高新材料助力汽车实现轻量环保、低VOC

汽车轻量化技术备受瞩目

全球能源与环保问题日益突出，汽车轻量化进程备受瞩目。相关数据显示，汽车轻量化与能耗有着直接的关系。传统燃油汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升，二氧化碳排放降低5~8克；对于纯电动汽车而言，整车质量每减少100公斤可以增加续驶里程10%，节约电池成本15%-20%。轻质材料的应用是实现汽车轻量化最直接有效的方法。

从安全角度来看，轻量化和小型化可以令汽车更加安全。2000年前后美国联邦政府交通部研究的一个结论显示，如果能够降低道路车辆的平均重量，能减少道路净伤亡。并且随着主动安全越来越发达，又小又轻的车更容易控制，在与行人和自行车碰撞时，造成的伤害也会降低。

中国确定了2020年乘用车平均油耗降至5.0升/100公里的目标，《中国制造2025》提出节能与新能源汽车作为重点发展领域，并将轻量化作为汽车产业重点发展方向之一。轻量环保已成为当前汽车企业的迫切需求。

◆生物塑料

中国改性高分子复合材料的领先企业鑫达集团去年推出的XDPPSTR-03LQ19005创新生物质轻量化材料解决方案，通过不断设计、开发力学、环保及减重等性能优异的产品，为汽车行业的客户创造更大价值。

该生物质填充材料，采用了10%-50%的不同含量的秸秆填充聚丙烯，不仅可以有效降低生产过程中的碳足迹，而且与传统石油基产品相比，所制成的部件密度更小、简支梁缺口冲击强度更高、弯曲额强度和拉伸强度相当，并体现出更优秀的流动性和加工性能，明显缩短了生产周期。在材料混合均匀的情况下，制成的产品阻燃性更高，同时可将部件重量降低20%左右。另外，在零部件达到使用寿命后，可完全降解，从而最大限度地降低了对环境的影响。目前，鑫达的XDPPSTR-03LQ19005生物质材料已经被国内多家汽车OEM制造商、零部件生产企业用于不同车型的立柱护板、门板试制。

◆聚碳酸酯（PC）

科思创主要生产以“聚碳酸酯”为主的材料，目前占有世界上最大的份额，聚碳酸酯（PC）别名“工程塑料”，具有透明、良好的抗冲击、抗热畸变的性能，而且耐候性好、硬度高。

科思创在去年德国k展上发布了一辆名为“K2016”的电动概念车，车身部分外壳和腰线以上的车窗、车顶全部由聚碳酸酯材料制造，它可以做成半透明或者全透明。聚碳酸酯以其特殊的特点制造出特别清晰的汽车车窗，可用于侧窗和后窗、全景顶篷、乃至整个后舱口。这样所制成的部件较之用玻璃制造的重量轻达50%。

◆碳纤维复合材料

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为2300-43000MPa也高于钢。其含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，是汽车上使用的高强度碳纤维材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软性。一般碳纤维的密度为1750kg/m3，如此低的密度让其被汽车制造行业所看好。这种材料的特点之一就是质量轻，应用在汽车上最直观的改变就是整车重量的降低，在动力系统不变的前提下，减重的车身会带来更出色的加速感受，相对于人丢掉空调、音响等配置的减重方法，碳纤维材料的应用在保留舒适配置的同时达到了更好的效果，碳纤维复合材料的应用可使汽车车身、盘底减重40-60%，相当于钢结构重量的1/3-1/6。

科思创在2016年K展发布的电动概念车

三菱化学旗下的碳纤维复合材料SMC被丰田公司选中，用在今年3月最新发布的新型雷克萨斯豪华轿车LC500和LC500h上，用于车门内板和后备箱内板的生产。

由三菱化学开发的SMC片材是一种CFRP中间材料，是将碳纤维切成数厘米长之后浸于树脂中得来。SMC经过快速加工（通常在2-5分钟）之后，通过模压工艺可以获得生产所需的零部件。与预浸料成型工艺相比，SMC工艺具备复杂部件的成型优势，从而赋予了工程师更加灵活的产品设计能力。

此次，三菱化学的SMC片材能够获得丰田的青睐，得益于下列几点优势，包括实现了大幅减重、性能的大幅提升，复杂部件生产能力的显著提高。此次采用三菱化学的SMC片材，是丰田公司的第二次尝试。双方的首次合作始于今年2月份，丰田旗下的新款普锐斯PHV混动汽车尾门结构采用了三菱化学的SMC片材。三菱化学方面表示，今后还将继续推广旗下碳纤维复合材料在汽车领域的应用。

