汽车内六种部位塑料 材料的分析、选择、改性

汽车内六种部位塑料材料的分析、选择、改性

项目 12 的六组任务 第一组：请为汽车方向盘的生产选择合适的高分子材料； 第二组：请为汽车仪表盖板的生产选择合适的高分子材料； 第三组：请为汽车烟灰缸的生产选择合适的高分子材料； 第四组：请为汽车暖风机叶轮的生产选择合适的高分子材料； 第五组：请为汽车座垫、靠垫的生产选择合适的高分子材料； 第六组：请为汽车车门内填料的生产选择合适的高分子材料。

教学目的

通过对项目 12 所涉及到汽车内六种部位材料的分析、选择、改性的整个实施过程，使学生进一步了解并掌握完成一个完整项目的每个细节，初步形成实施每个细节过程的能力，最终达到根据产品需要对高分子材料进行合理分析、合理选择、合理改性的总能力；进而结合学生所选择出来的材料从理论上归纳、总结与高分子物理的研究对象直接相关的结构与性能的关系；同时在完成项目过程中对课程整体方案所规定的拓展能力进行初步的锻炼。

能力（技能）目标 能根据汽车内六种部位材料的不同用途要求，

合理的选择高分子材料；并能合理的分析所选择材料的结构、性能；如果不能直接选择到合适材料时，能 提出合理的改进意见与方案。

知识目标 被选用的高分子材料的主要结构特征、主要

性能及应用范围。其中第 12 个项目重点学习、理解、应用高分子材料的结构层次、化学组成、连接方式、几何构型、柔性知识、复合、弹性、韧性知识。

素质目标 初步建立良好的学习方法； 资料收集的方法； 处理问题的方法； 团队合作的意识； 用户至上的意识； 安全环保意识； 表述与合理辩解能力。

参考资料 潘文群 , 高分子材料分析与测试 . 化学工业出版社

2005 ； 戚亚光 , 高分子材料改性 . 化学工业出版社 ,2005 ； 聂垣凯 , 橡胶材料与配方 , 化学工业出版社 , 2004 ； 王文广 , 塑料材料的选用 . 化学工业出版社 , 2002 ； 高俊刚 , 高分子材料 . 化学工业出版社 , 2002 ； 桑永 , 塑料材料与配方 . 化学工业出版社 , 2001

一、有关内容 汽车这种现代化的交通工具，目前面临着污染、安

全及节能三大问题，选用轻质的塑料材料可有助于解决安全和节能两方面问题。

用可吸收冲击能量的弹性体和发泡塑料制造保险杠、仪表盘、座椅、头枕等制品，在发生交通事故时，可减轻对人体的伤害，提高汽车的安全系数。

用密度仅为钢材 1/8 的塑料材料制造汽车制品，可有效地降低汽车的自重，从而达到节能的目的。

目前，世界各国大都立法规定汽车的最低耗油指标；以美国为例，其汽车耗油指标从 1978 年的 7km/L 上升到现在的 11km/L ；而日本则达到 l2km/L 。汽车的能耗绝大部分消耗在汽车行驶时克服空气阻力和轮胎滚动阻力上，空气阻力可通过改进汽车流线造型来降低，轮胎滚动阻力则要靠减轻汽车自重来降低。例如， 1600kg 自重的汽车耗油为 10km/L ，如自重降低为 800kg ，其耗油则降低为 21km/L ，节能幅度高达 110% ，可见节能效果是多么明显。目前，各汽车制造商都在逐步增加塑料材料在汽车上的使用量；美国 1980 年汽车用塑料仅为 6% ，到 2000 年则可达到 30% 以上。我国汽车塑料化也进展很快，目前桑塔那轿车的自重已降为 991kg 以下，接近世界先进水平。

