汽車高分子材料論文 (1)

1、摘要30 引言31 汽車保險杠高分子材料的選擇與加工 31.1 保險杠的工作條件、失效方式及性能要求3 1.1.1 保險杠的工作條件3 1.1.2 保險杠的失效方式4 1.1.3 保險杠的性能要求4 1.2零件材料的初步選擇 5 1.3 汽車保險杠候選材料 5 1.3.1聚丙烯分子結(jié)構(gòu)，材料性能特點及類型5 1.3.2聚氨酯分子結(jié)構(gòu)，材料性能特點及類型 6 1.4 候選材料的成形方法7 1.4.1 聚丙烯高分子材料的成形方法 7 1.4.1.1注射成型 7 1.4.1.2吹塑成型 7 1.4.2 聚氨酯高分子材料的成形方法 7 1.5 零件材料的確定 8 1.6 提高所選材料性能的途徑91.7

2、高分子材料的未來發(fā)展趨勢111.8結(jié)論12參考文獻 12 汽車保險杠零件高分子材料選擇與加工作者 王文文(單位 湖北汽車工業(yè)學院機械工程學院T1213-6班)摘要 隨著對汽車燃料經(jīng)濟性和排放控制要求的提高。人們將目光集中在通過替代材料、改進設計或者先進的制造工藝找到制造輕量化汽車的方法。本文主要借助汽車保險杠，通過分析聚丙烯和聚氨酯，通過使用性能、工藝性能、經(jīng)濟性、可靠性、環(huán)境影響等方面的比較，找到目前最適合生產(chǎn)保險杠的材料以及未來高分子材料的未來發(fā)展動向。 Abstract With the improvement of automobile fuel economy and emissio

3、n control requirements. People will be focused on by alternative materials, design improvements or advanced manufacturing process to find ways to make lightweight car. In this paper, with the aid of the bumper, through the analysis of polypropylene and polyurethane, through the use of performance, p

4、rocess performance, economical efficiency, reliability, the comparison of the environmental impact, etc, to find the most suitable for producing bumper materials, and the future development trend of polymer materials in the future關(guān)鍵詞：汽車保險杠，聚丙烯，聚氨酯0 前言 由于受世界能源危機的沖擊，輕量化和節(jié)能是當前汽車發(fā)展的重要趨勢，以塑代鋼制汽車零部件，尤其是用塑

5、料保險杠代替金屬保險杠的應用研究空前活躍。目前，世界三大汽車產(chǎn)地日本，美國和歐洲，以塑代鋼進展迅速，而且正在致力于研究開發(fā)新型塑料保險杠，以滿足更高性能和不同用途的需要。 本文僅就汽車塑料保險杠的材料用于作一簡單的選擇與加工。1 汽車保險杠高分子材料的選擇與加工1.1 保險杠的工作條件、失效方式及性能要求 1.1.1 保險杠的工作條件 保險杠系統(tǒng)是轎車車身的重要組成部分。其作用是當轎車與其他車輛或障礙物發(fā)生碰撞時能保護車身和附件，具體說就是保護翼子板、散熱器、發(fā)動機罩和燈具等部件。輕微事故時保險杠系統(tǒng)能吸收沖擊能量，撞后自動恢復原狀，有效地降低了轎車的修理費用。遇上嚴重的撞車事故時，沖擊力經(jīng)保

6、險橫杠被合理導向分散給整個車身，以避免局部區(qū)域變形過大，保證乘客有足夠的生存空間。因此，在能防撞的前提下，保險杠還需要有并且能長久保持良好的外觀。就這點分析，保險杠作為外飾的工作條件有：1） 長期收雨水和陽光的腐蝕2） 保險杠邊角處突出，極其同意受到墻體以及其他車輛、物體的擦碰發(fā)生摩擦、掉漆、凹陷等3） 碎玉靠近發(fā)動機的情況，保險杠有可能發(fā)生變形。與車身應變程度不同回事自身產(chǎn)生應力，既影響外觀也影響其作為防護裝置的使用性能，此情況也會在過熱過冷天氣下發(fā)生在選材上，為滿足現(xiàn)代用戶對轎車的使用要求，必須同時分析和滿足以上兩個方面的工作條件。1.1.2 保險杠的失效方式 與工作條件類似，失效方式也要

