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        汽車內外飾用聚丙烯復合材料的輕量化研究進展

        放大字體  縮小字體 發布日期:2022-05-18  來源:中國合成樹脂協會  瀏覽次數:420
        核心提示:在整車各零部件系統中,聚丙烯及其改性材料制作零件約占整個車用非金屬材料領域的60%。因此,對聚丙烯及其改性材料進行輕量化研
             在整車各零部件系統中,聚丙烯及其改性材料制作零件約占整個車用非金屬材料領域的60%。因此,對聚丙烯及其改性材料進行輕量化研究是有效降低整車內外飾系統、智能化及電裝系統重量的重要途徑。用于結構優化設計的車用輕量化聚丙烯主要包括兩類:一類是具有較高力學強度的改性聚丙烯,這類材料的特點是具有很高的拉伸性能及彎曲性能,通常是玻纖增強材料,可用于部分金屬件的以塑帶鋼、較厚壁厚大型非外觀塑料件的薄壁化、替換密度較大的其他增強塑料材料等。另一種是在薄壁零件上使用的改性聚丙烯材料,這類材料的特點是具有較高的模量、韌性及較高的熔指,可用于各類改性聚丙烯外觀件,通常不含或含很少量的纖維類材料。
         
        1、高性能低密度輕量化聚丙烯復合材料研究進展
         
           整車非金屬材料使用品類較多,PP類材料占比最大,因此做好PP類材料的輕量化工作特別重要。
         
            聚丙烯常用的改性方法為物理改性、化學改性兩類。在聚丙烯的改性中,人們通常會添加無機粉體,這些添加的無機粉體由于其密度遠高于聚丙烯密度,導致改性聚丙烯材料的密度增加,從而使得塑料制品重量增大。為零件的輕量化計,可通過不添加、少量添加或添加低密度物質,來改善聚丙烯材料這些缺陷,從而滿足使用要求。為此,在汽車內外飾上采用低密度聚丙烯材料的設想自2012 年開始興起,隨著整車輕量化的要求和低碳經濟的發展,目前低密度聚丙烯在整車上的應用越來越廣,采用高性能低密度的聚丙烯復合材料可使相關零件實現一定程度的輕量化,從而提升車輛的能耗節約效果。
         
            近幾年,國外相當一部分的車型內外飾零件已在使用低密度型的改性聚丙烯材料。如 basell 為某車型開發的 HCTKC2007N、HC TKC 420N、HX TKS 428P等牌號的材料目前已在大眾、通用、奧迪等整車廠的相關車型上使用,這類材料的填充量通常為 1%~12%,密度0.90 g/cm3~0.98g/cm3,可代替 10%~20%滑石粉填充的改性聚丙烯材料在儀表板本體、中央通道、門板、立柱等零件上應用,可使零件密度平均降低 6%~10%并滿足零件的使用要求,近幾年,國內某些整車廠和材料廠也在研究并驗證該方案的可行性。
         
            相關資料顯示:低密度聚丙烯材料的開有兩種途徑:一是合成性能更優異的樹脂材料,這方面技術和資源主要掌握在大的石化廠家手里,這里不多加敘述;二是復合改性技術方面的創新,使填充體系更細,或是強度更高,與樹脂的結合更好,在體系里形成雙網絡或三網絡結構,使用性能更優異的增強材料或復配使用,先進的表面處理技術或加工技術,以及纖維骨架結構、多層結構等結構上的創新材料的應用以及晶須材料、纖維材料、碳纖維材料的產業化應用等。
         
         
        2、輕量化聚丙烯復合材料的發泡技術研究
         
            采用合適性能的聚丙烯進行微孔發泡,發泡后的材料具有密度小、比強度高、韌性好、隔熱隔音性能佳等優勢。目前,發泡聚丙烯廣泛應用于汽車及飛機零部件、體育器械、電器、各類家電產品,某種程度上來說,發泡聚丙烯材料國內外研究熱度較大。但由于聚丙烯樹脂是柔軟長鏈大分子結構,它的分子鏈結晶度高,柔順的線性分子鏈使聚丙烯在溫度達到熔融溫度后黏度迅速下降,從而使得 PP 的發泡過程難以控制。所以目前可直接獨立批量工業化生產微孔發泡聚丙烯的國家相對較少。
         
            發泡劑是使對象物質成孔的物質,其應用源自橡膠工業早期。1846 年Hancock 等人發表了發泡劑專利,他們采用碳酸銨和揮發性液體作為天然橡膠的發泡劑制得了開孔海綿制品。1940 年杜邦公司發明了工業用有機化學發泡劑二偶氮氨基苯,盡管該物質存在一定毒性及污染性,但受限于當時的條件,仍得到了廣泛地應用。之后,偶氮二異丁腈作為非污染性發泡劑被大量用于制造 PVC泡沫制品;二亞硝基五次甲基四胺替代碳酸銨和揮發性液體作為橡膠發泡劑;50年代,偶氮二甲酰胺因其無毒、無臭、不污染、不助燃等優點使其成為發泡劑的主力產品;70 年代,日本推出酰肼類發泡劑 4,4’-二磺酰肼,由于該發泡劑本身和分解產物都具有良好的電性能,因此在高頻和超高頻電線電纜領域受到青睞;近年來,發泡劑的生產工藝不斷得以改進,發泡劑種類越來越多并運用于各行各業,相關資料顯示,目前全球與發泡劑有關的橡塑發泡制品消耗量已超過1000 萬噸,后續仍可能繼續增加。選擇合適的發泡劑是使聚丙烯材料發泡完美的重要措施。
         
