未来的汽车塑料

来源:荣格

发布时间:2018年12月2日下午 04:12:31

数字化、电动汽车、能源和资源效率都将体现在未来的车辆上,这些趋势也反映在今年德国的PIAE大会上。塑料无疑是未来几年应对生态和经济挑战的重要手段。

宝马5系驾驶舱的高光天然木饰板通过一步式涂漆形成自我修复防刮 表面(©BMW)

宝马5系驾驶舱的高光天然木饰板通过一步式涂漆形成自我修复防刮表面(©BMW)

汽车减重的可靠方法之一仍然是降低材料密度。该方法同样适用于轻量级泡沫,今年德国曼海姆的汽车工程塑料大会(PIAE)就通过仪表板(图1)证明了这一点。该仪表板由德国莱沃库森的科思创公司和德国沃尔夫斯堡的大众汽车公司共同开发,它由模塑表皮、缓冲泡沫和热塑性载体组成。

图1 由IMC-PU喷塑表皮、缓冲泡沫和热塑性注塑载体组成的仪表板的结构图(©科思创)

 

这种仪表板的生产分为三个步骤:

1、将模塑表皮放在模具的下半部分,注塑载体放在上半部分。

2、将流体泡沫组分通过混合头(一般由机器人控制)引入打开的模具中,然后关闭模具。

3、混合物起泡,变得非常粘稠,填充模塑表皮和载体之间的空间(同时进行公差补偿),并且在反应周期结束时形成稳定的夹层结构——仪表板坯料可从打开的模具中取出。

最新一代的Bayfill半硬质泡沫能够将模塑表皮的密度从150kg/m3降至120kg/m3,并且没有任何其他缺点。鉴于泡沫材料层的重量与模塑表皮的重量大致相同,重量减轻20%的意义尤为重大。

降低的泡沫密度在与广泛使用的增塑聚氯乙烯(PVC-P)模塑表皮结合时还具有更多优势。随泡沫质量一起降低的还有其对软化剂的接受度,因此化合物的抗老化性得以提高,从而确保碰撞安全性所需的低温柔韧性。

与此同时,科思创还能够按照亚洲市场的要求减少乙醛排放,这对中国的汽车销售而言非常重要。

此外,合作伙伴还在模塑表皮中发现了减重的潜力。大众汽车为之设定质量基准长达十多年的PVC搪塑表皮正在被IMC喷涂表皮所取代。与PVC-P相比,PU的密度更低,可使重量减轻5-10%。Bayflex喷涂表皮可以像Recticel N.V.经典喷涂表皮一样通过遮蔽技术涂成两个颜色。但是,德国屈尔滕的iSL-Chemie GmbH & Co. KG公司生产的模内漆中的双组分使用的异氰酸酯交联剂需要定期加防粘剂。含碳二亚胺交联剂的双组分IMC和宝马汽车公司使用的单组分IMC兼容大多数模具表面(Galvano)上的永久性交联剂。

热塑性材料的新替代品

荷兰赫伦的Polyscope Polymers B. V.公司开发并销售Xiran牌苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA)。20世纪90年代末,这些聚合物取代了以前占主导地位的PC+ABS混合物成为了含泡沫背衬模塑表皮的仪表板的载体材料。聚碳酸酯(PC)的水解敏感性(尤其是与PU泡沫和漆层接触时)具有很大的磁场损失风险。

倘若汽车供应商掌握了PP化合物表面的活化方法,就能在不相容的PU和玻璃纤维增强PP之间形成长期稳定的夹层结构。凭借重量和成本优势,这些材料迅速证实自身能力。但是,与无定形SMA和PC共混物相比,半结晶PP处于劣势。大多数高填充材料增加的收缩趋势只能通过额外的设计措施来补偿。同时,高温产生的刚度损失也会引起很多问题。

SMA对苯乙烯-马来酸酐-N-苯基马来酰亚胺三元共聚物(SMI)的化学改性产生了高度耐热的透明塑料。根据单体组分的组成不同,它能够抵抗高达约200 ℃的温度。由于链中的弱极性苯乙烯分子和高极性马来酸衍生物使其具有相容性,SMI还可与许多工程塑料混合为Heatbooster(Polysclope商标名)。通过这一方式,ABS、ASA和PMMA等的使用温度也可以提高到30K。

图2 含聚酰胺6的苯乙烯-马来酸酐-N-苯基马来酰亚胺三元共聚物与无定形和半结晶组分的聚合物共混物的化学交联(来源:Polyscope)