几种汽车制品用塑料材料后的轻量化情况配件名称 原质量 /kg 塑料质量 /kg 减轻质量 /kg 轻量化率，

%空碉器支架 3.18 0.91 2.27 71盘式制动器活塞 0.82 0.41 0.41 50发动机盖 16.34 12.26 4.1 25后门 20.88 12.71 8.17 39座椅架 (2 座 ) 22.7 11.35 11.35 50燃料箱 22.7 18.16 4.54 20轮胎 (4 只 ) 54.48 40.86 13.62 25驱动轴 10.22 4.31 5.9 58叶片弹簧 12.71 2.04 10.67 84门梁 7.72 3.18 4.54 59车身 209.29 94.43 114.86 55车架 128.48 93.98 34.5 27车门 (4 扇 ) 70.82 27.69 43.13 61前后保险杠 55.84 9.98 35.87 64车头 43.58 13.17 31.42 70车轮 (4 只 ) 41.77 22.25 19.52 47 721.53 377.69 344 47.7

用塑料材料制造汽车制品的优点如下 ① 减轻重量，达到节能的目的； ② 塑料材料可有效地吸收冲击能量和震动能量，减少汽车在

撞击时对人体的损伤，提高汽车的安全系数； ③ 提高汽车的功能性，如用塑料材料制造的保险杠，对吸收

冲击能大有改善，用塑料制造的燃油箱，提高了抗腐蚀性，降低了火灾爆炸可能性；

④ 成型加工容易，以燃油箱为例，用金属材料制造，需要 20 到工序，而用塑料材料制造，则只用 1 道工序即可。

不过，用塑料材料制造汽车制品也有其自身的缺点，具体有成本高出钢材 2 ~ 3 倍、耐热性差及强度低等。

汽车轻量化除可用塑料材料外，还可用高强度钢、铝合金、镁合金及精密陶瓷等，但其使用量远远落后与塑料材料。

二、汽车制品中常用塑料的选材 塑料汽车制品又称为汽车配件，一般可分为

三类即内饰件、外饰件和功能结构件。其中内外饰件对所用塑料材料的性能要求不高，可用普通的塑料材料即可，而结构件对所用塑料材料的性能要求则高，常用优质工程塑料或其合金。

(1) 内饰件 内饰件指轿车内部的装饰部件，具体名称及所用材料见下表所示。

汽车常用的内饰件及所选材料内饰件 主要原料 要求性能 可代替材料方向盘 PP、 PU、 HDPE等 耐热、手感好 热塑性弹性体仪表板 金属骨架＋半硬发泡 PU＋ ABS 耐光、抗冲击 冷硫化 PU、 SMA、

或PVC、皮、 ABS、 ABS/PVC PC/ABS 等 PPO/ABS、增强PP 等仪表板芯 ABS 强度、涂漆性 增强PP仪表盖板 ABS 尺寸稳定、耐热 增强PP杂物箱 PP 铰链特性烟灰缸 PF 耐热 GFPBT仪表板底架 PP 价格低车门内手柄 ABS、 PVC 皮＋PU＋ PE 韧性好 热塑性 PU座垫、靠垫 软发泡 PU 回弹性高、柔软头枕芯 半硬发泡 PU 柔软暧风机壳 ABS、增强PP 耐热、强度暧风机叶轮 POM 强度

汽车常用的内饰件及所选材料

内饰件 主要原料 要求性能 可代替材料 表皮 PVC革 柔软、耐寒车门内饰板 填料 发泡 PU 隔热、隔音 发泡 PE及 PS 芯材 硬纸板 价格低 PP＋废纸 表皮 PVC膜或壁纸 柔软、耐寒 布车顶棚衬里 填料 发泡 PU 隔热、隔音 发泡 PE及 PS 芯材 塑料毡＋PF 价格低 PS泡沫

(2) 外饰件 外饰件除应具备内饰件的性能外，还 要具有高强度、

高 韧性、耐 环境性能及耐冲击性能等。 外饰件的具体品种及使用材料如下： ①前后保险杠，选用 PP/EPDM 、 RIMPU 、 TPU 、

PC/PBT 、 EPDM 、 SMC(UP) 及 MPPO 等； ② 车身、棚，选用 SMC 及 PC/ABS 等； ③ 外门板，选用 SMC 、 ABS 、增强 PP 及 RIM