            針對聚丙烯在發泡過程中的氣泡逃逸問題,HE.Naguib 等認為可采用以下三種方法進行處理:(1)在體系中引入支化程度或交聯程度較高的成分以提升體系熔體強度來避免發泡材料在發泡時出現的泡孔快速合并現象;(2)采用惰性長鏈發泡劑;(3)優化設備結構,改變??谛螒B及制作工藝條件以避免材料的快速結晶。體系中引入 HMSPP 是體系發泡獲得優質發泡材料的重要方法,HMSPP 具有較高的熔體粘度和熔體強度,可大幅提升 PP 的發泡性能。當然,也可采用PP 部分交聯、PP 與其他聚合物共混改性、PP 與無機粒子共混改性來增加體系的熔體粘度及熔體強度。
         
         
        3、輕量化聚丙烯復合材料的表面性能研究
         
            輕量化聚丙烯復合材料的表面性能,是呈現的表面效果,主要表現有材料的光澤度、耐刮擦性能、表面硬度、外觀均勻度方面。零件表面的光澤度,一方面可以通過調整模具的表面來調整,另一方面可以通過材料本身的光澤度來調整,只有結合兩者,才能更好地滿足要求。在材料方面有研究者做了許多影響材料光澤的研究。
         
            汽車內外飾件的會與物體發生摩擦或微碰撞,在零件表面留下痕跡影響其外觀裝飾效果,這與材料的耐刮擦性、表面硬度有著直接的關系,可以通過改善材料的耐刮擦性來避免,在輕量化聚丙烯材料的應用有著重要的作用。表面硬度與耐刮擦性能是相關的,提高耐刮擦性能一般是通過二個方面來,一是提高材料的表面硬度,讓材料表面的承受力增加,不易產生較深的劃痕或不產生劃痕,二則是通過增加材料表面的自潤滑性,讓材料的內部組織不宜產生內聚破壞,發生發白的現象,在視覺上降低外觀缺陷。
         
            在材料外觀缺陷種,零件表面的光澤差,產生的虎皮紋現象,也是外觀性能表現的一種,有研究表面,這種缺陷是由于流動不暢所導致,一般可以通過提高材料的流動性、模溫、改善潤滑體系等方式解決。
         
         
        4、輕量化聚丙烯復合材料的散發性能研究
         
            近年來,隨著汽車市場的不斷的更新迭代發展,人們不僅追求汽車的款式、性能,也更加關注汽車內飾物品對人體所產生的影響。目前,汽車空氣質量越來越受到關注,尤其是新車的散發性,進入 21 世紀以來,由車內空氣污染嚴重超標所引發的訴訟案件在我國時有曝光,引起了人們對于車用材料揮發性有機物污染的高度重視。2004 年 7 月 14 日,國家環??偩终絾榆噧瓤諝獾膰噎h保標準制定;2008 年 3 月,由國家環??偩譅款^制定的的行業標準實施。2009 年底,環境保護部公布了《車內空氣揮發性有機物濃度要求》(征求意見稿),該要求規定了車內空氣中揮發性有機物的濃度限制,并確定了以乙苯、苯、二甲苯、甲醛、苯乙烯、乙醛、丙烯醛等作為主要控制物質。2011 年我國頒布了《GB/T27630-2011 乘用車內空氣質量評價指南》,規定了車內空氣中苯、二甲苯、乙苯、丙烯醛、苯乙烯、甲醛、乙醛的濃度限值標準。2017 年 1 月 1 日,國家汽車內飾件氣味新規開始實施,汽車內裝飾有機物揮發引起的污染問題引起了世界汽車制造業廠商們的高度的關注。
         
            揮發性有機物,常用 VOCs 表示,VOCs(volatile organic compounds)指的是指在常溫狀態下容易揮發的有機化合物,常見的是五苯(苯、乙苯、甲苯、苯乙烯、二甲苯);三醛(甲醛、丙烯醛、乙醛),是表征室內污染程度的一個重要指標。這些氣體對人身體健康的危害不容小覷,當車中的 VOCs 到達一定濃度時候,短時間內人們會感覺到惡心、頭痛、頭暈等,嚴重時候會出現抽搐癥狀,并且會傷害到人體的腎臟、肝臟、神經系統和大腦,長期處在這種有害氣體超標準的環境中還會導致血液、肌體皮膚及免疫等系統的損害。其中的甲醛已經被世界衛生組織確定為可致癌的物質,對免疫系統、神經系統、肝臟均有毒害,而短時間吸入過量苯物質會導致急性中毒,對人體造成的傷害不可逆。
         
            塑料制品產生氣味和 VOC 的主要原因是聚合物受到光照、氧氣、高溫、潮濕等條件影響,助劑或擠出過程中降解的小分子發生遷移。汽車散發 VOC 及氣味的來源主要是汽車的車頂氈、儀表板塑料零件、座椅、地毯和其它裝飾時候使用膠水等。所以應盡量采用環保級別高的添加劑與助劑,從原料上入手控制有害物質的產生,改善生產工藝,提高檢測力度,提高安全意識,有效地控制汽車環境質量,保證消費者的安全。探索和使用散發性能較低的環保材料,將是未來前景以及相關主機廠和零部件企業的應對之道。
         
            國內各主機廠對 VOC 的要求和測試方法不盡相同。國內整車廠(長安、吉利、長城)主要采用氣袋法(TD-GC/MS)進行氣味、VOC 測試。氣袋法流程如下圖所示。采用氣袋法收集氣體,用 TENAX 管收集、TD-GCMS 分析烴類物質,用 DNPH 管收集、HPLC 分析醛類物質;而大眾、通用等歐美車系主要采用頂空進樣法,借鑒 VDA277 方法進行測試,總之各大主機廠均有屬于自己的標準。
         
         
         
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