7、從保險杠的防護盒裝飾兩個方面來考慮。但是往往在外觀發(fā)生變化時，保險杠作為防護裝置性能本身就很有可能發(fā)生了改變，所以，兩者可以一起來看，則可以得出保險杠失效的形式有以下幾點： 1、破裂、裂痕 2、外觀變形、軟化 3、表面龜裂、粉化、褪色 4、產(chǎn)品裝配松動 5、裝配后與周邊配合件之間的間隙和斷差不理想 6、產(chǎn)品產(chǎn)生縮痕 7、前保險杠再有兩側(cè)支架斷裂，強度不夠 8、漆面附著力差 1.1.3 保險杠的性能要求保險杠性能的要求隨其失效形式和工作條件決定。其性能要求有：1、 具有良好的沖擊韌性，在其斷裂破壞時能吸收足夠多的能量2、 抗老化性能好3、 溫度變化時，材料的延伸率較小4、 在雨水、暴曬下不易發(fā)生

8、化學、物理上的變化5、 強度與剛度高，不易發(fā)生變形1.2 零件材料的初步選擇熱塑性聚氨酯彈性體由于減震、柔韌和耐磨性能好，可制備軸襯、軸瓦和軸套類配件；由于彈性好，耐屈撓、耐疲勞和耐油性能優(yōu)，可制備護套類配件；由于氣密性能和抗切割性能好，可制備墊圈、墊板和墊片等密封配件；由于尺寸穩(wěn)定性好和沖擊強度高，可制備氣囊、保險杠等配件。聚丙烯材料密度輕、易回收,通過改性的手段,特別是LFT-PP,聚丙烯已經(jīng)進入汽車工程塑料的領(lǐng)域,聚丙烯因其優(yōu)異的性價比,在汽車內(nèi)外飾件中得到廣泛應用,特別是應用在汽車的前后保險杠上。所以我的候選材料為聚氨酯和聚丙烯。1.3 汽車保險杠候選材料1.3.1 聚丙烯分子結(jié)構(gòu)，材

9、料性能特點及類型 聚丙烯（簡稱PP）是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂，分子式為C3H6n。由于分子結(jié)構(gòu)中有甲基的存在，在聚丙烯分子鏈節(jié)上存在不對稱碳原子，按甲基排列位置分為等規(guī)聚丙烯，間規(guī)聚丙烯和無規(guī)聚丙烯。甲基排列在分子主鏈的同一側(cè)稱等規(guī)聚丙烯；若甲基無秩序地分布在分子主鏈的兩側(cè)稱無規(guī)聚丙烯；當甲基交替排列在主鏈的兩側(cè)稱間規(guī)聚丙烯。通常生產(chǎn)的聚丙烯樹脂中，等規(guī)結(jié)構(gòu)的含量約為95%，其余為無規(guī)或間規(guī)聚丙烯。工業(yè)產(chǎn)品以等規(guī)聚丙烯為主要成分，由于甲基在空間的規(guī)則排列，聚丙烯結(jié)晶度較高，力學性能及軟化點也高。此外，通常聚丙烯類塑料也包括丙烯與另一種烯烴單體（或多種烯烴單體）共聚而成的無規(guī)共聚物。

10、聚丙烯通常為半透明無色固體，無臭無毒。它的結(jié)晶度一般在70%以上，結(jié)晶體密度為，非結(jié)晶體密度為，通常聚丙烯的密度為，是最輕的通用塑料。聚丙烯熔點在170，熱變形溫度為150；制品可長期在110以下使用，即使使用溫度達90，其強度也無明顯下降；100也保持常溫強度的一半以上。聚丙烯的拉伸強度比聚乙烯，聚苯乙烯和ABS等都高，但韌性較低。經(jīng)過牽伸的聚丙烯帶具有很高的韌性和極好的彎曲疲勞壽命，經(jīng)反復折疊次也不斷裂。但由于聚丙烯含有叔碳H原子，較活潑，易與大氣中的氧反應生成過氧化物，然后分解成羥基而引起主鏈斷裂，所以不加穩(wěn)定劑的聚丙烯制品耐光、熱、氧等性能很差。 聚丙烯樹脂的基本性能項目數(shù)值項目數(shù)值吸

