新材料与工艺手册

[轻量化材料] 长玻纤增强聚丙烯在汽车仪表板轻量化上的应用

0
回复
99
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2020-7-23 11:38:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
汽车轻量化在线】长玻纤增强聚丙烯在汽车仪表板轻量化上的应用

李东强,刘琼宇,任晓康,李盈坤

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 511434)

摘要:长玻纤增强聚丙烯材料(PP-LGF)作为一种轻质高强的复合材料,在满足汽车零部件性能的同时,对零部件减重具有明显贡献,目前在汽车零部件应用上备受青睐。文章主要介绍了PP-LGF在汽车仪表板轻量化方面的应用和发展现状,详细介绍了薄壁注塑、物理发泡、化学发泡三种成型工艺实现仪表板轻量化的技术概况,并展望了PP-LGF在仪表板上的应用前景。

关键词:长玻纤增强聚丙烯,轻量化,汽车,仪表板


近年来,随着我国经济的不断发展,汽车工业也得到了快速发展。然而,由此引发的环境问题也日益严重,通过汽车轻量化来降低油耗从而降低环境污染,已经成为汽车行业的研究热点,其中,使用质量更轻的非金属材料替代传统金属材料的研究在近年来也取得了较大进展[1]。运用复合材料来部分取代车身结构件及内、外饰装饰件是汽车轻量化的一种行之有效的方法。在众多的复合材料中,长玻纤增强聚丙烯材料(PP-LGF)以其低廉的价格、优良的力学性能和环境友好性而获得更多的青睐。与短玻纤增强聚丙烯材料(PP-SGF)相比,PPLGF在强度、刚度、翘曲度、耐疲劳、缺口冲击强度和尺寸稳定性等方面更具优势,因此,使用PP-LGF生产的汽车零部件可进一步实现重量及成本的降低。

1 长玻纤增强聚丙烯材料性能特点

长玻纤增强聚丙烯材料的制备工艺主要分为5种,即熔融浸渍、溶液浸渍、粉末浸渍、纤维混编工艺以及薄膜叠层工艺[2],而在汽车零部件领域主要应用的为熔融浸渍法。熔融浸渍法生产的PP-LGF粒子的长度一般为8mm~15mm,其中玻纤的含量可达20%~60%,粒子中玻纤的保留长度可达1mm~3mm,如图1所示,相较于玻纤保留长度仅为0.2mm~0.4mm的PP-SGF材料,PPLGF因其内部纤维构成的三维网络结构,可保证产品具有更优的力学性能、抗冲击性能、耐蠕变性能等特点,更加适合应用于汽车领域对结构性能要求较高的零部件。

此外,如表1所示,随着纤维含量的增加,PP-LGF的性能也随之提高。


图1 PP-LGF(左)和PP-SGF(右)中玻纤分布情况
Fig. 1 Distribution of glass fiber in PP-LGF (left)and PP-LGF (right)


表1 不同玻纤含量PP-LGF材料和PP-SGF材料性能对比
Table 1 Comparison of properties of PP-LGF and PP-SGF with different glass fiber content





2 长玻纤增强聚丙烯材料在仪表板上的应用

仪表板是汽车内饰中的重要部件,为提升汽车内饰的感知质量,中、高档车型普遍会采用软质仪表板,即在仪表板骨架表面增加软质表皮层。仪表板骨架作为仪表板系统的主体部件,同时也是电器件和其他功能件的承载结构,因此要求其具有高强度及高刚性,目前在仪表板骨架上使用最为广泛的为PP材料,采用相同密度的PP-LGF材料替代传统PP材料,在满足相关性能的同时,可提升仪表板吸能性能,同时可将现有仪表板骨架的设计厚度由3mm~3.5mm降低到1.8mm~2.5mm,从而降低仪表板骨架重量,推动汽车内饰轻量化。

以下将从PP-LGF应用于仪表板上的薄壁注塑、物理发泡、化学发泡三种成型工艺方面,介绍PP-LGF在仪表板轻量化方面的应用。


2.1 薄壁注塑

薄壁注塑工艺是直接将产品壁厚减薄,在模具中进行加工的一种成型方法,与传统PP材料注塑的3mm~3.5mm壁厚的仪表板骨架相比,PP-LGF材料运用薄壁注塑工艺制造的仪表板骨架产品壁厚一般为2.5mm左右,整体减重可达约25%。该工艺的投入成本较低,重量优势明显。目前,该工艺在国内和国外合资品牌中,如吉利、大众、上汽、福特等均有应用,一般选择PPLGF20材料,设计的产品壁厚一般为2.2mm~2.5mm。

然而,薄壁注塑工艺也存在两点问题,首先是该工艺的模具成本较高,使用薄壁注塑,成型模具需要采用热流道设计,热流道模具的成本要比普通注塑工艺的模具成本高。其次,注塑工艺管控和注塑精度要求高,因为PP-LGF中长玻纤分布的各向异性[3],采用PP-LGF材料的薄壁注塑产品翘曲变形较为严重,尺寸稳定性较差。


