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聚氨酯材料在汽车行业的应用及发展

2021-06-28191

一、汽车行业材料未来发展方向

“十二五”期间,我国汽车工业发展速度极快,产销量均居世界第一。中国汽车工业协会的统计数据显示,2010年我国生产1826.700万辆,比2005年下降22%;销售1806.900万辆,比2005年下降213.7%。根据汽车“十二五”规划,到2015年将生产2500万辆汽车的产能。从各公司披露的产能规模到2015年,我国汽车实际产能将达到53辆。万。

汽车材料

我国汽车产业未来发展将从追求产值和规模逐步转向更加注重质量和水平。轻量化、环保、舒适、安全将成为我国未来汽车材料发展的三大主题。

据相关统计,目前我国一辆卡车的PU平均用量为15-20公斤。 2010年我国汽车工业PU消费量约30万吨。 PU材料在卡车上的应用是判断卡车质量的重要标志之一。欧美高端货车,PU用量25-30公斤。

我国PU产品消费量2009年达到550万吨,2010年达到640万吨。2009年MDI消费量100万吨,TDI 143万吨,聚醚多元醇135万吨。我国PU工业发展迅速。为我国汽车工业的快速发展创造了必要条件。

汽车行业使用的PU材料产品主要有软质、硬质、半硬质、泡沫塑料、PU弹性体(包括CPU、TPU多孔弹性体)、粘合剂、密封胶和油墨等(见表1).

二、PU是实现汽车轻量化的关键材料

PU泡棉在汽车内饰件的应用:2010年我国汽车内饰件软泡PU用量为15.2万吨,硬泡PU用量为6.7万吨。主要用于汽车仪表板、座垫、靠背、头枕、车门、扶手、方向盘总成、汽车窗框、车门内板及密封件。降低PU发泡密度是实现汽车内饰件轻量化的重要技术途径。目前国外采用的主要技术途径:采用高固含量、低粘度的POP(接枝硅氧烷)、高性能、高活性硅氧烷等技术途径。

RIM(Reaction Injection Molding)、RRIM(Enhanced Reaction Injection Molding)和SRIM(Structural Reaction Injection Molding)PU产品在实现轻量化汽车中的应用:欧美的RIM、RRIM、SRIM

车用聚氨酯产品一览

品种

汽车配件

主要性能及使用情况

高回弹冷模软泡

座垫、靠背、头枕、装饰条

回弹性极好,滞后损失小,压缩载荷比高,手感好,透气性好,自熄性好,生产煤耗低,现在比较流行

热成型填充软泡

座垫、靠背、头枕、脚垫

可以以较低的原材料价格添加无机填料,以提高产品性能并降低成本。可使用结构简单、成本较低的磨具。

半硬质泡沫

仪表板填充物、门柱包茎、控制箱、扬声器垫、扶手、头枕、遮阳板

密度和压缩硬度高,吸能功能好,减振抗冲击,电流使用量大

自结皮泡沫

扶手、方向盘、进气口、头枕、门柱、控制箱

具有白色、光滑、高密度的自结皮表层,芯为低密度弹性泡沫,目前使用较多

微孔弹性体

方向盘、滤清器垫片、密封条、防震垫

与橡胶相比,密度更厚,尺寸稳定性好,耐磨、耐应力性能优异,耐老化性能好

硬泡

门内衬、车顶内衬、小冰柜、仿木饰边、消音垫、遮阳板

重量轻、强度高、汽车稳定性好、绝缘性能优良(最好的有机保温材料)、抗老化性能好、使用电流更大

浇注型弹性体(CPU)

