长纤维增强热塑性塑料在汽车轻量化与节能减排中的应用.docx
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长纤维增强热塑性塑料在汽车轻量化与节能减排中的应用
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方鲲北京化工大学新型高分子材料制备与加工重点 实验室博士,副教授,北京纳盛通(S新材料科技有 NT)
限公司总经理兼总工程师。
主要从事汽车塑料和电磁
热功能复合材料科研与产业化工作,国内外发表科 在研论文3余篇,0编译专著一部,获得国家新材料发明
专利6。
项
长纤维增强热塑性塑料 在汽车轻量化与节能减排中的应用
■方 鲲 , 吴丝竹 邓云飞 陈一龙。
1北京化工大学材料科学与工程学院 .2北京纳直通(S).NT新材料科技有限公司
3中国汽车工程学会,汽车轻量化技术创新战略联盟专家委员会主任 .
当今,车工业的发展提倡“汽安 全、能、保”节环的新理念。
汽车保 在有量持续增长的状况下,不断降低汽 车油耗、护大气环境已在汽车工业 保发达国家政府和车主之间达成普遍
轻量化的设计与使用是其中有效的 措施之一n2 -。
l实现轻量化设计最有效技术方
案之一是采用高性能的汽车轻量化材
了汽车塑料生产技术与塑料零部件制 造水平不断的提高。
先进塑料及复合 材料可替代金属材料制造汽车零部 件,作为最重要的汽车轻量化材料,它 不仅减轻约4%以上的车身质量,0同 时易于高度集成化使成本降低4%,0 节能减排效果显著。
国际上越来越重
料,而采用先进塑料(复合材料)包括制
共识。
燃油经济性成为综合评价汽车
性能的一项重要指标,其水平高低集 中反映出汽车节能减排的好坏。
降低 汽车能耗与多种因素密切相关,除提 高汽车发动机的热功效率、改善汽车 传动系统效率、理化车身结构与风 合
作汽车零部件被业界公认为是实现汽
车轻量化的最重要和最有效手段 。
J
统计资料显示,汽车整车质量每减轻 1%,0燃油能耗可降低6%~8。
当%在
今国际石油价格处于高价位的情况 下,全球各大汽车制造厂商都在努力
视汽车塑料与塑料零部件的开发与生 产,其用量迅速上升。
汽车工业发达国
家已经将汽车塑料(复合材料)用量作
为衡量现代汽车设计与制造技术水平 高低的一个重要标志【。
4 J
阻设计、发展新能源汽车之外,车 汽
追求整车质量的轻量化,由此也促进
圜
Avne arlIut dacdtisnsyMea dr
不过相对比而言,国汽车塑 中
类,以及在汽车塑料零部件中的具体应 用,结合其对汽车工业节能减排的重要 影响,出了国内发展LT塑料的开发 提F
与应用方向。
使用的环保型LFT塑料作为汽车高级 轻量化材料的研究、发与应用再次引 开起业内人士广泛重视。
95,国复 18年英合材料公司(ci首先成功开发出L I)FT塑料粒子(F—G)商品名为Vetn LT,ro。
料与国外还存在有较大差距。
0820年
中国经济型轿车塑料用量仅为5 0~6k辆,型载货车达到8kg辆,0g/重0/ 技术指标远远落后于汽车工业发达国
家的汽车塑料最高用量30g辆以 0k/
一
、
LTF塑料发展及现状
LT塑料是以热塑性树脂为基体,F
19年,93德国HocsClns公司(ehteaee 后
上、占整车质量2%的技术水平。
O中国 的中、高级轿车塑料用量目前只达到 汽车工业发达国家2世纪9年代的 00
水平,10~10/随着汽车轻 为03kg辆。
量化水平不断提高,计到22年前 预00后,国外汽车最大塑料用量将会达到
建立美国Tcn公司)ioa开发出可注塑成 型LFT塑料粒子生产技术,品名为 商Cesrn,lta同时进行产品设计与市场
推广。
以长纤维(要为玻璃纤维和碳纤维)主 为纤维增强材料的热塑性复合材料,具
有质量轻、强度高、抗冲击韧性强、耐腐 蚀、成型加工性能优、可设计与重复回 收利用、绿色环保等卓越性能,主要 最
目前,FTL塑料主要存在2种生产
制备方法:
FTL塑料粒料制备和直接 在线生产LTF塑料制品(F-。
LTD)前者 是先制成半成品——粒料,再将粒料注 射或模压成型为制品;后者则是一步 工艺法,即在生产线上配混玻璃纤维、
塑料及添加剂后直接在线一步热模压 或注射成型为所需制品,省去制作粒料