作为今年PIAE的亮点之一,Polyscope展示了一种全新的聚合物作为其Xibond产品的深度开发。开发人员在此成功地在两个热塑性世界——无定形和半结晶之间建立了化学键。配混过程中,聚酰胺6(PA6)的氨端基与SMI链的脱水马来酸基在挤出机中产生化学反应(图2)。在配混过程中,聚酰胺6(PA6)的氨端基与SMI链的马来酸基在挤出机中产生化学反应并脱水(图2)。通过这一方式,宽网孔网络通过所选的组分和加工条件而产生。与纯物理共混相比,这种耦合使机械特性在很广的温度范围内保持恒定,并可用于提高冲击韧性。这种材料为设计人员提供了更多高耐热、抗冲击和抗蠕变部件选择,例如:传统的发动机室或电力传动功率电子学或大功率LED等领域。

除了材料开发和生产,材料闭环历来是Polyscope的头等要务,尤其是高质量生产废料的闭环。德国多瑙河畔纽因堡的Wipag Deutschland GmbH公司(自2018年起已是Albis集团的成员公司之一)是其长期回收合作伙伴。作为开发的一部分,他们通过复合材料分离方法回收这种热塑性泡沫夹层结构来再次利用这种高质量的材料。


未来的内饰

未来的内饰具有全新的概念。该想法是将自动驾驶汽车的内饰转变为多功能生活空间。这需要近年来形成系列应用的DirectCoating工艺的深入开发,该工艺又称为ColorForm(德国慕尼黑的克劳斯玛菲技术有限公司)和ClearMelt/ColorMelt(奥地利施韦特贝格的恩格尔奥地利有限公司和德国圣奥古斯丁的亨内基公司)。

在2C反应注射成型工艺中,由经过优化的透明热塑性材料制成的热塑性载体被浸入双组分PU-RIM或双组分PUA-RIM系统。被称为PUx(缺少聚氨酯或聚脲)的耐光(脂肪族)漆的表面通过模具成形。其优势在于:即使是3D轮廓和亚光或高光表面结构,也可精确且可再现地成像(图3)。

图3 通过将光亮的微结构表面区域以及不同的层厚输入模具,即可 利用RIM工艺在部件表面生成3D效果(©Rühl)

图3 通过将光亮的微结构表面区域以及不同的层厚输入模具,即可利用RIM工艺在部件表面生成3D效果(©Rühl)

背面发泡饰板和功能薄膜(木饰面)组合(标题图)或LED集成+电容切换功能和消失效果使装饰部件和功能部件实现了一步法生产。相容打印的PC薄膜相应的表面涂层具有抗刮擦、抗紫外线和抗化妆品的性能,这种薄膜嵌入成型(FIM)技术已被证明非常成功。该技术同时还有助于简单多样化,因为只需新的印刷设计即可生成相应的嵌件。

光功能性饰件

饰件的短暂使用是传输大量信息而不使乘客和驾驶员劳神劳力的附加选项。德国雷奥的Rehau KG & Co.公司生产的智能后备箱盖展示了如何交换各种光学信息,其中的大部分应可转移到内饰上。

图4 热塑性材料通过改性来提高饰件的光学透明度(© Rehau)

图4 热塑性材料通过改性来提高饰件的光学透明度(© Rehau)

饰件应具有一定的透明度,以便传输信号。传统的漆层已是第一个障碍。但是,大部分正在使用的热塑性塑料——尤其是那些含有填料的热塑性塑料也是不透明的。最为困难的是含有常用于PP的片形填料的情况下。因此,为透明饰件选择接近球形的涂层填料能够确保机械性能达到所需的水平(图4)。同时,如果涂覆正确,填料颗粒能够不断适应光学密度不同的材料之间折射率的转变,从而减少相界处的散射并对筛检产生积极影响。

自我修复表面

高光内饰表面——例如人气极高的钢琴黑是每个新车主的骄傲。不幸的是,它们通常无法持续很长时间。黑色光面非常容易吸灰尘,即使是轻微的指纹也清晰可见。因此,即便使用非常手段也需要非常频繁的清洁。本研究正是能够改善这一现状的方法。

以前的解决方案是通过增加表面硬度来增强抗划伤性。PMMA是公认最硬的热塑性材料,其局限性也是众所周知。许多金属尤其是(矿物)粉尘都特别坚硬而且会使颗粒从脆性表面脱落(图5右上)。聚酰胺等硬化或半结晶塑料的表现则不同。局部冲击能会造成微晶局部熔化并取代表面材料,因此提高了表面能。当温度超过玻璃化转变温度时,这种变形会再次或多或少地恢复并接近原始低能状态(图5下)。

