聚碳酸酯材料在轻质车身中的应用

高暮琰 王宏雁 (同济大学中德学院, 上海 200092)

摘要：具有光学特性的聚碳酸酯( PC )以其独特的耐冲击性、耐候性以及质量轻、强度高等特性越来越受到广泛的关注。文中将从聚碳酸酯本身特性、在车身零部件上的应用、改性材料、成型工艺、市场状况等各方面综合描述车用聚碳酸酯材料。

Abstract Polycarbonate o f the optical property w ith its un ique characteristic o f impact resistance, w eather resistance and light w e igh,t high strength is occupy ing increasing ly broad marke.t Acomprehensive description o f automotive polycarbonate materia l is put forw ard from all aspects of its own characteristic, the application in body parts, mod ified m ateria,l mo ld ing technology and market conditions.

主题词 车身 轻量化 成型工艺 聚碳酸酯

1 聚碳酸酯材料

聚碳酸酯( PC )是唯一具有良好透明性的塑料品种, 具有较好的机械强度、耐热性能、耐紫外辐射及耐电综合性能, 耐冲击强度高, 蠕变性小,制品尺寸稳定, 易增强, 无毒卫生, 能着色, 具有良好的性价比和可化学修饰物理改性潜力, 是综合性能优异、用途极为广泛的重要工程塑料品种, 见表1。

表1 PC 的物化特性

密度	1. 20~ 1. 22 g / cm3
颜色、气味	透明, 透光率高达85% ~ 90%; 无定形、无嗅、无味、无毒
热膨胀率	3. 8 *10- 5 cm / cm℃
熔融温度	无明显熔点, 在220 ~ 230 ℃呈熔融状态
强度、刚度	拉伸强度62MPa, 弯曲模量为2. 3 GPa。耐冲击性优异, 拉伸强度、弯曲强度、压缩强度高。蠕变性小, 尺寸稳定
电绝缘性	绝缘优良, 介电系数和介电损耗也小, 具有优良的高频特性
化学稳定性	耐油、耐酸、不耐强碱、氧化性酸及胺、酮类, 溶于氯化烃类和芳香族溶剂, 长期在水中易引起水解和开裂
耐候性	具有良好的耐热性和耐低温性, 在较宽的温度范围内具有稳定的力学性能, 尺寸稳定性, 电性能和阻燃性, 可在- 60 ~ 120 ℃下长期使用
总结 优点	具有较好的机械强度耐, 冲击性优异, 拉伸强度、弯曲强度、压缩强度高; 良好透明性; 蠕变小, 尺寸稳定; 良好的可化学修饰物理改性潜力
总结 缺点	因抗疲劳强度差, 易产生应力开裂; 易被紫外线分解; 抗溶剂性差

2 聚碳酸酯材料在车身零部件上的应用

2. 1 汽车车窗

德国拜耳聚合物和美国GE 塑料公司合资的Exatec公司推出了全球第一个进入市场的聚碳酸酯汽车窗体系Exatec500。该体系具有杰出的耐冲击性、耐候性和耐磨性。GE公司指出, 采用聚碳酸酯汽车窗, 可以革新汽车车窗的设计和安装位置以及开启车窗的机械系统, 加上聚碳酸酯重量比替代材料轻得多和汽车发生碰撞事故时窗户不会伤及人员等优点, 推广应用前景极为看好。

汽车车用透明材料不再是传统石英玻璃和有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)的专有领域, 随着汽车性能的提高, 对透明材料的要求也变得越来越苛刻, PC 材料将逐渐占据汽车车窗玻璃的市场已是大势所趋。据专家估计, 未来10 年内, 新型的PC 汽车玻璃将形成50~ 60亿美元的市场。

聚碳酸酯车窗的优越性能具体体现如下。

( 1) 抗冲击性

聚碳酸酯板材的抗冲强度比普通无机玻璃高250多倍, 比标准聚甲基丙烯酸甲酯玻璃板材高30多倍。撞击试验表明: 一个重1 kg的球状物体以540 km /h的速度撞击15 mm的聚碳酸酯车窗,不会击碎。

