(下)中国汽车用聚氨酯材料发展方向

2012-05-14

    3.4 PU汽车绿色轮胎具有巨大市场发展空间

    PU轮胎具有高耐磨性、高负载能力、高撕裂强度和耐切割、耐穿刺等突出优点,长期以来已成为PU和轮胎业界开发的热点。PU轮胎与普、通轮胎相出具有以下优点:耗油量平均低10%胎面磨耗低35%;③重量轻30%;④滚动阻力低35%;⑤安全性和均匀性好,不会出现胎面剥离现象等。PU轮胎制造工艺无三废污染,属绿色环保轮胎。美国Ameritye Corporation是全球知名PU轮胎制造商。目前PU轮胎主要用于慢速轮胎如残疾车、轮椅车、电动助力车、铲车、儿童手推车和工程机械车用工程轮胎。此外PU翻新轮胎应用前景也十分广阔;但PU轮胎存在内生成热大、耐高温性差、制动性能差等缺点,轿车高速轮胎目前尚未得到正式应用。

    目前全球汽车轮胎绝大部分采用橡胶轮船。汽车橡胶轮胎在城市行驶时,由于与地面摩擦产生大量有害物质颗粒散发于空气中,是造成城市空气.环境质量差的重要污染源。橡胶轮胎的重要原料是天然橡胶(NR),我国轮胎工业每年需NR490-600t,占全球产量50%,而自给率只有13%-16%,需大量进口NR,目前NR价位已高一达4万元/t以上。PU轮胎不含炭黑和石蜡烃类有害物质,用于城市交通必将极大改善城市空气质量,因此积极开发PU轮胎已势在必行。根据中国PU工业协会十二五发展规划,需重点发展内生成热小、动态力学性能优良的PU轮胎材科,并使PU汽车轮胎满足低滚动阻力、高抗湿、性和高耐磨性三大行驶性能要求。

    华南理工大学采用CPU技术,成功地开发了PU-橡胶复合轮胎,已处于产业化阶段。黎明化工研究院也开发成了工艺和力学性能优良的PU实芯轮胎,可望替代进口。

    3.5 水性PU胶黏剂和涂料是发展方向

    随着环保法规的健全以及环保意识的不断增强,溶剂型车用胶黏剂将会逐渐被环保型胶黏剂(如水基胶黏剂)所取代。尤其是水基汽车内饰胶的推广应用已势在必行。水基内饰胶主要用于黏合汽车顶棚、地板、地毯、仪表板、门板等内饰件。目前,日本汽车内饰胶全部达到水性化,美国为60%,我国仅为20%。在水性汽车内饰胶中,PU胶为主要品种。我国水性PU内饰胶技术已日趋成熟,应积极推广在汽车领域中应用。

    此外,随着汽车轻量化,塑料件用量不断增加,环保型无溶剂PU结构胶黏剂在汽车领域中应用发展前景广阔,如玻纤增强塑料(FRP)和片状模塑复合材料(SMC)目前在欧美、日本已被广泛用于汽车车身面板、顶棚、座舱顶盖等。FRPSMC不能使用传统焊接技术,与车身构架组装,必须采用粘接技术。无溶剂PU结构胶黏剂是其主要品种。

    由于汽车上大量使用塑料件,故开发了一种能与车身相匹配的塑料件用水性柔感涂料。水性PU柔感涂料是一种低VOC涂料,VOC挥发物达到传统溶剂型涂料1/10以下。随着汽车轻量化,塑料件应用不断扩大,环境友好型绿色水性PU柔性材料是未来汽车塑料件涂料发展方向。

    3.6 PU合成革和超纤革在汽车内饰上应用前景广阔

    PU合成革与真皮相比,具有无味、手感柔软、耐磨性好、抗撕裂强度高、成品色牢度好等优点,并克服了真皮资源只趋紧张、环境污染严重的问题,符合汽车内饰件绿色环保要求。尤其是PU超纤皮革具有外观豪华、质感柔软、优雅光泽和耐用性好等优点,使汽车内饰件有了居室感觉,已得到汽车生产商的青睐,成为高梢汽车不可缺少的高级内饰环保材料。

    据中国汽车工艺协会报道,2010年汽车内饰件和坐椅皮革用量达到1.1亿m2。在全球汽车内饰件市场,PU超纤皮革应用于中高档汽车已很普遍,其中日本为最典型代表。由此可见,国内外车用PU超纤皮革发展前景十分广阔。

    4 舒适安全性是车用PU材料的重要发展方向

    4.1 提高汽车坐垫舒适性是PU材料的重要发展方向

    汽车上坐垫、靠背、头枕是聚氨酯泡沫塑料在汽车上用量最大的部位,也是人们乘坐舒适性最敏感的地方,因而对产品性能要求十分严格。目前,国内汽车用聚氨酯泡沫坐垫大多为均一密度的冷熟化产品。近几年发展起来的新型汽车坐垫采用的是双硬度或多硬度泡沫,这种双硬度坐垫的生产可采用聚醚多元醇和异氰酸酯经由双头或多头混合头注入模具来实现,也可采用全MDI(二苯甲烷二异氰酸酯)冷模塑工艺,通过改变异氰酸酯指数来准确控制坐垫不同部位的硬度——坐垫中部柔软、两侧较硬,PU泡沫给人以舒适感,两侧坚硬部分提供支撑性能,当汽车高速行驶或转弯时,有助于保持驾驶员和乘客的身体稳定.提高乘坐的舒适性。德国宝马汽车采用双硬度PU泡沫塑料坐垫,达到了提高舒适性效果。