德国腓特烈斯多夫的Rühl Puromer GmbH公司和德国沃尔巴赫的Novem Car Interior Design GmbH公司在其PU系统中利用了粘弹性恢复的效果,它通过ClearCoatMolding两步法工艺(CCM)被用于木饰件。这一发展在一步法(ColorForm)加工技术中暂时达到了高峰,其中实木饰面经过反向注塑并随后浸入含PU系统的第二型腔,该型腔可通过内部脱模剂轻松脱模。Novem首次将该技术引入到了当前宝马5系的车门和仪表板上的木饰板的批量生产中(标题图)。

抗划伤仍是挑战

通过降低表面摩擦系数,刮擦介质在表面上滑动并不会破坏材料而只会滑落。这一方法已被饰件制造商采用,尽管有时候只是无意而为之。最后抛光工艺的残留物和加工助剂的痕迹(例如:脱模助剂)降低了部件表面的摩擦系数,从而抑制或减少了刮擦损伤。但是,这种方法有几个缺点:

◆划痕保护的次数完全不确定。

◆效果持续时间有限,因为这些涂层可通过机械负载和清洁方法去除,尤其是一些不适用于该涂层的方法。

◆根据涂层在车辆中的位置和类型不同,还可能发生光氧化降解作用使这些材料可溶于水或色散,从而轻易去除。

一段时间以来,德国埃森的赢创工业公司一直在提供具有固有抗划伤性质的Plexiglas化合物。该公司生产的润滑剂已经牢牢地固定在化合物中,从而提供更能抵抗普通负载的特定表面特性。抗划伤TX系列的其他性能水平几乎与基本型相同,因此大大简化了它们的使用。

图5 划痕(上)和延性塑料划痕自我修复(下)示意图

图5 划痕(上)和延性塑料划痕自我修复(下)示意图

影响抗划伤性的另一个因素是加工本身。抗划伤性越高,部件在生产过程中受到的应力越少:高质量和高模温也有所助益,包括通过注射速度和浇口设计带来的低边线。

耐热性和耐光性

汽车光照和照明技术提出了自己的挑战。用于大面积环境照明的现代高性能LED的高亮度和大屏显示器导致LED附近产生了巨大的热量。由于耐热尺寸稳定性较高,光学聚碳酸酯(PC)得到了广泛应用。但是,我们在实际应用中发现PC在长期热负荷情况下会泛黄,最终导致颜色变化和透明度下降。Pleximide是一种聚甲基丙烯酸甲酯环酰亚胺(PMMI),赢创的这一产品组合相当于高耐热的PMMA,它几乎达到了PMMA的透明度,甚至略微超过PC的透明度。两种甲基丙烯酸聚合物都具有优异的抗紫外线性,即使在长期热负荷下也只表现出轻微的泛黄倾向和透明度损失。这两类产品在强光流的作用下都具有光学自我修复能力。因此,黄色值下降,长期热负荷情况下的传输损耗在强光流影响下降至不到一半。

混合结构和辅助材料

为了实现在PIAE上作为减重决定性元素的混合部件的改进生产,还需要含表面预处理、粘合促进剂和胶水的连接技术。

热塑性纤维复合材料(TP-FCP)的重要性在与日俱增。一方面是因为其材料成本与广泛使用的硬质体和多功能高度自动化的加工技术相比更低,另一方面是因为闭环材料回收更加简单。但与此同时,今年PIAE大会的要领是纯FCP薄膜在经济上和技术上都不能满足所有必需要求。金属和塑料的混合结构(无论是否经过纤维增强)是目前最有前景的技术。

图6 各种表面预处理对钢-PP-GMT混合结构粘附性的影响 (© Kömmerling)

图6 各种表面预处理对钢-PP-GMT混合结构粘附性的影响(© Kömmerling)

但是,这些材料组合反过来需要连接技术来生产所需的复合材料。德国皮尔马森斯的Kömmerling Chemische Fabrik GmbH公司在其随附展品中展示了与德国凯泽斯劳滕的Institut für Verbundwerkstoffe GmbH公司共同开发的混合连接技术,这也是高效轻质结构的关键(图6)。首先,在金属表面涂上Kömmerling最初为PP开发(商标名:Köratac)的可热聚合的粘合促进剂。其他TP-FCP组合也正在开发中。所需层厚小于35μm。然后通过易于自动化的感应焊接方法(图7)连接FCP(此处基于PP)。

图7 感应焊接头可自动连接用于生产轻型混合部件的金属和GMT-PP (©Institut für Verbundwerkstoffe)

图7 感应焊接头可自动连接用于生产轻型混合部件的金属和GMT-PP(©Institut für Verbundwerkstoffe)

这一工艺实际上满足了混合轻量化汽车生产中的多个要求:

◆通过粘合促进剂实现了FCP和金属之间的高强度连接。

◆系统技术的投资成本低。

◆能量高效的连接工艺。

◆直接在部件中产生热量,即热效率高且不会破坏纤维结构。

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