( 2) 轻量化

为了拓宽乘车人员的视野, 车窗的面积有增大的趋势, 所以减轻重量就显得尤为重要。在面积增大的情况下, 车窗的密度可由无机玻璃的2. 5 g /cm3降到聚碳酸酯的1. 3 g /cm3, 车窗的厚度由3. 3 mm 增加到4mm, 采用聚碳酸酯后, 车窗玻璃的减重净值可达40%。

( 3) 透光度

透光性是用于玻璃材料的基本特性。在光线由空气层射入材料介质中时, 该材料介质与空气界面间的损耗即光线反射率的大小是影响材料透光性能的因素之一。此时, 光线反射率R 与材料折射率n 之间有如下关系: R = ( n - 1)2/ ( n + 1)2。聚碳酸酯的折射率n = 1. 586 9, 故其R 仅为5. 1% , 表明光线在聚碳酸酯材料与空气界面间的损耗是很小的。因此, 纯净的聚碳酸酯具有良好的可见光透过性能。其透光率与样片厚度有关,样片厚度为2 mm时, 其透光率为90%, 与无机玻璃相当。(汽车玻璃要求的透光度一般在80% 左右)。

( 4) 隔音性

聚碳酸酯隔音性能优良, 16mm厚聚碳酸酯板材隔音性能为21 dB。几种新型车窗玻璃的性能对比见表2。由表中数据可以发现聚碳酸酯光学材料的综合性能远优于其它树脂和无机光学玻璃。

表2 新型车窗性能

指标	带反光的夹层玻璃（双层）	声学树脂层的夹层玻璃（双层）	聚碳酸酯板材	普通玻璃
密度（kg.m2）	41	29	1.7	15
厚度（mm）	29	12.5	10	6
关照系数（%） （静止）	42	41	-	83
传热系数（W*m-2*C-1） （静止）	2.9	4.4	3	57
噪声（dB）	44	44	20	-

( 5) 隔热性

聚碳酸酯具有良好的隔热性能, 与6 mm 的无机玻璃相比, 6 mm的聚碳酸酯板材热损失可减少40% ~ 60% , 而重量仅为无机玻璃的1 /2, 这对降低能源消耗具有重要意义。

2. 2 汽车前车灯

现代汽车前车灯要求造型美观、形状复杂多样, 灯玻璃要有很高的弯曲率, 使用传统玻璃制造前车灯在工艺技术上一直相当困难, 而用聚碳酸酯代替玻璃之后, 就大大降低了加工难度。此外,过去汽车前灯的设计需要采用金属夹片固定灯罩和灯体, 而采用聚碳酸酯后, 这种夹片则非常容易与灯罩设计成一体, 最终结果是其在价格上较无机玻璃更具有竞争力。在汽车设计中, 重量特别是前桥前部的重量与车体制动性能密切相关。由于采用了聚碳酸酯材料, 前车灯罩重量较无机玻璃减轻了0. 5 ~ 1. 4 kg, 因而单就这一点来说, 对整体系统中就已经十分可观了。目前, 世界上许多牌号的汽车如日产、福特、奔驰、沃尔沃等车型均已采用光学聚碳酸酯材料作为其汽车前灯材料。