PU 等； ④挡泥板，开始使用 SMC 、 HDPE ，近期开发增

韧， PP 、 RIMPA 、 MXD6PA 及 PBT 等；

⑤轮罩壳，选用增韧 PP 、 ABS 及 PPO/ABS 等；

⑥镜框，选用 PP 、 PU 及 PS 等；⑦灯罩，选用 PMMA 、 PC 及 SMC 等；⑧散热器隔栅，低档用 ABS 、增强 PP 及

SMC 等，高档用 MPPO 及改性 POM 等；⑨遮阳板固架，选用改性 PP 等；⑩遮阳板面料，选用软 PVC 片等。

(3) 结构件 结构件对所用塑料材料的性能要求很高，不仅要求材料的强

度要高，而且耐热性也要好。 可用塑料材料制造的结构件及具体品种有： 发动机及周边产品，要 求耐热 160 一 200C ，可 选用 GF

PA66 及 GFMPPO 等，发 动机罩可用 SMC 等； 蓄电池壳，选用改性 PP 等； 风扇叶，选用增强 PP 等； 车轮，选用 SMC 等； 传动轴，选用玻璃纤维或碳纤维增强 EP 等； 座椅架，选用增强 PP 等； 燃油箱，选用 HDPE 冲 A 斤 DPE 及 UHMWPE 等； 燃油管，选用 PAll 及 PAl2 等； 密封条、圈，选用 EPDM 、 PVC 及 PU 等； 窗玻璃，选用 PC 和 PMMA ，目前应用较少，但不久肯定

用塑料代替玻璃。

(4) 几个常用汽车塑料件 ① 保险杠。保险杠材料要求具有很高的冲击强度，

以吸收万一汽车相撞时的冲击能量，保护汽车和驶乘人员的安全。保险杠分前、后保险杠和左右保险杠，其所用材料基本相同。

可用于保险杠的塑料材料有很多种，常用的有 PP/EPDM 、 TPU 、 RIMPU 、 PC 冲 BT 、 EPDM 、MPPO 及 SMC 片状模塑料等。其中 PP 几 PDM 常用于中低档轿车，而其他种类材料常用于高档轿车。

世界各国对上述各种保险杠材料的应用情况不同。我国的桑塔那、夏利及高尔夫等和日本的日产、丰田、马自达、三菱及本田等用 PP 甩 PDM; 法国常用 SMC 片状模塑料；德国普遍采用 PP 甩 PDM ，高档车用 PU ；美国多用 PU 和 PC ，但也逐渐转向 PP 几 PDM 。

上述几种材料的价格大小为：MPPO＞ PC/PBT＞PU＞ EPDM＞ SMC 片状模塑料＞ PP＞ EPDM 。

保险杠所用材料不同，其结构也不同。其中， PP/EPDM 、 MPPO ， PC 件 BT 及 SMC 片状模塑料等五种保险杠由于本身强度和韧性较高，可不加钢衬单独成型。而 PU 、 EPDM 等保险杠材料韧性高而强度不高，需要加钢衬支撑。

现在各种汽车保险杠材料的用量 比例为： PP/EPDM53% 、 RIMPU24.4% 、 PC/PBT10% 、 SMC(UP)6.4% 、其他 6.2% 。 PP/EPDM 为黑色； PCWBT 可与车身同一颜色，奔驰、宝马、福特常用。

②仪表板 要求具有一定的强度、良好的韧性和冲击能量吸收

性。仪表板可选用的材料很多。早期的仪表板为组合式，

分基材、缓冲材料和面材三层 ;基材用 ABS ，缓冲材料为 PU 发泡材料或弹性体，面 材为 ABS 或 PVC 花纹膜。现 在倾向于改为一体材料，具 体材料有 :SAN 、增强 PP 、 SMC 、 ABS 、 ABS/PVC 、MPPO 、 PC/ABS 及 RIMPU 等。对于一体结构仪表板，可采用板材二次热成型制造。