◆玻璃纤维增强尼龙

宝马i8跑车新的谐振腔采用杜邦™Zytel® PLUS95G35玻璃纤维增强尼龙为原材料。这款谐振腔，由宝马集团、杜邦高性能材料公司和MANN+HUMMEL密切合作共同开发，降低了两个涡轮增压发动机的噪音，带来了更加愉快的驾驶体验。这种材料的轻质和高强度特性还利于减少燃料消耗和CO2 排放。

汽车内VOC的控制备受人们关注

在不降低性能的同时减少排放的需要，是这种新应用的推动力。汽车制造商正在不断寻找替代品，以应对欧盟减少温室气体排放的目标，从而引发欧洲新车市场出现重大变化。

◆其它复合材料

大众出厂的PoloRWRC(世界拉力赛用车)路试版的发动机罩采用了蒂森克虏伯的Litecor生产。这一工艺使整个发动机罩的重量减轻了30%，二氧化碳的排放减少了25%。在第16届中欧塑料工程师协会汽车创新奖中，这项工艺获得了最高奖。

Litecor采用两层0.2-0.3毫米厚的钢板加上0.3-1毫米厚的"特种热塑混合纤维"薄膜核心层。总部位于德国艾森的蒂森克虏伯公司没有明确说明内芯材料的构成，但该公司在2012年获得的这项工艺专利指出：内芯基材是聚丙稀、聚乙稀、尼龙或其复合物，并包括有“至少一层纤维增强塑料”。

该Litecor板至少有14种潜在用途，主要用于大型扁平面板和高强度的车身零部件，包括车顶、车门、尾门和发动机罩等。与全钢板设计相比，用Litecor板制造的发动机罩目前价格要贵21%、车门板要贵7%，但成本大大优于铝材。

如何有效降低汽车内饰的VOC排放？

 塑料作为汽车内饰的重要组成部分,其在生产过程中使用的增塑剂、阻燃剂、脱模剂等成为汽车VOC（挥发性有机化合物）的主要来源之一，而VOC是影响车内空气质量的重要原因。因此，对于相关材料供应商来说，如何有效降低甚至消除因材料而产生的VOC已经成为极其重要的课题。

随着人们对环保和健康的关注，汽车内VOC的控制越来越备受重视。在汽车的生产制造过程中，广泛应用了塑料、涂料、粘合剂、保温材料、织物及皮革等，而这些材料则成为VOC的主要来源。为了满足消费者的诉求，不断降低车内VOC含量，汽车制造商及材料供应商均在持续寻找更加环保的汽车用材料。

◆聚氨酯（PU）

在最近落幕的 CHINAPLAS 2017 国际橡塑展“设计 x 创新”同期活动上，巴斯夫展出了与延锋联合开发的创新汽车仪表板产品原型。作为“设计 x 创新”同期活动的五个共创项目之一，该产品的合成革采用巴斯夫Haptex® 聚氨酯解决方案生产。使用 Haptex® 可省去传统的湿法工序，且在干法工序中无需使用粘合剂，由此简化了仪表板的生产流程、降低了成本。由于不使用有机溶剂，Haptex® 生产出的合成革达到了中国最严格的挥发性有机化合物 (VOC) 排放标准要求，有助于提高车内空气质量。

Chinaplas 2017展上巴斯夫展出的创新汽车仪表板产品原型

此外，Haptex® 还有助于改善仪表板的外观和触感。得益于优异的耐水解性和耐低温性，Haptex® 涂层不会发生收缩，从而确保了仪表板表面保持光滑。其物理性质，如撕裂强度和耐磨性与传统聚氨酯组合料相比也毫不逊色。

◆环保PC/ABS

尽管有很多方法能够降低车内VOC含量，但是选用低VOC的原材料有助于从源头改善车内空气污染问题，达到治标又治本的效果。

在Chinaplas 2017展会上，万华开发出TVOC仅为10-25ppm的WanBlend®低VOC环保PC/ABS产品，而普通PC/ABS材料的总挥发有机化合物TVOC为50-80ppm。该产品在降低VOC含量的同时兼具超低的气味等级，而且还具有优异的高低温韧性、耐湿热老化、耐UV特性和极佳的流动性等。

◆丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物是五大合成树脂之一，具有耐热、耐低温、耐腐蚀等优良性能，且易加工、表面光泽性好。通过如下对ABS材料低VOCs技术改进，可有效降低汽车内VOC的含量。

