聚碳酸酯材料在轻质车身中的应用

工艺 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 收稿日期 : 2009 - 12 - 07 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。 【Ab s trac t】　Polycarbonate of the op tical p roperty with its unique characteristic of impact resist2 ance, weather resistance and light weight, high strength is occupying increasingly broad market. A comp rehensive descrip tion of automotive polycarbonate material is put forward from all aspects of its own characteristic, the app lication in body parts, modified material, molding 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1。 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 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 62 MPa,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 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 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 ·54·　上海汽车 　2010102 工艺材料 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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 4 mm,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 , 16 mm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·m - 2 ) 41 29 1. 7 15 厚度 (mm) 29 12. 5 10 6 光照系数 ( % ) (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 Makrolon®µ 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 Makrolon®µ 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 ·64· 上海汽车 　2010102　　 工艺材料 料制汽车顶盖。 在 2007年 3月日内瓦车展上首次亮相的 eX2 asis,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。 3. 1　PC /AB S———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 表 3　聚碳酸酯合金的种类及其用途 合金名称 开发公司 性能特性 主要用途 PC /ABS Borg2Warner 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 BayerBASF 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。 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 /AB S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 /PB T———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 ·74·　上海汽车 　2010102 工艺材料 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。Molinucvo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。 图 1　PC表观粘度与温度的关系 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 ·84· 上海汽车 　2010102　　 工艺材料 图 2　PC表观粘厦与剪切速率的关系 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. 45 MPa。 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。 参考文献 1　范存良. 聚碳酸酯的生产与应用 [ J ]. 化工技术经济 , 2003, 21 (10) : 11. 2　吴景诚. 聚碳酸酯车窗技术开发现状及展望 [ J ]. 中国塑料 信息 , 2002 , 72: 72. 3　徐炽焕. 聚碳酸酯及光学塑料的应用开发 [ J ]. 江苏化工 , 2000, 28 (5) : 26. 4　Valero G. 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