11、水率(24h)/%0.030.04洛氏硬度R80100拉伸強度/MPa3039沖擊強度/(kJ/)23斷裂伸長率/%100300體積電阻率/拉伸模量/GPa1.11.6電壓擊穿強度/(kV/mm)20彎曲強度/MPa4256介電常數(shù)/2.02.6壓縮強度/MPa3956耐電弧性/s136185熱膨脹系數(shù)/1.1熱變形溫度/(負荷(0.46MPa)110116成型線收縮率/%1.02.01.3.2 聚氨酯分子結(jié)構(gòu)，材料性能特點及類型 聚氨酯熱塑性彈性體又稱熱塑性聚氨酯橡膠,簡稱TPU,是一種（AB）n型嵌段線性聚合物，A為高分子量（1000-6000）的聚酯或聚醚，B為含2-12直鏈碳原子的二醇

12、，AB鏈段間化學結(jié)構(gòu)是用二異氰酸酯，通常是二苯甲烷二異氰酸酯（MDI）連接。熱塑性聚氨酯橡膠靠分子間氫鍵交聯(lián)或大分子鏈間輕度交聯(lián)，隨著溫度的升高或降低，這兩種交聯(lián)結(jié)構(gòu)具有可逆性。在熔融狀態(tài)或溶液狀態(tài)分子間力減弱，而冷卻或溶劑揮發(fā)之后又有強的分子間力連接在一起，恢復原有固體的性能。氨酯彈性體是聚氨酯合成材料中的一個品種，由于其結(jié)構(gòu)具有軟、硬兩個鏈段，可以對其進行分子設計而賦予材料高強度、韌性好、耐磨、耐油等優(yōu)異性能，它既具有橡膠的高彈性又具有塑料的剛性，被稱之為“耐磨橡膠”。聚氨酯彈性體具有很好的抗拉強度、抗撕裂強度、耐沖擊性、耐磨性、耐候性、耐水解性、耐油性等優(yōu)點。1.4 候選材料的成形方法

13、1.4.1 聚丙烯高分子材料的成形方法1.4.1.1注射成型聚丙烯保險杠普遍采用注射成型工藝,其主要優(yōu)點是,可成型形狀比較復雜的產(chǎn)品、生產(chǎn)效率較高、能賦予制品必要的剛性等優(yōu)點。其缺點是,必須采用流動性較佳的原料,制品的堅固性較差,受沖撞時易斷裂、成本高,小批量生產(chǎn)成本高。我國聚丙烯保險杠成型均采用注射成型。如上海桑塔納轎車保險杠由江蘇省江陰塑料有限公司用北京化工研究院的保險杠專用料注射成型。一汽奧迪車保險杠由鐵嶺市橡膠制品廠以國產(chǎn)的PP/EPDM共混料為原料,引進日本模具和宇部興產(chǎn)公司ST2500機,采用注射成型,機械手自動取件生產(chǎn)保險杠,產(chǎn)品性能超過德國同類產(chǎn)品。 1.4.1.2吹塑成型隨著

14、吹塑成型裝備和操作技術(shù)的不斷改進,高分子PP共聚物聚合技術(shù)的開發(fā),以及模具設計和制作技術(shù)的進步,目前國外已經(jīng)能夠采用吹塑成型技術(shù)來生產(chǎn)聚丙烯保險杠。吹塑成型與注射成型相比具有以下優(yōu)點:可成型高分子量PP共聚物,極大地提高產(chǎn)品的低溫韌性;產(chǎn)品具有很高的剛性和彎曲強度;外觀質(zhì)量大幅度改善;相對注射模具而言,吹塑模具不僅結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、價格低廉,且易于更改產(chǎn)品的外形設計。其缺點是:成型周期較長;表面光潔度略差。德國Hoechst公司已生產(chǎn)出PPH 8018吹塑級PP專用料,吹塑模塑技術(shù)成功地用于制取保險杠。美國GE公司生產(chǎn)的PC/PBT合金材料吹塑保險杠已用于Ford汽車上;Himont公司的T