50g辆以上,0k/占整车质量3%~4% 00
的技术水平。
由此可见,我国的先进塑
的优点是性价比高和相对密度较低。
它
是纤维增强聚合物领域的一种新型复
合材料,可作为重要的汽车轻量化新材 料使用。
由于LTF塑料具有更好的流动
性能,比以往常使用的GMT料(材玻璃
料(合材料)现代汽车工业中的应 复在用空间十分广阔。
国家信息中心预 据
测,00国内轿车将开始大规模进 21年入普通家庭。
0920年底国内汽车市场
纤维毡增强聚丙烯)更适合制作复杂结 构的汽车塑料零部件,并可以一次加工 成型 。
J
LT塑料包含长度为1F0~5mm 0的玻璃纤维或碳纤维,用性和刚性 耐强度较好,汽车工业中主要应用于半 结构与结构性的塑料零部件。
O2世纪
销售突破10万辆,21年需求量 40到05将突破l0万辆,80汽车塑料(包括复合
材料)需求量将达到10~l0。
万 万t58
的中间环节、减少生产工艺步骤、降低
能耗、约生产成本,现汽车塑料零 节实
部件生产与集成的高度规模化,从而达
到节能减排的要求 。
J 近年来,国外科研单位和工业公
目前,汽车塑料的品种与应用范 围也在不断扩大,汽车轻量化材料 从技术的发展趋势来看,汽车塑料在经 历通用塑料、程塑料之后,1工自2世 纪起己经迈入复合材料时代。
汽车塑 料零部件将呈现更加轻量化、工费 加
用更低,塑料模具费用只约占钢制件 模具1%~2%,本降低更加显著,00成 同时汽车塑料零部件设计与应用呈现
司对作为汽车高能性轻量化新材料之
一
8年代初期,国聚合物复合材料公 0美司(PCI最早提出L)FT的理论与材料 设计概念,并且进行了产品研究与开
发,但是由于纤维浸渍与分散的核心
的L塑料进行了大量系统研究、FT
开发与工业化生产。
目前,美国GE公司 (收购日本LNP司)美国RTP公、公司、
美国Tioacn公司、英国IIC公司、日本大
关键技术没有解决,LFT塑料的特殊
注射、模压成型工艺技术及生产专用
赛璐(ac1司、Dia)公日本智索(hso公 Ci)s
司、欧N:
欧化工公司、国欧文斯科 II;美
集成模块化组合、专业化生产,新技术
设备还相对落后,加之其他车用材料
宁(OVC)司、国DS公美M复合材料公
司、国圣戈班公司、国Aror公 法法jmai司、韩国三博公司、沙特石化公司等几 十个世界塑料企业已经实现了工业化 生产L1F、塑料粒子。
含量将会更高、品籽会更加环保与 产
舒适化,断满足汽车工业对节能减 不排的更高要求。
其中,性能长纤维增强热 高塑性塑料(ogie RenfreLn Fbrioc
如STF塑料(短纤维增强塑料)、填充塑
料和工程塑料改性技术己实现工业化 生产,从而导致LTF塑料新技术的开发
与应用进程缓慢。
02世纪9年代后,0随
着汽车工业快速发展,人们的环保及节
能意识普遍增强,以及全球不断呈现的 能源危机、油涨价、石汽车驾驶安全性 等因素影响,促使汽车轻量化成为汽车
工业发展的必然趋势。
此时,可再循环
在过去的1年中,F塑料以3%0LT0 的年增长率上升,即使在经济不景气
的时期也未受到影响。
06世界的 20年
Thrpat,emolsi简称LTcF塑料)作为车 用复合材料中的重要一员,近年来备受 行业内人士的高度重视。
本文将重点介
绍LFT塑料的先进制造技术、性能、分
Lv塑料(FGFD)量已达 FrL —和LT—用到7。
欧洲,万t在目前LFT塑料的产
新筋龋产业N。
00— O421圜
量与应用已经超过GMT热塑性片材,
l 匠譬窜悟嚣/f
关L 塑料应用的市场调查研究报告 TF
认为,预计20—0 O621年世界的L塑 1FT
^●
.紧懵酷
-
格,这一阶段在全球汽车塑料市场上其
营业收入将增加超过8~1亿美元。
亿0
美国Picp公司也认为,F塑料市 rniaLT场已经从卖方市场转向买方市场,并且
如图1根据美国Tosn市场信息 。
wned研究公司分析,T塑料的市场增长 LF
料年平均增长率略有降低,但不低于 1%,2基于目前平均LFT塑料的销售价
强劲,并逐渐进入成熟阶段。
该公司有
在今后5~l年内,0逐步转为相对成熟
l 一
的市场。
从地区分布看,欧美地区占到
LTF塑料总用量的9%,2并保持3以
上增长率。
06,20年欧洲地区LF塑料 T
