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“以塑代鋼”推動汽車非金屬材料發展

作者:admin來源:環球塑化網 日期:2017-12-7 10:30:08 人氣: 標簽:

  近年來,我國汽車產業不斷發展壯大,作為全球最大的汽車消費市場,2016年汽車產銷突破2800萬輛,連續8年位居全球第一。隨著汽車產銷量的增長,以及相關技術的進步,中國汽車產業站在了轉型升級的關口。按照“中國制造2025”以及《汽車產業中長期發展規劃》的要求,既要加大力度推進新能源汽車的發展,也要做好傳統內燃機汽車的節能減排工作,并將電子信息技術廣泛應用在汽車上,以信息化手段促進汽車工業發展。另外備受矚目的《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》政策已經于今年9月底正式公布,該政策將于2018年4 月 1 日正式實行。在雙積分政策背景下,中外車企大力發展節能與新能源汽車已經是大勢所趨,而汽車非金屬材料在這一過程中扮演著十分重要的角色。

  為促進我國汽車非金屬材料及制品技術水平的提高,中國汽車工程學會汽車非金屬材料分會于11月28日-30日在哈爾濱舉辦了以“輕量化、功能化、環保化”為主題的年會,以促進行業經驗分享、開闊科技人員技術視野、增強自主創新意識和技術積累。

  “以塑代鋼”的輕量化之路

  中國制造2025明確提出,到2020年,乘用車新車整體油耗降至5升/100公里,2025年,降至4升/100公里左右。到2020年,商用車新車油耗接近國際先進水平,到2025年,達到國際先進水平。而據國際研究機構實驗表明,如果汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%至8%;汽車整備質量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3至0.6升。因此,在保證汽車的強度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質量,從而提高汽車的動力性,減少燃料消耗成為各車企的發展潮流。

  在汽車非金屬材料分會第七屆年會上,中國一汽新能源開發院材料與輕量化所處長鄭虹指出:“目前中國汽車行業成為全球汽車產業中的重要力量,汽車強國的夢想正在逐漸變成現實,為了推進汽車行業的綠色發展,國家出臺了一些列汽車產業發展政策,尤其是雙積分政策,必然改變各大汽車企業的產品結構,而非金屬材料的開發和應用,具有極大的輕量化優勢,既能緩解汽車企業在這兩方面的壓力,又能給非金屬行業提供更多的機遇,必將促使行業創新技術,開創汽車產業快速轉型升級、推動自主品牌全面振興。”

  近年來汽車輕量化成為降低汽車排放、提高燃燒效率的有效措施,也是汽車材料發展的主要方向,汽車非金屬材料的用量也隨之上升,其中塑料和彈性體在車身輕量化方面具有舉足輕重的作用。

  在車用塑料市場方面,無論是外裝飾件、內裝飾件,塑料用量都在不斷地增加。并且隨著工程塑料硬度、強度、拉伸性能的不斷提高,塑料車窗、車門、骨架甚至更多的汽車關鍵性部件都在采用塑料,因此以塑代鋼是汽車輕量化重要的發展趨勢之一。

  按地域劃分,車用塑料制品在汽車領域的應用主要分布在美國、西歐、日本和中國;按塑料制品類型劃分,在汽車上應用最多的是工程塑料和通用塑料,其中聚丙烯制品在各大地域的應用是最廣泛的;聚氨酯作為發泡材料在汽車行業中的應用也十分廣泛,根據IHS Markit 數據顯示,聚氨酯在各個國家汽車材料中占兩成左右,汽車內飾上聚氨酯用量非常之大。IHS Markit化工部副總監徐徐認為:“聚氨酯泡沫消費量按地區分布的話,中國無疑是最大的市場,個人認為,聚氨酯材料是汽車用非金屬材料中受市場波動影響最小的,預測未來幾年內,聚氨酯材料在汽車用量當中還會正增長。”

  彈性體在汽車領域可以分為兩大類:一類是輪胎應用還有一類是非輪胎的應用。汽車輪胎市場是橡膠最大的終端市場,基本上有70%的橡膠用于了輪胎市場。中國在天然橡膠和合成橡膠市場都占據最大比例,因此,中國是全球最大的橡膠市場,這也是受我國最近幾年汽車產業和輪胎產業蓬勃發展的影響。我國的天然橡膠與合成橡膠的消費量巨大,但是自給能力呈現截然相反的狀態。

  在非輪胎應用領域,三元乙丙橡膠和熱塑性聚烯烴彈性體有著廣闊地應用。數據顯示,2001年至2015年,全球乙丙橡膠產量和汽車產量走勢基本平行,某種程度上,EPDM的生產狀態也可以反映整個汽車市場的狀態。但是我國的EPDM產能相對較低,依賴于進口。

  隨著“以塑代鋼”輕量化思路的深度應用,介于橡膠和塑料之間的熱塑性彈性體的研發與應用也越來越成熟、越來越廣泛。2016年全球熱塑性彈性體消費量, 已經達到了600萬噸,TPE的發展與汽車產業的發展有很大關系,因為TPE的總消費量分布中,有43-44%是用于汽車行業。其中廣泛應用于密封條和導槽的TPV 產品在未來市場具有挖掘的潛力。

  總而言之,汽車輕量化是全球汽車市場發展的必由之路,據高盛集團預測,到2025年,整車制造企業生產的每輛車將減重約200公斤以滿足相應需求。在眾多的輕質化材料中,橡塑材料作為非金屬材料,在汽車輕量化中將起到越來越重要的作用。

  安全環保與輕量化不可偏廢其一

  2014年,全球交通運輸業的碳排放量占到了29%,是僅次于重工業的能源企業,說明汽車工業在碳排放比例中占到了相當大的比例,而汽車非金屬材料作為輕量化的有效手段被越來越普遍地應用。與此同時,汽車非金屬材料的蓬勃發展,也要重視一些問題。