仪表板塑料材料的用量顺序大小为： PU＞ SAN＞ABS＞ PS＞ SMC＞ PP 。

③ 燃油箱 塑料燃油箱最早由德国大众公司于 1972 年开发成

功。 燃油箱要求所用塑料具有耐油性好、油渗透率低、防静电、高低温性能、耐化学腐蚀性及抗冲击等性能特点。

与金属燃油箱相比，塑料燃油箱的优点如下 : 塑料燃油箱的形状可任意变化，可充分利用汽车的不规则空间作为燃油箱的外形，因而燃油箱的体积可增大，一般增大 10% 一 20% ；塑料燃油箱的重量可比金属降低 30%左右 ; 塑料燃油箱的耐化学腐蚀性好；塑料燃油箱的隔热性好，遇火升温慢；另外，碰撞不产生电火花，可降低爆炸和燃烧的可能性 ;成型加工容易。

塑料燃油箱常用交联聚乙烯 (XLPE) 、高分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 、HDPE/PA/HDPE 三层复合材料、 PA11 及 PAl2 等，以期中以 HDPE 和 UHMWPE 最为常用，现在倾向于用 PAU 和 PAl2 。德国 BASF 公司的 4261A 高分子量聚乙烯塑料为燃油箱用科。

塑料燃油箱采用中空吹塑一次成型，为进一步降低汽油渗透率，吹塑后可进行表面磺化或氟化处理。

XLPE 常采用离心浇铸方法成型。

④ 方向盘。方向盘要求用材料耐热性及手感好。方向盘可用的材料很多，具体有 HDPE 、PP 、 PU 及 ABS 等。

⑤挡泥板、车轮罩及车身等。要求性能为抗冲击性好、易成型大型制品、不易发生形变及表面易涂装等。

挡泥板和车轮罩可用材料为 HDPE 、增韧 PP 、 ABS 、 PA6 、 MPPO/ABS 、 SMC 及 RIMPU(20%GF) 等。

车身可用材料为 SMC （ 20%GF) 及 PC/ABS 等。

三、汽车常用的塑料材料 在汽车配件中，世界各国所用塑料材料的比例

不同。 1990 美国轿车用塑料材料的用量次序如下： PU＞ PP＞ PVC＞ PU＞ ABS＞ PE＞ PA＞ PC＞ PF＞ PBT＞ EP＞ PMMA＞ POM＞MPPO＞ PS＞ TPU 。其中， PU占 23% 、 PP 占 20% 、 PVC14% 、不饱和聚酯玻璃钢 (UP)占 12% 、 ABS 占 10% 、PE 占 5% 。 1998 年日本汽车用塑料的用量次序为： PVC＞ PP＞ PU＞ UP＞ ABS＞PE＞ PA 。我国汽车用塑料的用量依次为 PP＞ PVC＞ PU＞ ABS＞ PE＞ PA 。

1 、 PP PP 是一种最常用汽车塑料材料，在 我国其

用量可占汽车用塑的 40% 以上，欧 洲占 28.1% ，日 本占 28.8% ，除美国外大居各塑料之首。纯 PP 在汽车中应用的不多，应用最多的为 PP增强和增韧改性品种。

可用 PP 制造的汽车配件种类很多，具体有 :保险杠、仪板、挡泥板、车轮罩、方向盘、风扇叶片、蓄电池壳、座椅架、内门板、行李架、空调器壳及配件、散热器隔栅等。

PP 改性专用科的配方设计 (l)PP 增韧料 PP 增韧料的改性配方中包括：本体 PP 树脂， POE 和 EPDM 等增韧材料，刚性填料如碳酸钙、滑石粉及云母粉等，相容剂如 PP 接枝马来酸酥。