    4.2 微孔PU弹性体减震垫和缓冲止位块是改进汽车舒适性的重要技术途径

    微孔聚氨酯弹性体有望在大多数车体中替代橡胶材料用作车身底板减震垫。减震垫安装在车的底盘上,用于隔离车体与框架,以改善乘车及驾驶质量。微孔聚氨酯弹性体具有独特的隔音、消振的性能优势。

    微孔聚氨酯弹性体作为橡胶车体装配的替代品,具有竞争性的价格,并能有效地改善减震性能、减轻质量、延长材料使用寿命,此外还改善了组装工艺。使用微孔聚氨酯弹性体的另一个优点是,通过改变材料密度,可方便地使车身底盘防震垫最佳化,而不是像传统橡胶工艺那样必须通过改变材料生产配方或产品几何形状来调整。后者需制作模具,成本高且费时。

    轿车的前、后独立悬挂系统减振弹簧,学名止位块,由圆柱状塔形微孔聚氨酯弹性体制成,采用此种弹簧系统对提高车辆舒适性能有特别明显的效果。弹簧的拉伸强度约20N/mm、伸长率>300%、撕裂强度>8N/mm。弹簧压缩应力上升很少,直到形变达到35%左右时应力才明显上升,此时形变则迅速增加接近最大值,满足了汽车稳定性和乘坐舒适性的要求。车用微孔聚氨酯弹性俸按其所用二异氰酸酯的类型有NDI(1,5-萘二异氰酸酯)型和MDI2种,其主要区别在于它们的动态力学性能和静态力学性能。目前超过90%的高级豪华轿车都采用微孔聚氨酯减振缓冲块,与橡胶减振缓冲块相比,它具有非常高的可压缩性、变形能力和优良的力学性能以及突出的耐动态疲劳性。BASF生产的Cellasto车用缓冲止位块产销量全球第一,已在上海建立生产基地。上海凯众聚氨酯有限公司是国内最早生产止位块的企业。

    4.3 PU降噪技术

    随着汽车工业的发展,汽车作为一种代步工具,人们不仅对其性能提出了高要求,而且对其乘坐舒适性也提出了越来越高的要求,车内的噪声水平是体现其舒适性的一项重要指标。为了提高车辆的舒适性,世界各大汽车公司都对车内噪声水平制定了严格的控制标准,将车内噪声的控制作为重要的研究方向。特别是轿车,车内噪声状况更是衡量轿车档次的标准之一,汽车的运动噪声水平直接反映了整车质量水平。

    由于聚氨酯发泡材料具有多孔吸声材料的内部结构,即具有许多微小的间隙和连续的气泡,由于材料本身的内摩擦和材料小孔中的空气与孔壁问的摩擦,使声波能量受到很大的吸收并衰减,这种吸声材料能有效地吸收入射到它上面的声能,这就使它具有良好的高频吸声性能。由于摩擦和黏滞力的作用,使相当一部分声能转化为热能,从而使声波衰减,反射声减弱达到吸声的目的;其次,小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失,也使声能衰减,达到了降噪效果。

    4.4 PU保险杠和安全气囊是确保汽车安全性能的重要手段

    保险杠安装于车前、车后,碰撞时起到缓冲、减少乘员损伤的作用,所用捌料要求既具有刚性又具有弹性。采用微孔聚氨酯弹性体制作的保险杠,由于微孔弹性体硬度低、压缩率高,通过变形能够吸收80%的冲击能量,其余的冲击能量可转移到底架上,这种保险杠具有质轻、安全、平稳、消音的功效。在欧、美、日和我国已将它用作高级轿车的保险杠。

    在汽车上安装安全气囊是现代汽车工业发展的必然趋势,对保护驾驶员的生命安全有着重大作用。安全气囊必须具有一定的强度,能够承受高速的冲击,还要求有较好的低温柔韧性,因此非常适合采用聚氨酯材料来制作,气囊的皮层选用聚氨酯弹性体,背面衬以聚氨酯泡沫,此外也可以使用自结皮聚氯酯泡沫塑料。每个安全气囊的材料用量为200-400g2010年我国汽车用安全气囊2亿个。

    4.5 无卤阻燃PU内饰件是提高汽车防火安全性能的重要条件

    汽车内饰件用PU泡沫塑料的阻燃性自%也是衡量汽车安全性能的一个重要指标。此种阻燃材料需采用无卤阻燃技术,目前在国内外一些高档轿车中已得到应用。

    5 结束语

    汽车轻量化、绿色环保和舒适安全,将成为我国汽车工业用材料未来重要发展方向。PU材料是实现汽车轻量化和塑料化的关键材料。纤维增强聚氨酯复合材料具有比强度大、减振、隔音性能优良、成型工艺多样简便等优点。其性价比和制造工艺优于通用树脂基复合材料,是车用PU材料重要发展方向。生物基PU材料具有综合力学性能优良、耐热性高,性价比优于聚乳酸等生物降解塑料,也是车用PU材料重要发展方向。TPU合金、TPU橡胶、TPU-纤维、TPU-纳米材料等TPU复合材料具有综合性能优良、性能可调、加工方便、性价比高等优点,在汽车工业中其有广泛的应用价值。PU汽车轮胎具有高耐磨性、高负载能力、高撕裂强度,以及耐切割、耐穿刺和低滚动阻力等突出优点,市场空间巨大。水性PU胶黏剂和涂料以及PU超纤草等车用PU材料应用前景将越来越广阔。双硬度PU泡沫塑料坐垫、PU微孔弹性体减震垫、PU缓冲止位块和PU降噪材料是提高汽车舒适性的重要技术途径。PU保险杠、PU安全气囊和无卤阻燃PU内饰件是确保汽车安全性的重要手段。

    感谢国家自然科学青年基金项目(NSFC21106083)、上海市自然科学基金项目(09ZR14342001、上海市教委项日(10Y2182)和上海市教委重点学科(J51504)的资助。

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