生物基聚酰胺能否取代传统聚酰胺， 助力汽车内饰腾飞？

由于塑料理想的特性，它们在汽车上的应用非常广泛。除了发动机舱，它们还被用在汽车的内外饰件上。其不仅具有轻量化结构的潜力，而且还可以塑造各种形状和美观外形，这些都说明了塑料在汽车制造中的优势。在内饰方面，塑料提供了以低成本创造高价值和优秀外观的机会，例如：蒸镀装饰条（具有镀铬效果）和具有木质外观的装饰条。旋转和按钮的舒适触觉反馈也可通过由硬/软组件制成的双组分注塑件实现。

 

与此同时，塑料取代了承力金属部件。塑料部件有助于显著减轻重量并降低油耗。但是，它对所用材料的机械性能要求也相应提高了。此外，部件的性能在整个使用寿命期间必须保持一致。在日常生活中，车辆在寒冷和炎热地区都有使用，因此可能会暴露在各种温度、紫外线照射和不断变化的天气条件下。因此，车辆内饰件也需要高水平的耐介质性。长期来看，各种清洁剂、水、洒掉的饮料以及乘客的汗水和油脂都会对这些部件造成压力。特别是在汽车行业，客户会将部件的视觉变化（如褪色）与质量不佳相关联。

 

生物基聚酰胺有巨大的替代潜力

为了实现可持续发展目标，汽车制造商越来越多地尝试使用替代材料来取代传统的原生塑料。除了回收材料，其中还包括生物塑料。生物基塑料的市场正在增长，特别是生物聚酰胺（bio-PA），它被视为生物塑料潜在增长的关键驱动因素，且是一种不可生物降解的生物基塑料。生物聚酰胺有可能会快速且轻松地取代化石基聚酰胺，特别是在汽车行业。因此，作为BeBio2研究项目的一部分，生物基聚酰胺在车辆内饰中的长期耐用性正在进行实验测试，以便为塑料加工商和汽车制造商创建数据库。

这些测试专为汽车行业的需求而定制，尤其注重耐介质性和耐候性。PA6常被用于汽车行业。但是，目前尚无与之对应的生物基PA，因此两种基于蓖麻油的现有生物基PA——PA610和PA1010被用于比较。

 

PA610选用了赢创工业（Evonik Industries）生产的Vestamid Terra HS 16 NC，PA1010则选用了同一制造商生产的Vestamid Terra DS 16 NC。石油基基准塑料是巴斯夫（BASF） 生产的Ultra-mid B40 L PA6。

 

对清洁剂、可乐等的耐介质性

介质暴露由各个汽车制造商使用不同的定制测试来确定，其中一些制造商甚至使用了专门开发的设备。因此，作为项目一部分，这些测试基于现有的普遍适用的耐介质标准，即根据DIN EN ISO 175标准的浸泡测试。将试样完全浸没在不同的试液中168小时（38小时后取出一次），温度条件为23°C。试液的pH值根据所用液体的pH值来选择。试液的pH值根据车内部件所接触的液体来选择，例如：含柠檬酸的清洁剂和软饮料。这两种介质的pH值都在2-3之间。玻璃清洁剂的pH值最高可达9.5，软肥皂的pH值约为12。因此，试液的pH值设定如下：酸性为 2-3之间，碱性为 10-11之间。

 

图1：PA试样介质储存后的拉伸强度：酸性和碱性储存对生物PA的性能影响很小。但是，化石基PA的性能下降幅度明显更大（来源：IKT；图：© Hanser）

从外观上看，测试期间试样没有发生显著变化。介质储存后的拉伸试验表明，储存对生物基PA的影响很小（图1）。两种材料的拉伸强度仅下降1MPa。储存介质和储存时间均未产生影响。随着储存时间的增加，PA6 的拉伸强度最多降低了25%。

 

图2：PA试样介质储存后的杨氏模量：PA6在酸性和碱性储存168小时后的杨氏模量下降了一半以上。生物PA则明显更稳定（来源：IKT；图：© Hanser）

图3：防晒测试显示PA610样品没有明显变化© IKT

 

但是，拉伸强度与储存介质pH值之间的依赖关系无法确定。弹性模量与储存期间的拉伸强度相似（图2）。两种生物基PA在储存前的弹性模量分别为1527MPa（PA1010）和1814MPa（PA610）。但是，无论哪种介质，这两种材料的特征值最多下降100MPa。相比之下，化石PA6 的弹性模量达到了2112MPa，但在168小时后下降了52%，也与介质无关。

 

特征值的变化与材料的吸水率有关。化石PA6 在介质储存168小时后的质量增加了2.5%。相比之下，生物基产品的最大增幅仅为0.5%。

 

防晒霜测试

内饰件的另一项经典测试是耐乳霜性，尤其是防晒霜。该测试包括对材料是否产生变化的视觉评估以及它是否符合汽车内饰的高审美要求。在测试过程中，防晒霜被涂在符合汽车标准的塑料面板上并在规定的时间后擦掉，然后目视检查样品是否变色或出现其他光学特性。三种材料均通过了乳霜测试，没有出现任何异常（图3）。

 

图4：所测聚酰胺经过人工风化后的拉伸强度：生物基聚酰胺的变化很小（来源：ITK；图：©Hanser）

针对特定气候条件的模拟被称为人工风化。与自然风化相比，人工风化能够对天气影响引起的性能变化做出快速且无关地点的评估。在这一过程中，可以根据需要设置和监测相对湿度、辐照度和温度等参数来确保精确的可重复性。此外，人工风化能够对过大压力、大幅湿度波动和极端温度变化进行加速分析，从而缩短测试时间。

 

生物基聚酰胺的风化

测试所用的气候条件基于大众汽车集团标准并使用了Atlas Material Testing Technology公司的Solar-Clima-SC 1000 MHG气候试验箱。针对该测试，拉伸试样在气候试验箱中储存十天。五天后再取一个样本。交替气候测试包括热、冷和湿度三个阶段，每24小时重复一次。温度范围在-40至120°C之间，相对湿度在10-90%之间。储存十天后，试样未产生任何视觉变化。从拉伸测试结果来看，生物基PA的拉伸强度在取出过程中没有下降，PA610 的拉伸强度甚至在十天后略有增加（图4）。相比之下，石油基PA6 的拉伸强度下降了约10%。

与介质储存一样，弹性模量在储存期间的变化与拉伸强度类似。但是，PA6的弹性模量在 120 小时后最多仅下降20%。

 

无法确定生物基聚酰胺是否受到显著影响。在人工风化过程中，试样在储存期间的质量未发生重大变化，说明机械性能仅有细微差异。

 

总结与展望

测试结果表明，生物基PA牌号具有极高的耐久性。在储存和风化过程中，其拉伸强度和弹性模量仅略有下降，而化石基PA6 受介质储存和天气条件变化的影响明显更大。例如，在介质储存168小时后，其弹性模量减半。所有三种材料都通过了防晒霜测试，未出现任何异常。因此，未发现在汽车内饰中使用生物基聚酰胺有任何问题。但是，从长远来看，生物聚酰胺是否能够取代该领域的化石基聚酰胺还需要后续研究。因此，作为BeBio2项目的一部分，与汽车内饰相关的其他因素（如起雾行为和气味变化）也正在研究之中。

本文翻译自Plastics Insights杂志
作者：Lars Schmohl, M. Sc.，Julia Resch, M. Sc.，Prof. Dr. Christian Bonten

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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