  隨著消費者對車內氣味VOC的要求不斷提高,車內空氣質量強標的推進,內飾件VOC管控成為各主機廠、內飾件產業面臨的挑戰。

  在汽車VOC這一塊,隨著國家強標的修訂工作的持續進行,以及車內空氣質量首次納入了國六的管理,對于整車企業來說,控制整車企業的VOC符合法律標準的壓力越來越急迫。車內氣味是各大主機廠最為關心的一塊領域,無論是第三方研究機構發布的研究報告還是消費者的投訴情況來看,車內氣味作為消費者對于車型主觀化的一個評價,對于車企來說,如何改善車內空氣質量也是非常重要的。

  中國汽車技術研究中心數據資源中心王雷認為:“在汽車研發階段是不會出現問題的,它出現問題是在量產過程中某一批次的產品,因為工料的問題造車了車內氣味讓消費者不舒服。”

  汽車零部件和車內裝飾材料中所含有害物質的釋放,包括汽車使用的塑料和橡膠部件、織物、油漆涂料、保溫材料、粘合劑等有可能會造成VOC的超標。這些材料中的揮發性物質可以在汽車使用過程中不斷釋放,持續幾個月甚至幾年。有研究表明,按照新國標要求的限值,整車VOC超標主要集中表現為乙苯、二甲苯超標,其中密封條、天窗、門鎖、座椅、頂襯、工藝膠對整車VOC含量有很大“貢獻”,因此這些部件也是整車VOC控制的重點零部件。

  王雷介紹:“對于企業來說要做到整車VOC的一個管控,不管是VOC還是氣味我們會把目標分解到主要的二三十種內飾的零件,再逐級分解到初始的原材料,就是我們的車內非金屬材料,對于大多數整車企業來說,管控體系已經基本建立完備了,采取逐級篩選,縱向管控的方式,整車企業達到VOC國家標準的壓力并不是很大,企業的重心放在怎么在國家標準的基礎上,更進一步的提升整車的VOC性能。”

  另一方面,在整車VOC的控制中,對原材料的優化是根本措施,但同時除原材料本身的配方對VOC的影響較大外,零件的成型工藝和后處理工藝也會影響零部件的揮發物含量,因此VOC的控制從原材料的合成、改性、加工、零件的制作、裝配、存儲、運輸,零件在整車上的裝配,設計制造全環節都會影響到整車的VOC。VOC的整改需要整個產業鏈的變革和管控力度的加強來支持。

  除此之外,建立統一的材料檢測標準以及明確的評價指標也不可缺少。

  生物材料與3D打印技術前景廣闊

  在汽車環保與輕量化的目標之下,對于新材料和新工藝的開發越來越得到企業的重視。而生物材料和3D打印技術的進步給汽車產業帶來更光明的前景。

  在生物材料方面,采用聚乳酸PLA+PC、大豆發泡聚氨酯等生物材料,是公認的環保型友好材料,這樣可以盡量降低二氧化碳的排放,降低汽車車內的空氣污染。創辦于1985年的鑫達集團,已經成功將生物基材料應用于輕量化,鑫達集團董事總經理代汝軍介紹說:“生物基材料將玉米、甘蔗等作為淀粉的來源合成聚乳酸,作為可降解的材料分解成水和二氧化碳。另外植物纖維的應用也可以降本減重,比如稻殼兒、秸稈都可以磨成粉添加到材料中,不僅達到輕量化的要求,還可以降低成本。”

  鑫達除研發生物材料外,還聚焦3D打印技術的開發。3D打印技術源于上世紀七十年代的美國,是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘和材料,通過逐層打印的方式來構造物體的新型成型技術。3D打印技術相較于傳統技術,具有多樣化、節省材料、制造技能簡單等特點,是具有顛覆性的技術。

  全球3D打印市場在2013年的市值是23億美元,有望在2020年達到86億美元,其復合年均增長率為20.6%,同時,醫療、航空、汽車、教育等領域將成為3D打印市場的最大增長點。據了解,到2022年全球醫療3D打印市場規模將達到38.9億美元。市場研究公司Allied Market Research通過一份報告給出了預測,未來5年,汽車3D打印市場將以21.8%的復合年均增長率快速發展,最終到2022年全球規模達23.9億美元。

  代汝軍談到3D打印技術在汽車領域的應用時說道:“一輛車從規劃設計、定型生產、中期改款到最終下線,過程中需要經歷多次修改、驗證,在此期間需要進行制造許多樣件,傳統方法采用快速成型技術,耗時高、成本高,而利用3D打印技術可有效降低成本,縮短研發周期。”

  在整車設計環節,與3D打印技術結合的案例有東風公司采用3D打印技術打印整套汽車內飾,裝配在樣車上供專業人員對外觀進行評審,也開放到車展上供觀眾參觀并收集觀眾意見,以用于后期的設計優化參考。吉利汽車采用3D打印技術制作了空調HVAC總成和風道總成,綜合測試空調系統的風量大小、風量非配的合理性、除霜風口出風方向風速的準確性。3D打印技術除了在設計階段、樣件的制造外,可以直接生產車用的外飾件、內飾件、功能件等,比如標致Fractal概念車在車內飾上使用了大量的3D打印的零部件……

  作為專業從事高分子復合材料研發生產銷售的企業,鑫達的產業規劃是打造中國汽車用高分子復合材料產銷第一;另外在創新生物可降解材料方面打造從丙交酯、聚乳酸到復合乳酸產業鏈最全,中國行業內產銷第一;而且要達到創新高分子材料3D打印耗材品種最全,國內行業產銷量第一。

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