2. 3 新型薄层车顶原型以及车身

拜耳材料科技公司最近设计出一个创新型薄层车顶原型, 采用特殊的聚碳酸酯类牌号Makro lon& regm AG2677, 该薄层车顶原型具有透明性、密封性, 配有四个聚碳酸酯薄层部分联合起来构成静态透明的车顶外壳( 也采Makro lon& regm AG2677), 而且每个部分可独立开关。这是一种全新的设想和观念, 即采用PC 板和新型防护性涂料制汽车顶盖。在2007年3月日内瓦车展上首次亮相的eXasis,任何人第一眼看到全身透明的它都会以为它是辆玻璃车, 而实际上, 它是由德国拜耳公司使用模克隆聚碳酸酯透明塑料制作而成。

exasis除了在透明体中融合了迷人的流畅轮廓线条外, 还拥有鲜明的自我特色。然而享受过这款车驾驶乐趣的每个人都一致认同的是: 在汽车高速行驶时, 透过透明的地板俯视地面, 绝对惊险刺激。美国GE先进材料公司新近开发出黑暗中能自行发光的聚碳酸酯, 用这种树脂制成的汽车内部各种开关、安全帽等产品能在暗处发光, 可提高在夜间行驶的安全性。该材料是在PC 中加入一种能吸收照明光源或太阳光源的蓄光物质, 只要在光源下暴露几分钟就能发光约2 h。

3 聚碳酸酯改性材料及其在车身零部件上的应用

聚碳酸酯与其他树脂掺混(即PC 合金化)是聚碳酸酯改性的主要手段, 其改性的目的是: 提高冲击强度, 改善缺口敏感性; 降低内应力, 提高抗应力开裂能力; 提高耐溶剂和耐磨损能力; 降低熔体黏度, 改善加工性能; 降低成本等。PC 合金化改性是实现高性能化、提高产品附加值和拓宽PC应用范围的最有效途径。通过加入添加剂或者纤维填料对其进行改性, 可以获得具有某种特定功能的聚合物材料。表3 列出了已经工业化PC 合金的开发应用情况。

表3 聚碳酸酯合金的种类及其用途

合金名称	开发公司	性能特征	主要用途
PC /ABS	Borg-Warner Bayer	冲击强度高, 尤其是低温冲击强度高, 热变形温度高, 耐热性好, 耐化学性、阻燃性及流动性均好。	汽车仪表板, 挡泥板, 保险杠,车舱护盖, 办公机器、电子电器部件、机械零件、头盔等。
PC /PBT 或 PC /PET	GE Bayer BASF Dow 帝人化成 出光石油化学	耐热性好, 耐化学腐蚀性好, 耐磨损, 耐应力开裂, 低温冲击强度高, 成型性好, 尺寸稳定,透明, 易加工,涂饰性好。	汽车保险杠, 车底板, 面板, 缓冲器, 摩托车身护板, 电子电器接插件, 医用器械, 体育用品等。
PC /ASA	Dow 宇部兴产 帝人化成BASF GE	耐热性、耐紫外线性好, 低温冲击强度高, 无应力开裂, 耐候性好, 不变黄。	汽车内装件、反光镜和尾灯外壳, 电子零件,家用咖啡机部件。
PC /PA	Dexter三菱瓦斯化学	耐化学性好, 冲击强度高。	汽车、家电、电子电器零部件,光盘等。
PC /PU	BASF	高强度, 高刚性, 低温冲击强度高, 耐磨损。	汽车保险杠, 挡泥板, 仪表板等
PC /TPU	出光石油化学	优异的低温韧性, 耐化学性能好, 耐磨损, 弹性模量低。	汽车车身部件。

3. 1 PC /ABS) ) ) 汽车内饰

由于PC存在着加工流动性差、易应力开裂、对缺口敏感、易老化和耐磨性差等缺点, 使其在许多领域的应用受到限制。而ABS (丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物)是热塑性树脂, 具有较好的耐化学药品性、良好的成型加工性以及较高的性价比, 缺点是耐热和耐候性差、冲击强度和拉伸强度相对较低。研究表明, PC /ABS 合金可具有PC 和ABS二者的优良性能。一方面它的耐热性、冲击强度和拉伸强度优于ABS; 另一方面它的成本和熔体黏度比PC 低, 加工性能比PC好, 其制品内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性都大大降低。因此, PC /ABS合金在汽车内饰中获得了广泛的应用。表4为PC /ABS合金应用实例。

