低密度聚丙烯在汽車上的應用

姚其海，程健，單丹丹

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

前言

隨著經濟和社會的發展，人民生活水平的提高，汽車已經成為日常生活中離不開的工具。進入21世紀后，我國的汽車消費需求高速增長，從2010年開始，我國已成為世界第一汽車產銷大國，截止2017年的汽車產銷達到2900萬臺；與此同時，我國石油消耗量也不斷增加，目前進口石油已接近消耗量的60%以上。我國也是二氧化碳排放最多的國家，由汽車尾氣排放帶來的環境和社會問題也日益嚴峻。如果不能在節油減碳方面達到世界先進水平，汽車工業不能順利發展。

歐盟制定的每公里二氧化碳排放95克的限值，是經過精心研究的，該限值是企業在傳統汽車可以達到的。國內的相關職能部門和機構也頒布了相關的節能減排的目標。國務院頒發的《節能與新能源汽車發展規劃》規定，到2020年中國乘用車新車平均油耗要降到百公里五升的水平。中國要達到這一目標，難度極大，除了要在動力總成系統采用新技術來降低油耗，更需要通過降低車輛本身的重量來達到節能降耗的目的，有資料表明，汽車質量每下降10%，油耗下降6-8%，排放降低4%。[1]

研發輕量化汽車是節約能源及提高燃油經濟性的有效途徑之一。實現輕量化汽車主要有亮條途徑：設計合理的汽車結構，使得零部件能夠減薄、中控；采用輕質化、強度高的新型材料[2]，如采用高強度鋼和超高強度或熱成型鋼，用來替代原來的傳統鋼材，并同時降低鋼材厚度，達到降低車重的目的。而汽車內外飾件，隨著材料科技的發展，塑料，橡膠等在汽車上的應用越來越廣泛，用量也越來越大，特別是改性塑料。在已經大量使用塑料來進行減重和輕量化以后，如何進一步降低車身重量成為新的研究課題，因此低密度內外飾材料成為一個新的突破方向。

1 低密度聚丙烯材料應用現狀

有數據表明，每臺整車使用的塑料量在70-120Kg左右，其中改性PP占80%以上，如保險杠、門板、立柱等，因此低密度聚丙烯的應用，可以很大程度上達到內外飾輕量化的目的。

圖1 常見乘用車塑料種類及比例

低密度聚丙烯材料是2012年以后興起的一項新技術，其關鍵特性是用更低的礦物填充量可以達到較高填充量才能達到的材料性能，如彎曲強度，彎曲模量等，同時材料的收縮率也可以與高填充材料接近，模具可以通用，這就大大降低了新材料使用時的模具費用，降低材料綜合使用成本。低密度材料的使用能大大降低零部件重量，從而達到輕量化和節能降耗的目的。基于先進的材料技術以及對整車輕量化的要求，國外某些車型的內外飾材料已經在推廣使用低密度的聚丙烯材料。

表1 Basell為某車型開發的低密度聚丙烯

低密度聚丙烯材料采用低收縮率的PP樹脂，加上較少的礦物填充，達到傳統材料的性能，最大的特點在原有模具基本不變、零部件結構沒有大變化的前提下，通過降低材料的密度，來降低零部件的重量，從而達到輕量化的目的；低密度材料的應用并不需要重新開發模具，因此大大降低了綜合成本。下表是某車型采用低密度材料后相對于原材料的降重量。

表2 BASELL低密度聚丙烯的降重效果

國內的部分合資主機廠也已經在部分暢銷車型上開始并逐步推廣低密度材料的使用：

表3 國內部分使用低密度材料車型

2 低密度聚丙烯特點介紹

2.1 低密度材料性能特點

低密度聚丙烯主要是使用一些新型的聚烯烴材料，并結合高細度的礦物填料，在維持原有材料性能基本不變的前提下，通過減少材料中礦物填料的含量來降低材料的整體密度；相對于傳統材料，其優勢毋庸置疑，主要體現在以下幾方面：

a.減重(5-11%),由于填充量的下降，材料的密度也相應下降，零部件的重量也隨之降低。

b.優異的抗刮擦性能 ，填充物的加入會造成樹脂的抗刮擦性能下降，因此填充物降低會相應的改善材料的抗刮擦性能。

c.幾乎相同的模具收縮率 ，低密度材料采用低收縮率的樹脂，雖然填充物含量下降，但材料的整體收縮率可以做到基本不變；因此不需要對模具進行修改，只需適當調整注塑工藝即可確保零部件的最終尺寸。

因此，相對于普通材料，低密度材料在降低填充物含量以后，材料的性能能否達到原有要求成為其應用至關重要的因素。

表4 低密度材料與傳統材料物性對比

上表是 BASELL的兩款低密度材料及原使用材料的對照表， HC TKC 420N相對于原用材料HC TRC 352N，滑石粉含量從20%降低到12%，密度相應的從1.05降低到0.97，而收縮率都為0.90，并無明顯的變化；而HC TKC 2007相對于HC EKC 330N密度明顯下降，收縮率均為1.10。而作為內飾材料，材料的耐刮擦性能有很高的要求，避免在車輛的使用過程中產生劃痕，影響美觀。

表5 低密度材料與傳統材料耐刮擦性的對比

從上表可以看出，在降低了滑石粉填充量以后，材料的刮擦測試后，色差值由原來的1.4和1.2下降到0.5和0.3，耐刮擦性能比原來更好（?L值越低越好），因此在耐刮擦性能上，低密度材料相對于傳統的材料更有優勢。

2.2 低密度材料成本分析

表6 低密度聚丙烯與普通聚丙烯成本對比

在成本上，低密度材料的單價要比普通的 PP內外飾材料稍高，但考慮到材料用量降低，最終單個零部件的成本并沒有上升，下表為低密度材料和普通材料在成本上的比較。

2.3 設計要點

雖然低密度聚丙烯的礦物填充量下降，但材料的總體性能，特別與零部件強度和成型加工相關的性能，如熔融指數、彎曲強度、彎曲模量等并無明顯的變化，因此，在模具的設計和成型加工過程中無需區別對待，常規聚丙烯材料的模具設計方案即可以滿足低密度聚丙烯材料的使用要求。

3 結論

（1）低密度聚丙烯材料在力學性能、模具收縮率等指標上可以做到與常規聚丙烯基本一致，且材料的耐刮擦性能更好，可以在不重新開模的情況直接替換常規的聚丙烯材料用于汽車內外飾。

（2）相對于傳統的聚丙烯材料，低密度聚丙烯材料在單件成本上基本保持不變，因此不會帶來明顯成本上的壓力。

（3）低密度聚丙烯材料替代傳統的聚丙烯材料，可以明顯的起到減重的作用，對整車的輕量化具有積極的意義。

參考文獻

[1] 龍江啟,蘭風崇,陳吉清.車身輕量化與鋼鋁一體化結構新技術的研究進展[J].機械工程學報,2008,44（6）:27-35.

[2] 羅淼,尚善春.車身輕量化與噪聲性能的平衡與優化[J].農業裝備與車輛工程,2017(1):31-34.