,规定当车速为5km/ h (现已提高到8km/ h) 时,保障汽车安全构件在汽车冲撞时不碎裂。由此在美国出现了用热塑性聚氨酯( TPU) 、三元乙丙橡胶( EPDM) 及反应注塑成型聚氨酯(RIMPUR) 材料处理的金属保险杠。欧洲许多国家也推出了类似的安全法规, 规定车速为2. 5km/ h时,保险杠不碎裂。国外许多塑料及汽车厂家都致力于汽车保险杠的研究。目前用作汽车保险杠的材料主要有PC、PC/PBT、TPO(聚烯烃类热塑性弹性体) 、PU (RIM) 、PU(R2RIM) 及改性复合材料等。

近年来,随着PP 复合技术和塑料成型加工技术的进展,使用PP 改性材料生产的保险杠已占70 %。改性PP 保险杠具有成本低、质量轻、可循环再用等优势,用量正逐渐增大,并正取代其他各种类型的保险杠。1976 年,意大利菲亚特公司采用德国赫斯特公司聚丙烯与乙丙共聚物的共混料制作出世界上第一副保险杠,并使用在FIAT 126 型小轿车上。此后, PP 作为一种物美价廉的新型通用塑料在汽车领域内广泛应用。

日本在塑料保险杠的开发方面始终处于世界的前列。日本本田CR2X 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了由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。用该体系生产的保险杠具有高刚性、耐冲击性、抗损伤并具有良好的光泽、弹性和涂装性。将保险杠装车后,在8km/ 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。在性能方面与聚氨酯差不多, 成本则减少10 %～20 %。

世界上最大的PP 生产公司Himont 近年来开发的新“Catalloy”聚合技术,使PP 性能得到大幅度改进和提高。它可以在反应器中直接生产出改性的PP 合金,提高了油漆性、耐刮伤性和耐热性。该公司开发的第一个在反应器中改性的聚烯烃Hifax 热塑性弹性体CA 系列现有4 个品级, 其弯曲模量为103MPa～758MPa ,适用于保险杠横梁。Himont 公司坚信PP 保险杠可以取代其他塑料占有越来越广泛的市场。目前某些品级的PP 已能同聚氨酯和聚碳酸酯共混物抗衡。

据报道,北美汽车工业TPO 的使用量年增长率超过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 %。欧洲从1978 年开始使用TPO 保险杠,目前塑料保险杠的80 %以上都是用TPO 制造的。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。例如,马自达汽车保险杠壁厚原为3. 0mm ,改用D &S 塑料公司新一代TPO Sequel 1440 后,壁厚减至2. 5mm ,质量减轻31 % ,模塑时间缩短15 秒。与原TPO 相比,Sequel系列弯曲模量、拉伸强度、硬度和熔体流动速率均有大幅度提高。此外,新一代TPO 的低温抗冲击性、耐化学品性和涂装性也较优越。

我国聚丙烯在汽车工业中的应用起步较晚,远落后于发达国家,目前车用塑料仅占整车质量的5 %～6 %。近些年,我国引进了几条轿车生产线,其保险杠均为塑料保险杠。据估算,2000 年我国轿车产量将达300 万辆,车用塑料需求量为23. 4 万吨,其中居首位的是PP ,约为5. 2 万吨。在我国引进的车型中,如一汽奥迪,神龙

富康,上海桑塔纳、帕萨特,天津夏利,北京切诺基和广州本田等,其保险杠都是由改性聚丙烯制成的。

我国车用保险杠市场潜力巨大,所以国内许多汽车厂家和树脂研究开发机构在这方面做了许多工作。目前,国内生产保险杠料的方法大都采用均聚聚丙烯或共聚聚丙烯, 然后加入过氧化物调节分子量, 与EPDM 共混挤出造粒,制得用于工业化生产的保险杠专用料。如中科院应化所采用EPDM 为增韧剂,在原料中加入二异丙苯类过氧化物,再使橡胶形成微交联结构,同时橡胶相与塑料相之间形成一定程度的共交联结构,材料的拉伸强度明显提高。通过加入滑石粉、碳酸钙等无机填料,确保了材料的弯曲强度、热变形温度和硬度等指标不下降。

国内研制聚丙烯保险杠材料的主要单位有:化工部北京化工研究院、中国科学院化学所、中国科学院长春应用化学所、扬子石化公司研究院、燕山石化公司、北京化工大学、金陵石化公司,清华大学等。表2 列出他们生产或研制的可供制作汽车保险杠的聚丙烯材料的技术指标。

国外对塑料汽车保险杠的研究起步较早, 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80 年代后, 由于PP 改性材料具有价格便宜、设计自由度大、可注射成型、废料可回利用等优点, 成为制作保险杠的首选材料。1976 年, 意大利FIAT 公司首次生产出PP 保险杠,用在FIAT126 型小汽车上。1978 年, 在FIAT 系列的Commid 型车上使用后, 西欧制造商竞相采用注塑PP 生产汽车保险杠。奥贝尔和奥迪公司的新车型上也采用了Moplen SPPP 保险杠[ 1] 。

近年来, 随高分子合金、共混、复合、动态硫化、相容剂及共混理论与技术的发展, PP 改性材料已不断适应各种汽车保险杠用材的要求, PP 保险杠正在逐步代替其他材料的保险杠。

欧洲保险杠材料大部分采用可注射成型的EPDM 改性PP, 德国BASF 公司生产的两种牌号的汽车保险杠专用料Novolen2500hx 或2563X 和Novolen2800jx 或2863jx 均为PP/ EPDM 反应器共混料, 采用二步串联气相聚合技术制成[ 2] 。

90 年代初, 欧洲约有85% 保险杠是用弹性PP制作, 1995 年提高到95% 。西欧1992 年保险杠用PP/ EPDM 量为1kt , 1995 年用量则增加了1 倍[ 3] 。

日本的塑料保险杠开发处于世界领先水平。日本是世界上较早采用PP/ EPDM 制作汽车保险杠的国家。1980 年以来, 日本车用塑料保险杠得到显著增加, 80 年代末, 几乎所有的乘用车和某些运输车上采用塑料保险杠, 原材料以改性PP 为主, 大约占80%。日本90 年代大约80% 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。三井石油化学公司生产了多种牌号的汽车保险杠专用料, 其中商品名为Apel 的材料是无定形聚烯烃, 商品名为BX2D 及BX4A 的材料为PP/ EPDM 共混料; 商品名为TafmerP0680 的材料是PP/ TPE( 聚烯烃热塑性弹性体) 共混料, 用于制造小轿车的保险杠, 这种材料与PP/ EPDM 材料相比, 由于TPE 为颗粒料, 无需破块开炼或硫化, 因而加工成本较低[ 2]; 日本日产汽车公司与三菱石油化学公司开发了PP 嵌段共聚物、苯乙烯系弹性体、烯烃系乙丙橡胶 3 种成分组成的材料制作保险杠。这种保险杠具有高刚性、高韧性、光泽好以及可涂装等特点, 制作的保险杠有经受冲击速度为8km/ h 冲击后复原的特性[ 5] 。