(1)选用乳液接枝-本体SAN掺混法或连续本体聚合法生产ABS树脂。乳液接枝-本体SAN掺混法投资少，反应容易控制，聚合简单，品种灵活，产品杂质少，挥发性有害物质残留量少。连续本体聚合法具有成本低，产品纯净，工艺流程短等优点，是具有广阔前景的制备工艺，但有待进一步发展。

(2)选取VOCs含量较低的ABS化工材料和耐热剂，在制作塑料合金过程中，选用大分子相容剂。

(3)研发新型耐热合金材料，如PA/ABS合金、TPU/ABS合金等，用于取代PC/ABS、PC/PBT等耐热性相对较差的合金制品，提高材料的热稳定性，降低其在加工、日晒过程中大分子的有机物的降解，从而达到抑制有毒有害小分子物质的产生、降低VOCs挥发量的目的。

◆聚甲醛(POM)

聚甲醛是一种没有侧链的高密度、高结晶性的线型聚合物，具有极高的强度、刚度和韧性，特别是它还具有突出的耐疲劳性能以及优良的耐水性。在汽车内饰件中主要应用于座椅的安全带扣、把手、仪表板等。成型加工时，POM中残留的或是新生成的不安定组分极易分解产生甲醛。通过如下对POM材料低VOCs技术改进，可有效降低汽车内VOC的含量:

减少料粒中残存的甲醛，减少分子中的不安定组分;在混料过程中，添加甲醛捕捉剂，这种捕捉剂在注塑以及材料再生使用、着色时都可发挥捕捉甲醛的效力，而且不会助长添加剂的析出。

◆聚碳酸酯(PC)

聚碳酸酯是分子链中含有碳酸酯的高分子化合物的总称。具有极好的抗冲击性、耐蠕变性能，并具有较高耐老化性能。在汽车内饰件中主要用于开关面板、装饰条等的制备。PC残留单体比较少，但酯交换法PC生产过程中不可避免的会残留苯酚物质。通过如下对PC材料低VOCs技术改进，可有效降低汽车内VOC的含量。

万华WanBlend®与其他材料在汽车低VOC的性能对比

(1)采用沉析法后处理工艺去除PC内的残余物质。即将蒸发与沉析相结合，配之以排气式挤出机工艺路线，以逆流方式在汽提塔去除沸点较低的二氯甲烷，经薄膜蒸发后，可获得高质量分数的的聚碳酸酯-甲苯混合物。随后，直接送入排气式挤出机脱净残余甲苯，得到高纯度树脂，降低残余甲苯含量。

(2)采用超临界流体法。超临界二氧化碳不仅具备气体的扩散性，还具备液体的溶解能力，可作为苯酚的优良溶剂。对于碳酸二苯酯和双酚A反应产生的副产物苯酚，超临界二氧化碳能有效地将其扩散至聚碳酸酯中，减少污染。

◆聚丙烯(PP)

聚丙烯是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂，具有优异的耐热性、刚性、可加工性。PP塑料在汽车中应用较广，约占车用塑料总量的30%。通过如下对PP材料低VOCs技术改进，可有效降低汽车内VOC的含量。

(1)添加活性炭、多孔氧化铝、硅藻土等多孔物质，特别是一种多孔的铝硅酸盐无机物质，这种添加剂对低分子有机化合物具有很强的吸附能力，并且在较高温度下也不会解吸附，从而使得材料的VOCs含量达到标准要求。

(2)采用自然脱挥、真空脱挥相结合的方式，使用专业的脱挥设备与工艺在聚丙烯改性过程中进行处理。采用这种办法虽然效率较高，但成本也相对较高。

“节能、环保、安全”是汽车行业发展的重要主题，车内空气质量作为汽车环保、安全的重要方面，必将深刻影响消费者的购车理念。只有从源头出发，研发、制备、选择低VOCs内饰材料，才能从根本上解决车内VOCs超标问题。塑料作为汽车内饰件的重要组成部分，更应予以高度重视，通过控制设计、生产、加工、清洗等各个环节，最大限度地降低其对乘车人员的危害，从而构建良好的乘车环境。

结语

在节能减排之重压以及塑料本身更新升级的共同影响下，塑料在汽车中展现了更多的可能性。而无论是汽车发动机及周边部件的塑料化，还是电池及电子元器件车所带来的车用塑料的需求，亦或是在汽车VOC方面塑料表现的优化，都让我们有理由相信，未来，车用塑料还有许多可能尚待挖掘。