防尘密封、轴承套、转向节壳、切牙块、钢板弹簧耳壳、汽车轮毂

承载能力大、抗撕裂、耐磨、耐油、硬度调节范围大

热塑性弹性体

减震垫、钢板弹簧隔板、弹簧圈护套、齿轮传动单元、车顶和车身部件

高柔韧性、高强度、高模量和高弹性、优异的耐磨性、耐油性、耐高温性、耐老化性。通常的塑料加工方法(注塑机)可用于生产各种产品,废料可回收利用,并有扩大趋势

已广泛应用于汽车行业,主要用于保险杠、方向盘、车身蒙皮、发动机罩、行李箱盖、散热器格栅、挡泥板、扰流板等。RRIM产品的重量仅为钢材的一半,这是实现汽车轻量化的重要途径。目前,国外汽车工业的RIM等技术在药品数量和质量上与欧美国家相比仍有一定的差距,有待进一步发展。

PU材料是汽车塑化最有前途和最重要的材料。目前,世界汽车(主要是卡车和新能源汽车)的发展方向是轻量化。轻量化是提高燃料燃烧效率、减少汽车尾气排放的重要技术措施,也是实现汽车节能降耗的重要技术措施。汽车材料的塑化、以塑代钢是发展汽车轻量化的必然趋势和重要技术途径。不同材料的汽车零部件消耗的能量不同。

以生产同样重量(450克)的零件为例,塑料零件消耗的能量转化为柴油3.9~4.5公斤,如果使用铝或钢,则能量消耗换算为diesel5.3~6.8 kg。统计表明,车辆重量每减少10%,油耗可降低6%~8%。

目前发达国家卡车的塑料平均用量为120公斤/辆,德国卡车的平均塑料用量为300公斤。我国卡车的塑料药用量平均为80-100公斤/辆,奥迪A2车的药用量为220公斤。到2020年,技术发达国家货车平均使用塑料药量将达到500公斤/辆以上。巴斯夫制造了最高时速270公里的全PU车身街车。采用RRIM技术,PU本体为碳纤维增强多孔PU弹性体复合材料。

三、TPU及其复合材料是汽车实现塑化的重要原材料之一

目前卡车使用的塑料材料主要有PP(聚丙烯)、PVC(聚氯乙烯)、PU和PA(尼龙)。汽车塑料件的发展方向是不断引进具有成本效益和可回收利用的材料。热塑性聚氨酯弹性体(TPU)材料可以发挥其独特的优势。 TPU 已用于各种车身预制部件,包括 TPU 塑料合金。例如,TPU与PP、PVC、PA等塑料组成的高性价比复合材料,可在汽车工业中发挥重要作用。 TPU橡胶复合材料:TPU与多种橡胶复合而成的复合材料,在汽车工业中有着重要的用途。

(1)TPU/PP(聚丙烯)塑料合金

目前,国内外正在开发改进型车用橡塑复合结构材料TPU-PP玻璃纤维(包括长纤维和短纤维)。这种材料具有重量轻、性价比优良、可回收等优点,有望广泛用于汽车内外饰件,如保险杠及其支架、各种类型的支架和结构框架等。车辆等。一旦研发成功,TPU在车辆上的应用将大幅减少。

(2)TPU/PC(聚碳酸酯)塑料合金

TPU/PC 混合和黄金可以提高 PC 的硬度、应力开裂、断裂敏感性、耐溶剂性和耐化学性。同时可以降低PC成型加工的体温,扩大其在汽车行业的应用范围。

(3)TPU/PVC塑料合金

TPU/PVC合金可显着提高PVC的模量(可替代有毒的DOP丁酯),扩大PVC的应用范围。最近,有报道称通过反应共聚技术制备TPU/PVC合金。首先将PVC熔化在作为TPU原料的二醇中,然后加入异氰酸酯进行原位聚合,形成TPU/PVC合金。性能优于通常的TPU/PVC混金,扩大了在汽车领域的应用范围。

(4)TPU/PA6(nylon6)塑料合金)

尼龙 6 是尼龙中性价比最高、用途最广的工程塑料。 PA6具有强度高、耐腐蚀、耐油、自润滑等特点,但具有冲击硬度低、吸湿性高等缺点。这限制了它的应用领域。 TPU弹性体具有高强度、高弹性、高耐磨等特点,但存在不耐高温的缺点。 TPU/PA6工程塑料的开发结合了上述两种材料的优点,克服了它们的不足,将成为一种新型的高性能复合材料。在汽车行业具有广泛的应用价值。