用量接近7万t增长率超过3%。
0,2经过
l}l一1_、)
近年快速发展,LT塑料用量所占 亚 ̄IF比重明显提高,日本目前占世界LTF塑
I
料消费的1%。
1中国市场存在很大发展 空间,06,20年中国市场仅占世界L FT塑料总消费量的3%~5排在欧洲、%,
I
— I
GTM
北美和日本之后,预计到21年前 但01后,中国市场LT塑料的用量将会大大 F
1I19 98 83
l985
19 87
l998
199t
19 193995
199 7
1999
20 01
23 00
20 05
200 7
超过日本,到世界消费市场的1%~达6 1%。
0420年世界LF820—09T塑料的市
场需求量和增长率见表1所示 0 ]。
图1LT F塑料在欧洲市场的年增长趋势
敦毫■主囊
l% t
其中,以聚丙烯(P为基体的LTP)F 塑料(F—GF—在汽车工业终 LT和LTD)
端塑料零部件用途中占主要应用份额。
蕾‘量
l, 8‘
有关技术数据表明,FTL塑料需求的 8%来自汽车工业(0汽车零部件)现已 ,
辞汽车摹毒
锚
在欧洲品牌汽车中得到广泛的设计与 应用,见表2所示。
美国Tosn公司 wned
捧 蔫二
●%
认为,在今后5内,F年LT塑料(F—GLT 和LFT-D)用量增加的近一半将来自
遗鼻工t.品I
I %
鼻守拖车粤
l 咏
于5个应用领域:
前端模块、板、 仪表门模块、汽车车身底板和非汽车行业的常
用物品(工业商品)如图2汽车业 或,。
内人士预计LT塑料还有5~l年的 F0
图2 LF塑料(FT和LT-TL-GFD)的应用领域
表120—09F塑料的市场需求量和增长率 0420年LT地区 全球 北美洲
西欧 亚洲
20年产量/04百万k(g百万磅) 183)0(92 4()49 6
3(4 47)3(9 16)
20年产量/09百万k(g百万磅) 25514()4 7(971)6
7(6)313 9(1)52o
年平均增长率/ %l 81 2
l 72 5
、
圜
Avne arlIut dacdti dsyMeanrs
料与聚合物基体的力学性能比较。
由
表2LT F塑料在欧洲品牌汽车中的应用情况 制造商 奥迪
宝马
雪铁龙
于LT塑料成型制件中的保留纤维长 F
其它 ■
■
噪音屏
蔽板
底部挡
泥板
前端支 保险杠梁 仪表板 车门板
架
度大,并且在注塑制件内部可形成互
相缠绕的三维网络结构,维增强效 纤
应更加明显,因此其性能LstFT塑料
一
■
■
■
一
■
■
■
成型制件更加优异【【l3l。
】
目前,LFT塑料中所用的增强纤
菲亚特
■
■
维主要有:
璃纤维、纤维、纤 玻碳铜
福特 梅赛德斯
欧宝
■ ● ■ ■ ■ ●
■
维、不锈钢纤维、纤维、硼天然植物纤
维、香族聚酰胺纤维和超高相对分 芳
子质量聚乙烯纤维等。
中,璃纤 其玻维(GF)来源广、度好、强性价比高,实 际应用最为普遍,占总用量的9%约8 左右。
LFT塑料采用的塑料基体主要
标致
雷诺
■
■
■
■
西亚特
斯柯达 沃尔沃
■
●
■ ■ ■
是聚丙烯(PP,8%以上)其它还有 占0,聚酰胺(PA)聚碳酸酯( 、、PC)聚对苯 二甲酸丁二醇酯(BT)聚对苯二甲P、 酸乙二醇酯(PET)聚苯硫醚(、PPS、)
大众
●
■
■
'
聚醚醚酮(PEEK)热致液晶聚合物 、
●
1o ‘
J. 一
(C、LP)热塑性聚氨f(U)lTP和改性热  ̄塑性树脂与塑料合金等多种品种。
同
时,维浸润剂的选择与应用也会对 纤
●■●l■ - J 囡■
1- -
l
提高LT塑料的综合性能起到一定的 F
协同作用。
概而言之,T塑料具有以下显 LF
\
量1a— 竭 0
\
AuJIml m
篓
萱 曩 I
—㈣ 0______一
著优点。
①密度小、强度高。
T塑料 LF的密度只有11~16/c,为钢 ..gm 仅
的15~17S材料的13~14 //、MC//,
10
一
1__
—1_'■_ ■■■_一
——一
~
却具有更高的机械强度。
②性能可设
计的自由度大。
LFT塑料的物理、化学
O量
和力学性能都可以通过合理选择原材 111 120 . 1O1 I51 0
料种类、比、工成型方法、维含 配加纤
量进行设计。
由于热塑性复合材料的
基膏摹疑 冲击叠座_(g?