具体配方实例如下 : PP 55%～ 75% ， PP-g-MAH(MAH0.1%～

0.3%)3%～ 5% ， EPDM 15%～ 25% ， HDPE 5%～ 10% ，滑石粉 (1.5spm 以下 ) 1%～ 7%

我国开发成功 PP 增韧料的单位很多，具体如下：长春应用化学所，缺口冲击强度为 490～ 78J/m ； 中科院化学所，缺口冲击强度为 600～ 750J/m ；清华大学，缺口冲击强度为 800J/m ；北京化工研究院，缺口冲击强度为 720J/m ；扬子石化公司，缺口冲击强度为 400～ 650J/m ；辽阳化纤公司，缺口冲击强度为 500J/m ； 金陵石化公司，缺口冲击强度为 580J/m ；

其中辽化的具体配方如下： PP 50% ， 相容剂 10% ， EPDM 25% ，滑石粉 15% 。

此外，还有日本三菱油化公司、德国 BASF 、Hoechs 两公司、美国加 noco 公司、意大利 Montedison公司及以荷兰的 DSM 材料公司等。

(2)PP 增强料 配方中增强材料主要为玻璃纤维，用硅烷偶联剂处理。

2 、 PU PU 是一种在汽车用塑料中仅次于 PP 的第

二大塑料材料，用量占 20%左右。各国的应用比例不同，美国 PU 的用量占第一，而我国及日本则占第二和第三。

PU 的各种制品在汽车塑料中都有应用，具体应用领域如下 :软质泡沫塑料 用于座垫及靠背等 ;半硬质泡沫塑料 用于仪表板、扶手、头枕、保险杠及遮阳板等 ;硬质泡沫塑料

用于门板夹层及顶棚夹层等 ; 表面结皮泡沫塑料用于扶手、门柱及方向盘等 ;RIM 制品，弹性类用于保险杠、挡泥板、发动机罩、车门把手及仪表板等，刚性类用于散热器格栅、暖风壳、前阻流板、挡泥板垫、挡泥板、门板及发动机罩等 ;PU 浇铸体用于防尘密封、滑动轴承套及门止块等，其具体配方如下是 A 组分为多元醇如二元醇 ( 分子量 2000～ 3000) 、三元醇 ( 分子量 3000～ 6000) 、聚甲撑乙二醇及乙烯基接枝多元醇等，交联剂如乙二醇及胺类，催化剂，发泡剂，稳定剂等， B 组分为 MDI;PU 弹性体主要用于保险杠、方向盘、防尘罩、减震垫块、格栅、顶棚、车身部件及齿轮传动装置。

3 、 FRP FRP 为纤维增强塑料的英文简称，纤维可以是玻璃纤维、碳纤维和合成纤维，分别称为GFEP 、 CFRP 和合成纤维 FRP 。树 脂可以为热塑性和热固性，其 中热固性树脂的玻璃纤维增强塑料常称为 "玻璃钢 " 。 F RP 的机械强度很高，其拉伸强度与其他金属材料相比如表所示。

FRP 与金属材料的强度及比强度 材料 相对密度 拉伸强度 /MPa 比强度高强度钢 7.8 700～ 1400 9～ 18硬铝合金 2.4 500 19钛合金 4.4 980 23GFRP 2.0 1200 57CFRP 1.6 1600 100合成纤维FRP 1.3 1300 100

在汽车用塑料材料中，常用的玻璃纤维增强塑料有两种即 SMC 为片状模塑料的英文简称，它为将玻璃纤维在模内排列好，用低粘度热固性树脂浸渍，再压缩成型。其缺点为排列好的纤维易发生移位，造成产品的密度不均匀或有缺陷产生，但用玻璃毡替代玻璃纤维可改善。

BMC 为块状模塑料，它把树脂、填料、纤维等混合成块料，装入模中压缩成型。其缺点为混合搅拌时纤维易被破坏。

以 SMC 为例，介绍其配方设计① 低粘度树脂。常用不饱和聚酪 (UP) ，也可

用酚醛树脂 (PF) 和环氧树脂 (EP) 。树脂一般不单独使用，而是用低收缩性树脂 A 和低收缩性添加剂 B 。 A 为不饱和聚酷，分 子量为 200～ 500 ，不 饱和度为 142～ 215 ，溶解在 40%左右的苯乙烯中 ;B 为热塑性树脂，常用 PMMA 、 PS 、聚乙酸乙烯的苯乙烯溶液或 PE 及 PVC粉末 ;A 雁一般为 8 龙，两者合计用量为配方的 30%～ 35% 。