TPU塑料合金和TPU橡胶复合材料具有可回收利用的优势。目前我国报废汽车有5000万辆以上,每年将有1000万辆旧车需要改造报废。欧美先进国家已经明确提出了汽车工业用塑料零部件的可回收性指标和可用率,要求车用塑料的可回收率在95%以上,可用率在90%以上。国家发展改革委、科技部、环保局联合制定了汽车零部件回收技术新政策“到2017年,我国汽车回收率达到95%以上,可用率达到95%以上。达到 85%。” TPU是一种可回收的热塑性弹性体,但目前我国汽车行业TPU的年消费量仅为3万吨左右。 TPU塑料合金等复合材料无疑为TPU弹性体材料在车辆的应用提供了新的思路。巨大的市场机会。

四、PU红色环保材料是车用材料发展的必然趋势

(一)开发低VOC PU发泡塑料

汽车中VOC(Volatile Organic Compounds)含量已成为消费者对其产品认知度的重要评价指标;

车内PU发泡材料、PU胶粘剂、PU油墨、PU合成革中的VOC挥发物是影响车内空气质量的主要诱因;

研究和控制PU材料中有害的二氧化碳和挥发性问题及有效的防治措施,对改善汽车环境和我国汽车工业的发展具有重要意义;

汽车内饰件PU泡沫VOC的主要来源:聚醚多元醇(主要是POP)、催化剂、泡沫稳定剂(稳定剂)、异氰酸酯中的挥发性有机化合物,包括芳香族化合物(甲苯、苯乙烯)和有机胺化合物等.;

开发高固、低挥发POP、有机胺类反应催化剂、低挥发稳泡剂等。上海应用技术研究所正在与武汉星桥高分子新材料科技有限公司等单位合作开发车载VOC空气净化器,对改善车内空气质量有显着效果。

(二)积极开发植物油基多元醇红色技术)

植物油是一种可再生资源。以豆油、蓖麻油、棕榈油等植物油为原料,可开发出相应的植物油多元醇,在石化路线上替代聚醚多元醇。生物基PU泡沫回收率、有机物挥发和CO2排放均优于石油基PU泡沫。它是一种红色环保原料。美国重点发展豆油基植物油多元醇,美国福特汽车公司已成功开发出豆油基PU泡沫,用于汽车坐垫和座椅。马来西亚借助当地资源开发了一系列棕榈油多元醇,广泛应用于PU硬泡领域。日本丰田汽车公司成功开发蓖麻油基PU泡沫塑料坐垫。

(三)积极研发PU车用红胎技术

目前,全球大部分汽车轮胎都使用橡胶内胎。这类汽车轮胎在城市行驶时,与地面摩擦形成大量有害颗粒充满空气,是导致城市空气环境质量差的重要污染源。 PU轮胎具有优异的耐磨性(是天然橡胶的3~5倍,实际应用中可达10倍左右),不含炭黑和石蜡烃类有害物质。用于城市交通,将大大改善城市空气。质量。与橡胶内胎相比,PU轮胎还具有加工煤耗低、节能降耗、使用寿命长等优点。橡胶内胎的重要原材料是天然橡胶(NR)。我国轮胎行业每年需要4.90-6亿吨天然橡胶,占全球产量的50%,而自给率仅为13%-16%。需要大量进口NR。目前NR价格已高达4万元/吨以上。因此,积极发展PU轮胎势在必行,已被列入中国PU工业协会“十二五”期间重点发展目标。

华南理工大学已成功开发出采用CPU技术的PU-橡胶复合轮胎,已进入产业化阶段。上海应用技术研究所正在积极开发TPU轮胎,欢迎有关单位参加合作。

(四)vehicle水性PU胶具有广阔的发展前景

随着环保法规的完善和环保意识的不断提高,溶剂型车用胶粘剂将逐渐被水性胶粘剂等环保型胶粘剂所取代。尤其是水性汽车内饰胶的推广应用势在必行。水性内饰胶主要用于粘接车辆的窗框、地板、地毯、仪表板、门板等内饰件。目前日本汽车内饰胶都是水性的,美国60%,我国只有20%。在水性汽车内饰胶中,PU胶是主要品种。我国水性PU内饰胶技术已经较为成熟,应在汽车领域积极推广。