15、PO樹脂已吹塑成卡車保險杠;Borg-Warner公司采用Cycolac LXB吹塑級ABS已成功吹塑外觀漂亮、沖擊性能良好的汽車保險杠。1.4.2 聚氨酯高分子材料的成形方法 反應注射成形注射成型是將塑料在注射成型機料筒內(nèi)加熱熔化，當呈流動狀態(tài)時，在柱塞或者螺桿加壓下，熔融塑料被壓縮并向前移動，進而通過料筒前端的噴嘴以很快的速度注入溫度較低的閉合模具內(nèi)，經(jīng)過一段時間冷卻成型后，開啟模具，頂出制品。但隨著注塑尺寸和長涇比的增大，在注塑期間要保證聚合物熔體受熱的均勻性和足夠的和模力就變得相當困難了，而反應性注塑成型可克服這一困難，其實質(zhì)是在模具中完成大部分聚合反應，是注射物料黏度可降低兩個數(shù)量級

16、一以上。此方法操作簡單，鍍層均勻，外觀良好，具有有機物保護層。1.5 零件材料的確定聚氨酯具有良好的耐熱，耐油，耐溶劑性能，韌性強，粘接性和彈性優(yōu)良，但加工性能，耐寒性，耐水解性差，加工和在回收利用成本高。聚丙烯具有許多優(yōu)良特性：1、相對密度小，僅為0.89-0.91，是塑料中最輕的品種之一。2、良好的力學性能，除耐沖擊性外，其他力學性能均比聚乙烯好，成型加工性能好。3、具有較高的耐熱性，連續(xù)使用溫度可達110-120。4、化學性能好，幾乎不吸水，與絕大多數(shù)化學藥品不反應。5、質(zhì)地純凈，無毒性。6、電絕緣性好。7、聚丙烯制品的透明性比高密度聚乙烯制品的透明性好。8、價格便宜。聚丙烯的成形方法相

17、對成熟。具體表現(xiàn)在：以小本體聚丙烯（PP）為基料通過與共聚聚丙烯（CPP）、聚烯烴彈性體（POE）、滑石粉以及其他助劑共混改性制備汽車專用料。當PP:CPP:POE:滑石粉30:35:15:20時，再配以適量的偶聯(lián)劑、氧合抗氧劑、降溫母粒等，制得的共混料完全可以滿足汽車保險杠性能要求。性能參數(shù)見表2。產(chǎn)品性能數(shù)值熔體流動速率/6拉伸屈服強度/MPa19斷裂伸縮率/%350懸臂梁缺口沖擊強度/47負載下熱變形溫度（0.45MPa）/95收縮率/%0.96 以PP、EPDM、CaCO3等為原料研制的保險杠專用材料的拉伸強度、彎曲模量值均較高，材料成型流動性能良好的成型模縮率穩(wěn)定，符合汽車保險杠材料

18、及總成性能指標規(guī)定、要求。向聚丙烯中加入0.11%的晶型成核劑，經(jīng)過雙螺桿擠出機造粒，制得晶型聚丙烯。結(jié)果表明，晶型聚丙烯的懸臂梁缺口沖擊強度可達38 kJ/m，力學性能指標達到汽車保險杠的要求。并通過注射時加入碳酸鈣剛性粒子增韌母粒的方法，解決了晶型PP模塑收縮率大和表面漆膜附著性差的缺點。 綜上所述，作者本人選擇聚丙烯就為汽車保險桿的最終材料。1.6 提高所選材料性能的途徑 聚丙烯是綜合性能優(yōu)良的一種通用塑料,但聚丙烯本身低溫性能及抗沖擊性能差、耐老化性及尺寸穩(wěn)定性差,難以滿足汽車保險杠對材料性能的苛刻要求。因此,在汽車保險杠中使用的聚丙烯材料均為改性聚丙烯。根據(jù)汽車行業(yè)對保險杠的要求,以