表4 PC /ABS合金应用实例

材料	牌号	材料特性	应用部件
PC /ABS /弹性体	PC - 10	高韧性、高流动性	汽车仪表盘
PC /ABS	PC - 6	高流动性、耐低温冲击	侧窗防霜器
PC /ABS	PC - 2	高刚性高流动姓、尺寸稳定	杂物箱盖

3. 2 PC /PBT---汽车外饰

PBT是一种结晶性的热塑性塑料, 结晶速度快, 适合于高速成型, 具有耐化学品性、熔体流动性好等优点, 但是缺口冲击强度低, 高负荷下热变形温度低。PC 具有良好的力学性能、耐热性和电性能, 特别是具有良好的耐冲击性能, 但是因PC分子刚性和空间位阻较大, 其熔融温度较高, 加工困难, 难以制得大型薄壁产品, 且制品残余应力大, 易于应力开裂。因此, PC /PBT 二元共混物相对于PBT而言, 可以提高热变性温度和耐高温刚性、降低PBT 的翘度和收缩率, 但对其抗冲击性的改进却不大; 而相对于PC 而言则冲击性能大大下降, 所以多年来PC /PBT 合金一直进展缓慢。近10年来, PC /PBT合金的研究重点转向高韧性、阻燃性, 采用有界面改性作用的弹性体以改善两者间的粘接且力求赋予复合材料高的冲击韧性, 尤其是低温冲击韧性。

利用丙烯酸酯与甲基丙烯酸缩水甘油酯( GMA)双官能化的乙烯类弹性体作为增韧剂, 利用极性官能团之间的相互作用, 改善PC /PBT的相容性, 取得了良好的效果。使PC /PBT合金合金既具有PC 的高耐热性和高耐冲击性, 又具有PBT的耐化学药品性、耐磨性和成型加工性, 因此是制造汽车外装件的理想材料。PC /PBT 汽车保险杠可耐- 30 ℃ 以下的低温冲击, 保险杠断裂时为韧性断裂而无碎片产生。弹性体增韧PC /PBT 合金更适合制作汽车车身板、汽车侧面护板、挡泥板、汽车门框等。高耐热型PC /PBT 合金的注塑外装件可以不用涂漆。

3. 3 PC /PET--- 汽车外饰

PC 与PET部分相容, 二者共混既可保留PC的耐热性, 又可提高共混物的耐溶剂性和耐应力开裂性, 并大大增加体系的流动性, 改进耐溶剂性, 使PC 有更广泛的应用。对于PC /PET 二元共混体系, PET分散相的尺寸、添加剂、温度等对PET 结晶行为和两组分之间的酯交换有较大的影响。

M olinucvo 等采用双螺杆挤出机制备了PC /PET共混物并研究了PET 的成核及结晶行为。PET分散于PC 基体中, PET 微粒分散越小,对结晶的抑制作用越强。Rensch 等人研究了PC /PET共混体系中的各种添加剂如抗氧剂、酯交换促进剂等对玻璃化转变温度及PET 结晶性能的影响, 发现添加剂能提高PET 的结晶速度,玻璃化转变温度较不加添加剂的体系有轻微的偏离。在PC /PET共混体系中加人第三组分如增容剂、弹性体、成核剂及填充剂, 可进一步改善共混物的性能。

PC /PET合金与PC /PBT 合金性质类似, 是制造汽车外装件的理想材料。适合制作汽车车身板、汽车侧面护板、挡泥板、汽车门框等。此外,PC /PET合金还可用来制作汽车排气口和牌照套。