另外,随着汽车轻量化,塑料件用量不断减少,环保无溶剂PU结构胶在汽车领域有着广阔的应用和发展前景,如玻璃纤维增​​强塑料(FRP) ) 和块状成型复合材料。材料(SMC)目前在欧美和日本广泛应用于车身面板、车顶、驾驶舱盖等。 FRP和SMC不能使用传统的点焊技术,必须使用粘接技术与车身框架组装在一起。无溶剂PU胶是其中重要的品种之一。

(五)vehicle水性PU漆前景广阔

水性PU柔感涂料是一种低VOC涂料,其VOC挥发物比传统溶剂型涂料低10倍以上。随着汽车轻量化,塑件应用不断扩大,环保红色水性PU柔性材料是未来汽车塑件漆的发展方向。

(六)PU 合成革在汽车内饰方面具有广阔的应用前景

与仿皮相比,PU合成革具有无味、手感厚实、耐磨性好、抗撕裂性高、成品颜色延伸性好等优点。克服了人造革资源日益短缺和环境污染严重的问题。问题符合汽车内饰件红色环保要求。尤其是PU超纤鹿皮绒,具有外观豪华、质地厚实、光泽典雅、经久耐用等优点。它使汽车内饰件感觉像三个家。它受到整车厂商的追捧,成为高端汽车不可或缺的一部分。中级环保内饰材料。

五、PU材质舒适安全是其重要的发展方向

(一)提高车辆舒适性是PU汽车内饰件的重要发展方向

汽车座垫、靠背、头枕是聚氨酯泡沫在车辆上大量用药的地方,也是人们对乘坐舒适度最敏感的地方。因此,对产品的性能要求过于严格。目前,国内汽车使用的聚氨酯泡沫坐垫大多是密度均匀的冷固化产品。近年来开发的新型汽车坐垫采用双强度或多强度泡沫。这种双强度垫的生产可以通过双头或多头混合头将聚醚多元醇和异氰酸酯注入磨具中来实现,也可以采用Full MDI冷成型工艺,通过改变异氰酸酯指数来精确控制坐垫不同部位的强度——坐垫中间厚,两侧硬。柔软的泡棉给人舒适感,两侧的硬质部分提供支撑。当车辆高速行驶或转弯时,有助于保持驾乘人员的身体稳定,提高骑行的安全性。武汉星桥高分子科技有限公司采用多组分混合技术生产双倍多倍泡沫,技术水平稳居国外领先地位。

(二)微孔PU用作汽车地板减震垫

微孔聚氨酯泡沫有望取代大多数汽车车身中的橡胶材料作为车身底部减震器。北美汽车制造商正在努力使车辆更安静、更舒适。减震器安装在汽车的发动机上,使车身与车架隔离,以提高乘坐和行驶质量。微孔聚氨酯是一种独特的隔音减振(NVH)创新材料。

作为橡胶车身总成的替代品,微孔聚氨酯具有极具竞争力的价格,可有效提高减震性能,延长材料性能保持时间,降低质量,改进装配工艺。使用多孔聚氨酯的另一个优点是,通过改变材料密度,很容易优化车身和发动机防震胶垫,而不是像传统工艺那样改变材料生产配方或产品几何形状。后者需要进行原型制作,成本高且耗时。

