塑料及复合材料在交通运输中的应用

塑料及复合材料在交通运输中的应用

作者：赵胜利

来源：《硅谷》2010年第11期

摘要: 随着科学技术的不断进步,具有质轻、高强、耐腐蚀、易成型等优点复合材料越来越多地在现代交通运输业(包括基础设施建设和海上陆地交通运输工具)中得到广泛的应用。从塑料及其复合材料和橡胶两个方面,介绍复合材料在交通运输行业包括交通运输基础设施和交通运输工具上的应用现状。

关键词: 复合材料;交通运输;应用

中图分类号:TQ32文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0610124-01

随着科学技术和生产的发展,对材料的要求也越来越高。除要求材料具有高强度、高模量、耐高温、低密度以外,还要对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀以及电绝缘性等提出特殊的要求。对此,单一材料往往是无能为力的。采用复合技术,把不同性能的材料复合起来,取长补短,在性能上起协调作用,得到单一材料无法比拟的、优越的综合性能,以实现各种性能的要求,于是就出现了新型的复合材料。

1 塑料及其复合材料在交通运输中的应用

1.1 公路基础设施

根据我国公路交通的阶段发展目标,到2010年全国公路总里程将达到210～230万公里,到2020年全国公路总里程将达到260～300万公里,高速公路里程达到7万公里以上。虽然我国高等级公路建设发展迅速,但因交通量大、车辆超载严重、车速快,对路基路面的危害导致我国一部分高等级公路路面损坏现象十分严重,对路基路面的强度和稳定性都提出了更高的要求。

高等级公路防护栏也是塑料及其复合材料应用的一个重要方面。现在高等级公路使用的防护栏多用钢材制成,但钢护栏自重大,安装维修不方便;耐腐蚀性差,易受汽车尾气的严重侵蚀;标识能力差,且耐撞击性能也有待提高。所以,现在很多国家都在大力研究塑料复合材料护栏,并已经取得了一些突破性进展。玻璃纤维增强塑料(GFRP)强度高,刚度小,受撞击后不易断裂,又能吸收更多的能量,最大程度地保证公路交通安全;加之GFRP具有优越的耐化学药品性,优良的成型加工性,因而可以很好地解决公路护栏锈蚀的问题,提高护栏的使用寿命;而且GFRP质轻、安装方便、标识性强,通过特殊设计,其使用性能优于钢护栏,而且成本较低。

1.2 汽车

塑料及其复合材料是重要的汽车轻质材料,不仅可减轻零部件约40%的质量,而且还可使采购成本降低40%左右。近年来,塑料在汽车中的用量迅速上升。据统计,2000年世界汽车平均每辆塑料用量在就已达105kg,约占汽车总质量的8～12%。塑料在轿车中的用量较高。发达国家汽车用塑料现已占塑料总消耗量的7～11%,预计不久将达10～11%。目前,车用塑料的品种与所占比例大体为:聚丙烯21%、聚氨酯19.6%、聚氯乙烯12.2%、热固性复合材料10.4%、ABS8%、尼龙7.8%、聚乙烯6%。从品种上看,聚烯烃材料因密度小、性能较好且成本低,近来有把汽车内饰和外装材料统一到聚烯烃材料的趋势,因此其用量会有较大的增长,预计聚丙烯今后可保持8%的年增长率,聚乙烯的增长势头也比较强劲。

目前,我国汽车塑料应用主要包括内饰件、外饰件和功能结构件。内饰件主要有仪表盘、车门内板、杂物箱盖、座椅等。功能与结构件主要有油箱、散热器水室、油门踏板、等。外饰件主要有保险杠、档泥板、车轮罩等。

2 橡胶在交通运输中的应用

橡胶在交通运输行业中的主要应用领域仍为汽车工业,主要用作轮胎、门窗密封条、胶管、减振制品、防尘罩、胶带、油封、皮碗、皮膜等。同时,诸如密封、胶管、胶带等在其他交通运输工具中也有广泛的应用。此处仅以橡胶在汽车工业中的应用为例进行介绍。