19、及保險杠材料構(gòu)成上的差異,PP汽車保險杠專用料可以分成以下幾個基本類型。1)聚丙烯與彈性體共混料聚丙烯共混改性是用增容劑、增強劑、填充劑、偶聯(lián)劑、交聯(lián)劑、熔體指數(shù)調(diào)節(jié)劑以及抗老化劑等與聚丙烯基料共混,使聚丙烯改性,大幅度提高其性能。采用各種合成橡膠和PP進行共混改善PP的低溫韌性,是生產(chǎn)PP保險杠專用料的傳統(tǒng)工藝。大部分保險杠專用料采用EPDM增韌。目前國外還有用SBS、SEBS(苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物)、氫化SBS等增韌,或EPDM與SEBS、EPDM與PE并用等。我國保險杠專用料則主要采用PP/EPDM共混改性。影響共混料性能的主要因素有:基礎(chǔ)樹脂的平均分子量、分子量分布、共混

20、料中各組分的比例和特征,以及對橡膠的交聯(lián)處理等。隨著基礎(chǔ)樹脂平均分子量的提高,韌性將得以改善,但流動性會明顯下降,從而給加工帶來困難。解決途徑有兩個:(1)過氧化物熱降解技術(shù)目前認為比較理想的方法是采用過氧化物熱降解技術(shù),由分子量較高的基礎(chǔ)樹脂來制取所需的高流動性材料。用此技術(shù)生產(chǎn)的樹脂,與具有相同熔體指數(shù)的直接聚合技術(shù)合成的樹脂相比,分子量分布窄、加工性能好(不易翹曲)、剛性和低溫耐沖擊性能均較高。國外許多廠商均采用這一技術(shù)來制造PP保險杠13專用料,如德國Hoechst公司的PPN8018,Huls公司的4402L,美國Himont公司的8623,Exxon公司的146,日本東燃石油化學公

21、司的EL-08-3和三菱油化公司的BX2D和BX4A等（2)動態(tài)硫化技術(shù)動態(tài)硫化是對含有橡膠的橡塑共混料硫化的過程,其中橡膠在高剪切條件下硫化,結(jié)果橡膠交聯(lián),同時以“微粒凝膠”的形式分散在聚烯烴基質(zhì)中。動態(tài)硫化是在橡膠的硫化溫度或高于硫化溫度下混合橡膠和塑料組分后實現(xiàn)的?；旌嫌迷O備可采用密煉機、雙螺桿擠壓機等。經(jīng)動態(tài)硫化后的共混料在橡膠相內(nèi)部形成交聯(lián)結(jié)構(gòu),同時在橡膠相和塑料相之間形成一定程度的共交聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過此方法制成的EPDM/PP保險杠專用料與傳統(tǒng)的共混方法相比,具有更好的耐熱性、流動性、均衡的剛性和韌性。國內(nèi)有些單位采用動態(tài)硫化法生產(chǎn)或研制保險杠專用料。如揚子石化公司研究院、金陵石化公司

22、等。中科院長春應用化學研究所以EPDM增韌PP,采用對共混料進行可控降解的方法,使物料的熔體指數(shù)在4g/10min16g/10min范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié),用二異丙苯過氧化物作交聯(lián)劑,使橡膠相內(nèi)部形成部分交聯(lián)結(jié)構(gòu),同時在橡膠相和塑料相之間形成一定程度的共交聯(lián)結(jié)構(gòu),使材料的拉伸強度和斷裂伸長率有明顯提高;通過加入適量的滑石粉、碳酸鈣等無機填料,材料的彎曲強度、熱變形溫度和硬度不致有明顯的下降。當共混料中橡膠含量控制在15%35%之間時,所得PP/EPDM共混料的常溫和低溫沖擊強度能提高240倍,其各項性能達到國外同類產(chǎn)品水平,該項研究成果已用于生產(chǎn)“奧迪”汽車的保險杠。2）PP/EPDM型反應器共混料隨