②填充材料。作用为增量剂，常用碳酸钙，也用陶土、粘土及滑石等，加入量为配方的 35% 40% 。

③纤维增强材料。用直径为 10～ 131,m 、长为 50mm 的元碱玻璃纤维，加入量为配方的 30% 。

④ 其他助剂。硬化剂有 TBPB 、 TBPO 及 BPO 等，增粘剂有氧化镁、氢氧化钡、氢氧化钙及氧化钙等，脱模剂有硬脂酸锌等。

下面举一个配方实例 :UP 80 ，碳酸钙 250 ，热塑性树脂 20 ，玻璃纤维 70 ， PE 3 ，其他 适量。

汽车用 SMC 的主要性能如下：密度 1.859 斤 m ， ; 收缩率 0.1% 以下 ; 耐水性好；涂漆性能好 ; 耐热 180C 以上；拉伸强度在 10～ 2OMPa;弯曲强度 20～ 43MPa 。

SMC 或 BMC 在汽车上的主要用途如下：保险杠、车轮、车轮罩、仪表板、车门、车身、顶、发动机罩、前脸板、空气导流板、尾灯、前灯、雨刷器、发动机冷却风扇及部件、空调器壳及部件、加热器壳及部件、风扇罩、发动机零件、传动轴、大梁、弹簧、门手柄、扶手、镜框、开关、插座、接线 盒、电机及配件、分电器盒及点火线圈等。

4 、热塑性弹性体聚烯烃弹性体 (TPO) ，主要为 EPDM ， 70

% 用于汽车，具体品种有 : 保险杠、保险杠弯角、保险杠防护套、软管、顶棚材料、车身装饰件、侧向护板、车轮罩、阻流板及车灯座垫等。聚氨醋弹性体 (TPU) ， 10% 用于汽车，具体见 PU 部分。聚苯乙烯弹性体 (TPS) ，常用 SBS ，少量用于汽车，具体有前格栅、仪表盖版、面板等。聚醋弹性体 (TPEE)50% 用于汽车，具体有汽车标牌、安全带、衬套及防震轴承等。

5 、 PVC 在汽车上 PVC 以膜及片制品为主，主要用于内饰件及表皮材料，如座垫套、车门表皮、汽车顶棚表皮及仪表盎表皮等。

PVC 表皮配方如下： PVC 45～ 50 ，丁腈橡胶 8～ 10 ， DIDP 20～ 40 ，硬质酸盐稳定剂 2～ 3 ， ABS 20～ 50 ，环氧大豆油 3～ 5 。

项目 12 的总结部分

车用电池 玻璃碳纤维

轿车前唇

PU 车外围

雨刷

轿车后备箱

项目 12运行三的总结部分

PVC

EVA

PVC 、 ABS 、 PP

项目 12 的总结部分

暧风

刹车片

PU

尼龙合金

项目 12 的总结部分

耐油管

车牌标志 PS

尼龙

ABS 面板

项目 12 的总结部分

PVC 仪表盘底垫 PMMA 玻璃钢

PU 密封

项目 12 的总结部分

防碰条

橡胶减振

ABS传感器

项目 12 的总结部分

PA/PET 合金

PA/ABS

PC/PBT 合金

项目 12引深部分内容 汽车大量使用高分子材料给汽车业的发展带来什么好处？

项目 13布置 第一组：请为最低－ 85使用橡胶制品的生产选择合适的高分子材料； 第二组：请为最低－ 73使用橡胶制品的生产选择合适的高分子材料； 第三组：请为最低－ 70使用橡胶制品的生产选择合适的高分子材料； 第四组：请为最低－ 60使用橡胶制品的生产选择合适的高分子材料； 第五组：请为最低－ 50使用橡胶制品的生产选择合适的高分子材料； 第六组：请为最低－ 22使用橡胶制品的生产选择合适的高分子材料。