/)/k|叫I
图3F塑料、ST LTF塑料与聚合物基体的力学性能比较
基体材料种类比热固性复合材料多 高速发展时期,别是在汽车零部件制 特造设计与应用领域将会快速增长 。
低翘曲度、用寿命长、蠕变等优 使耐
点,比聚合物基体和SFT料具有更 塑
很多,因此,材设计的自由度也就更 选大。
③纤维长度较长,且分布均匀,可 以在基体中形成三维网络状结构,从
加优异的综合性能,以替代s可FT塑
i
一
、
LTF塑料的特点
LT塑料(FG和LFLT—FT—具 D)
料和G 热塑性片材,泛用于汽车 MT广结构件,发动机机罩和发动机冷却 如
风扇等。
3示为LFT塑料、图所sFT塑
而可以提高塑料成型制品的综合力 学性能,特别是耐冲击强度显著提高,
可以提高3~4。
铝材的比强度 倍④
有强度高、刚度大、耐冲击、尺寸稳定、
新毫斟产业N421】lO.00■丽
为98而L塑料比强度可以高达 .%,FT
l.%,72变形性较小,别有利于在汽 特
头,时向模头供入热塑性树脂,同模 头中的无捻粗纱被强制散开,受 又
到熔融树脂充分浸渍,因此每根纤 维都被树脂包覆,后经冷却后切 最
塑料和助剂;后强机械力搅拌和 然均匀塑化熔体并达到无应力影响状 态;后再利用双螺杆的高速旋转,最 自动拉人玻璃纤维,打断成一定的保
留长度纤维后使其被树脂熔体充分
车塑料零部件制造中的设计与应用。
⑤成型收缩率小、蠕变性能好、抗制品 尺寸稳定、耐疲劳性能优良。
⑥热性能
成较长的粒料(l~2mm)15。
由于
该方法使纤维完全被树脂浸渍与包
高,一般塑料使用温度为50~10 0℃,当用玻璃纤维增强塑料后可提高到 100V以上,特殊L塑料的使用温度 FT
甚至可提高到20以上;0℃线膨胀系 数比未增强塑料要低14~12成型 //,收缩率小,02,仅为.%能够降低制品成型
浸渍。
配混坯料随后再经过去挥发组 分、割、离等工序步骤,切分最后由机
械手送人压塑机进行热压模塑成型, 最终形成LFT汽车零部件或其它塑
料制品。
()在线配料直接注射成型2
覆,使注射成型时纤维受旋转螺 可杆搅拌的损伤程度降到最低,而 从
在最终成型制件中可保持较长纤维 长度及广泛分布。
对EST塑料中的增强纤维长度 匕F02-06..mm,颗粒长度1~3;F mmLT塑料中的增强纤维长度为62mm, 5 颗粒长度为6~2mm。
F5LT塑料粒料
的结构与特点如图4示,中长玻 所其
过程中的模收缩率,提高制品的尺寸精 度。
⑦导热系数为03~0 ̄W/m2K)-.(?
, 与热固性复合材料相似。
⑧设计自由度 比GMT材料更高,更易于注射和模压
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- 纤维 增强 塑性 塑料 汽车 量化 节能 中的 应用