23、著催化劑的不斷改進,目前已能采用兩步串聯(lián)氣相聚合技術(shù)生產(chǎn)橡膠含量高的優(yōu)質(zhì)耐沖擊PP共混料。通過提高乙烯含量及控制乙烯單體引入PP大分子鏈上方式的不同,不僅能獲得韌性較好的產(chǎn)品,還能在一定范圍內(nèi)調(diào)整聚合物、共聚單體含量相同材料的剛性與韌性之間的相對關(guān)系,從而獲得所需性能的新材料。這種材料從微觀結(jié)構(gòu)看是PP和乙丙橡膠的混合物,即PP硬相中分散有高彈性EPDM顆粒,故被稱為PP/EPDM型“反應型共混料”。德國巴斯夫公司的Novolen牌“反應器共混料”包括2800jx、2900HX和2900NCX 3個牌號。3）嵌段共聚PP/聚烯烴熱塑性彈性體(TPE)共混料某些牌號的聚烯烴熱塑性彈性體如同EPR

24、一樣,能賦予PP較好的低溫韌性,且共混料剛性亦佳。采用TPE的另一個理由是:TPE顆粒料無需象EPR那樣進行破塊開煉后再與PP樹脂共混(有時無需進行硫化處理),而可以將TPE顆粒和PP顆粒在使用過程中按比例摻混后,直接加入到注塑機中進行成型加工,這樣可降低成本。4）非交聯(lián)發(fā)泡保險杠日本Styren Paper公司生產(chǎn)的非交聯(lián)發(fā)泡保險杠現(xiàn)已被豐田公司采用。這種保險杠采用JSP公司開發(fā)生產(chǎn)的PP發(fā)泡珠粒,先將珠粒裝入模具中發(fā)泡成型,生產(chǎn)的保險杠具有良好的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性和緩沖性。這種泡沫硬度作汽車保險杠非常合適。此外,以這種可發(fā)性PP(EPP)為基礎(chǔ)成型的PP保險杠具有吸附?jīng)_擊能量,質(zhì)輕及易回收

25、的性能。法國標志公司已為他的306型車配備了EPP保險杠系統(tǒng)。北美洲的BASF公司也投巨資生產(chǎn)EPP,并準備在歐洲和德國生產(chǎn)同類產(chǎn)品,以滿足市場需要。1.7高分子材料的未來發(fā)展趨勢 國外對塑料汽車保險杠的研究起步較早,60年代就已形成商品化生產(chǎn)規(guī)模, 當時主要選材為PU 和PC / A BS 合金進人80 年代后, 由于P 改性材料具有價格便宜、設計自由度大、可注射成型、廢料可回利用等優(yōu)點, 成為制作保險杠的首選材料近年來, 隨高分子合金、共混、復合、動態(tài)硫化、相容劑及共混理論與技術(shù)的發(fā)展,p 改性材料已不斷適應各種汽車保險杠用材的要求, PP 保險杠正在逐步代替其它材料的保險杠, 使用P 改

26、性材料生產(chǎn)的保險杠已占70 %。歐洲保險杠材料大部分采用可注射成型的E PD M 改性P 材料,90 年代初, 歐洲約有85 % 保險杠是用彈性PP 制作,19 95 年提高到95 %。西歐199 2 年保險杠用PP/ E PD M 量為1kt,1995年用量則增加了1 倍。日本在塑料保險杠的開發(fā)方面始終處于世界的前列。日本90 年代大約80 % 保險杠用改性即制成日本窒素公司開發(fā)了一系列用于汽車保險杠的高結(jié)晶PP。日本本田CR一X 型汽車是世界上較早采用注射模塑法生產(chǎn)改性汽車保險杠的汽車。日產(chǎn)汽車公司和三菱油化公司也研制了由P 嵌段共聚物、苯乙烯彈性體和聚烯烴系乙丙橡膠3 種組分配成的新材料制作的保險杠用該體系生產(chǎn)的保險杠具有高剛性、耐沖擊性、抗損傷并具有良好的光澤、彈性和涂裝性將保險杠裝車后, 在8k 耐h 受沖撞時可不碎裂, 并具有復原的彈性。這種材料還具有裝飾美觀、可注射成型等特點。在性能方面與聚氨醋差不多, 成本則減少10 20 %。日本三井化學