4 聚碳酸酯材料的成型工艺

PC作为一种工程塑料有良好的使用性能, 但它的成型加工却比较困难, 主要是因为其熔融粘度较高, 而且其制品质量对含湿量比较敏感。物料在加工之前必须严格干燥, 使其含湿量在0. 02% 以下。PC 可注塑、挤出、模压、吹塑、热成型、印刷、粘接、涂覆和机加工, 最重要的加工方法是注塑。成型之前必须预干燥, 水分含量应低于0. 02% 。PC在室温下具有相当大的强迫高弹形变能力, 冲击韧性高, 因此可进行冷压、冷拉、冷辊压等冷成型加工。

4. 1 PC的工艺特性

( 1) 流动性: PC 成型时常把流动值(或流动距离、螺旋流动长度) 作为成型性好坏的一个尺度。该值表征PC 在熔融状态下的流动性能。实践证明, 树脂分子量与流动值成反比。

( 2) 流变形: PC在熔融状态下的流变特性接近牛顿型流体, 其粘度与温度、粘度与剪切速率的关系如图1、2所示。

由图1、2可以看出, PC 熔体粘度与温度关系较大, 而与剪切速率关系不大。

( 3) 热稳定性: PC 是工程塑料中热变形温度较高、热稳定性较好的一种。其玻璃化温度依分子量而变化, 范围是145~ 156 ℃。然而, 由于PC分子链中存在酯键, 所以在成型过程中氧气和水分的存在会促进分解。从对PC 作差热分析可看出, 在340℃左右PC 开始氧化, 460 ℃左右是氧化放热峰, 500 ℃开始解聚。因此, 采用注射机或真空排气式挤出机加工PC 是最理想的。

4. 2 注塑成型

PC最重要的加工方法是注塑成型。注塑成型(注射)是使热塑性或热固性模塑料先在加热料筒中均匀塑化, 而后由柱塞或移动螺杆推挤到闭合模具的模腔中成型的一种方法。注塑成型的成型周期短, 成型制品质量可由几克到几十千克, 能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的模塑品。因此, 该方法适应性强, 生产效率高。

影响PC注射成型制品质量的工艺因素主要有模具与设备、制品与嵌件结构、原材料干燥、注射温度、注射速率、注塑压力、成型周期、模具温度、制品后处理等。PC 在注射成型时, 料筒温度在250~ 320℃之间, 注射压力在49. 03~ 78. 45MPa。模具温度在85~ 120 ℃。另外PC 制件如带有嵌件, 嵌件必须加热到200℃以上。否则嵌件周围易产生冷却不均现象而有内应力。注射完毕后应对制件进行退火处理。

4. 3 挤出吹塑成型

用于挤出吹塑成型的PC 属于支链型的树脂(分子量应大于3万, 要采用渐变压缩型螺杆, 长径比1.18~ 24, 压缩比1：2. 5)。与一般线性树脂相比, 它的熔体强度高, 对剪切作用引起的粘度变化不太敏感, 所以有利于挤出管坯壁厚的稳定。

成型工艺过程是先将PC 在干燥设备中按一定要求进行干燥处理, 使水分含量控制在小于0. 02% 。然后用干燥设备把干燥好的PC 自动定量定时地加入带有封闭装置的中空成型机料斗中, 在一定工艺条件控制下, 将物料挤压塑化并挤入机头的储料器中, 通过储料器管坯控制装置控制一次挤出量。挤出的管坯经带有自动控制装置的吹塑模具进行合模、吹胀、冷却定型, 然后开模、制品自动脱模、经修整处理后再检验包装。

5 结语

聚碳酸酯是一种综合性能优良的工程塑料,在透光性、质量轻以及耐冲击性等方面拥有巨大优势, 聚碳酸酯新技术和新合金材料的不断涌现,也使其能够逐渐克服其耐磨性差、表面硬度不足等缺点, 发挥更突出的作用。是汽车提高性能、节能减排、安全达标和实现轻量化的有效途径之一。近年来, 我国加大科研力度, 打破了国外对聚碳酸酯生产技术的垄断, 为今后开发万吨级聚碳酸酯工艺技术, 并加速实现规模产业化奠定了重要的技术基础。

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