2.2 物理发泡

物理发泡工艺又称为MuCell 工艺,它是以热塑性材料为基体,通过将超临界流体(二氧化碳或氮气) 溶解到热熔胶中形成单相溶体,并保持在高压力下,然后,通过开关式射嘴射进温度和压力较低的模具型腔,由于温度和压力降低引发分子的不稳定性从而在产品内部形成从十到几十微米不等的封闭气泡微孔[4-5],该项技术早期由麻省理工学院发明,1995年由美国Trexel公司将技术实现全球商品化。

MuCell 工艺优势为成型周期短、产品尺寸稳定性好、翘曲低、产品轻量化和工艺适用性广。MuCell工艺使用超临界流体,可有效降低PP-LGF材料黏度, 提高熔体流动性。泡孔成长压力代替传统注塑中的保压阶段,缩短成型周期,同时,可使压力分布均匀,有效降低PPLGF产品内应力,降低因长玻纤各项异性导致的产品翘曲,增加产品的尺寸稳定性。另外,泡孔填充可有效避免产品表面缩痕,微孔结构扩充,降低材料密度,产品重量减轻,较同材质实体,重量可降低5%~10%。目前,福特新蒙迪欧在仪表板骨架上应用了该工艺,骨架产品设计壁厚2.4mm,相较于实心材料重量降低了10%,此外,长城和大众也有应用于此项技术。

MuCell 工艺的缺点是一次性投入高,工艺难度大,同时相关研究表明,使用该工艺对仪表板减重比控制在3%~8%时,产品性能会下降10%左右,基本满足性能要求,减重超过8%,机械性能和耐热老化性能急剧下降,不能满足要求。若使用MuCell 工艺推荐减重比为3%~5%。


2.3 化学发泡

化学发泡工艺包括模内发泡工艺和二次开模发泡工艺(core-back)(如图2所示),二者均是在注塑过程中,利用塑料粒子中加入的碳酸氢钠和碳酸铵类的无机发泡剂,受热分解产生的二氧化碳等气体,使产品形成微孔发泡结构,以降低材料密度,减轻产品重量[6]。

其中,core-back工艺因使用了二次开模,相较于模内化学发泡,发泡的倍率更高,产品中形成的泡孔数量更多,产品的减重比更大。一般来说,模内化学发泡的减重比相比于实心材料在5%~8%左右,而core-back工艺可高达30%~50%,具体根据退模行程决定。同物理发泡工艺一样,化学发泡工艺可在PP-LGF材料应用减重的同时,减少产品翘曲变形,提升产品稳定性,而且二次开模发泡工艺能够适用于做外观件。目前,宝马5系已在仪表板骨架上应用了PP-LGF的core-back工艺,产品壁厚由初始1.8mm左右发泡到3.8mm,重量降低了约40%,此外大众的部分车型也已使用模内化学发泡工艺。

core-back工艺的缺点是发泡剂较贵,开模的周期较长,模具成本也比模内发泡模具高,而且该工艺的技术难度较高,后期调试周期较长,产品的综合成本较高。模内发泡工艺的缺点是发泡剂较贵,产品的减重效果不是特别明显,减重效果低于薄壁注塑工艺,物理发泡工艺和core-back工艺。


图2 二次开模发泡示意
Fig. 2 Schematic diagram of secondary mold opening foaming



3 PP-LGF在仪表板轻量化上应用展望

轻质高强复合材料在汽车零部件上的应用已经成为汽车轻量化技术的应用焦点,PP-LGF凭借其优异的材料特性和减重效果,已成为汽车仪表板轻量化的重要途径,具有良好的实用价值。目前PP-LGF材料已经在国内外众多车型上成功应用。在满足仪表板性能要求的基础上,采用PP-LGF的仪表板可以大幅度减重,同时也具有结构强度更好的优势,产品综合成本上也与传统材料相当,因此,PP-LGF材料在未来汽车仪表板的轻量化中必将有更加广泛的应用。

参考文献

[1]吴靖.塑料技术在汽车轻量化中的应用分析[J].塑料制造,2013(4):36-37.

[2]李彬. 长玻纤增强PP 材料在汽车上的应用[J]. 时代汽车,2017:78-79.

[3]秦计生, 彭雄奇,申杰,等. 考虑纤维方向分布的玻纤增强PP复合材料拉伸性能[J].复合材料学报,2013(4):53-58.

[4]王如波,王勇,夏欣.微发泡注塑成型技术的研究和应用[J]. 橡塑技术与装备, 2019(10):30-33.

[5]唐锦荣.MuCell 微发泡注塑成型技术应用[J].国外塑料,2011(4):60-61.

[6]张振力,邓峰,贾桐.微发泡在汽车开发中的应用研究[J].汽车与配件,2019(3):50-51.




您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线