橡胶占汽车用材料总质量的5%,每辆车上多达400～500个橡胶件。随着环保和汽车多样化,橡胶的再生利用、耐热性以及进一步降低成本已成为汽车橡胶发展的主要课题。新型弹性体材料,如热塑性弹性体、高饱和丁腈橡胶在汽车上取得了长足的发展,其在汽车上用量已占汽车橡胶总消耗量的20～50%(除轮胎)。汽车上大量使用氟胶、硅胶、丙烯酸酯橡胶等高档胶和耐热弹性体仍是汽车橡胶发展的主流方向。

汽车轮胎方面,橡胶材料的使用目标为进一步推广汽车轮胎子午化,西欧已全部实现轮胎子午化,而我国子午化水平仅为40%。为了节能,橡胶材料应具有滚动阻力小即高反弹性,然而轮胎高速稳定性却要求材料具有高耐蠕变即低反弹性,因此最近开发的末端改性的S-SBR材料有可能满足上述矛盾的性能要求。一般来说,胎面使用E-SBR、S-SBR、NR、异戊橡胶IR、胎体使用NR、聚丁二烯橡胶BR、IR等胶。节能性和安全性较好的硅橡胶和S-SBR 胶配合的轮胎材料也在研究开发中。

汽车密封制品占汽车橡胶件质量的25～28%(除轮胎)。近来,具有耐臭氧、耐气候老化的EPDM胶广泛用于制造汽车门窗密封条,并逐步取代传统的NR和CR胶。每辆轿车上平均使用40m长的各种密封条。由于热塑性弹性体材料具有着色和再生利用方便的特点,同时为了降低成本和保持美观,国内外厂商开始使用热塑性弹性体材料制造汽车门窗密封条。汽车工业中油封材料多用丁腈、氢化丁腈、丙烯酸酯橡胶耐油材料。由于耐热性能的提高,特殊橡胶如对氟橡胶的要求和品种日益扩大。预计到2010年,汽车工业对橡胶轮胎的需求为9857万套,轮胎所用乳聚丁苯橡胶及丁基橡胶,国内产量较低,不能全部满足需要;另外,汽车门窗、密封条及软管需要使用耐候性好的三元乙丙橡胶,但国内只有少量生产;同步带、多楔带使用的氯丁橡胶、聚酯

纤维及尼龙包布,国内产品质量尚不过关,无法满足汽车不断增加的需求。预计到2010年,汽车工业所需各种橡胶为52107万吨。

汽车工业要求所采用的橡胶轮胎行驶里程不低于10万公里,要保证橡胶配件可在-54℃～135℃的空气或-40℃～149℃的油中能长期使用,因此,除了常用的丁腈橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶外,汽车工业越来越多的采用硅橡胶、氟橡胶、丙烯酸酯橡胶、氯醚橡胶等特种橡胶。

传统的汽车制件及密封垫片使用耐油、耐热的合成橡胶,其典型产品为丁腈橡胶和氯丁橡胶。由干长期使用温度以120℃为限,不适合现代车辆的耐热要求。丙烯酸酯橡胶目前可达到在175℃下长期使用,也有在-25℃或-35℃下使用的耐寒型或超耐寒型产品。同目前汽车工业中仍使用的丁腈橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶、氟橡胶相比,在耐热及耐油性能方面,丙烯酸酯橡胶优于丁腈橡胶、硅橡胶和氯丁橡胶,稍次于氟橡胶,但丙烯酸酯橡胶加工时不需要二次硫化就可改进其使用性能,并能减少混练、硫化加工对橡胶辊筒及模具的腐蚀,因此在其加工工艺性能、物理力学性能和价格方面优于氟橡胶。使用实践表明,丙烯酸酯橡胶制品在汽车上的应用,可明显改善汽车的运行状况,能有效地减少汽车故障的发生,同时也可减轻污染,保护环境和延长汽车寿命。

3 结语

交通运输是国民经济的命脉,世界各国都在不断提高和完善自身交通运输的水平,其中主要的途径之一就是要实现交通工具轻量化,增加塑料及其复合材料部件,特别是扩大塑料在该领域中的应用。

参考文献:

[1]牛保明,车用复合材料及其应用趋势[J].公路,2004(5).