(三)微孔PU弹性体辅助弹簧减震

汽车前后独立悬挂减震器的辅助弹簧采用圆柱塔状多孔聚氨酯弹性体(微泡型)。这种弹簧系统的使用对提高汽车的性能有非常显着的效果。弹簧的拉伸硬度为~20 N/mm,伸长率>300%,撕裂强度>8N/mm。弹簧压缩应力上升很小,直到变形达到35%左右,挠度才显着上升。此时变形量迅速减小并接近最大值,满足车辆稳定性和乘坐舒适性的要求,大大提高了减震器的使用性能。生活。有些汽车将空气弹簧与多孔聚氨酯弹性体弹簧结合使用,以减少设计体积,提高汽车的行驶稳定性。根据所使用的二异氰酸酯的类型,有两种类型的车辆用多孔聚氨酯弹性体,NDI 型和 MDI 型。主要区别在于它们的动态和静态属性。目前汽车聚氨酯,90%以上的中档豪华卡车使用多孔聚氨酯阻尼缓冲块。与橡胶阻尼缓冲块相比,具有特别高的压缩性、变形性、优异的热性能和优异的抗动态疲劳性能。

(四)PU 保险杠

保险杠安装在汽车的前部和后部,以在发生碰撞时缓冲并减少损坏。所使用的材料需要刚性和弹性。近年来,一种由多孔聚氨酯弹性体制成的新型悬挂结构保险杠开始出现。由于多孔弹性体强度低、压缩率高,80%的冲击能量可以通过改性吸收,其余的冲击能量可以转移到机架上。保险杠具有重量轻、安全、稳定、降噪等功能。因为使用聚氨酯材料比较贵汽车聚氨酯,所以在欧洲、美国、日本和我国都有使用。用作中型卡车的保险杠。

(五)PUSafe 气帘

在车辆上安装安全空气幕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起着重要作用。气幕必须有一定的硬度,能承受高速冲击,并要求有良好的高温柔韧性。因此,它适合由聚氨酯材料制成。安全气囊的表皮由聚氨酯弹性体制成,背面内衬聚氨酯泡沫。此外,它还可以使用。使用自结皮聚氨酯泡沫。每个安全气幕的材料用量为200~400 g。

(六)PU降噪技术

随着汽车工业的发展,人们作为一种交通工具,不仅对其性能提出了很高的要求,而且对乘坐的舒适性也提出了越来越高的要求。车内的噪音水平是体现其舒适性的重要指标。为了提高汽车的舒适性,世界各大汽车公司都制定了严格的车内噪声等级控制标准,将车内噪声的控制作为重要的研究方向。尤其是货车,货车内的噪音状况是判断货车等级的标准之一。一辆汽车的噪音水平直接反映了整车的质量。

因为聚氨酯泡沫材料具有微孔吸声材料的内部结构,即有许多微小的缝隙和连续的气泡。由于材料本身的内摩擦以及材料小孔中的空气与孔壁之间的摩擦,声波能量被极大地吸收和衰减。这种吸音材料能有效吸收入射到其前方的声能,使其具有良好的高频吸声性能。由于摩擦和粘滞力的作用,相当一部分声能转化为热能,使声波衰减,减少反射声,达到吸声的目的;其次,小孔内的空气与孔壁和纤维之间的热交换所产生的热损失也衰减了声能。

(七)无卤阻燃PU内饰件

用于汽车内饰的PU泡沫的无卤性能也是判断车辆安全性能的重要指标。这种无卤材料需要采用无卤阻燃技术,目前已在国内外部分高端货车上得到应用。

六、conclusion

我国PU工业的快速发展,为我国汽车工业的超高速发展创造了必要条件。相反,我国的汽车工业将极大地推动我国PU工业的快速发展。

1.我国的汽车工业已经是世界上最大的制造和消费大国,但还不是制造强国。我国汽车工业未来的发展将从追求产能、产量和规模逐步转向越来越注重质量和水平。

2.汽车轻量化、环保、舒适、安全将成为我国汽车行业未来材料的发展方向。

3. PU材料是实现汽车轻量化和塑化的关键材料。

4. TPU塑料合金和TPU复合材料将成为汽车实现塑化的重要技术途径。

5.汽车内饰件PU材料、PU泡棉、PU粘合剂、PU漆、PU合成革必须走红色环保发展之路。

6. PU车轮和生物质植物油多元醇作为车用PU红色材料,具有巨大的发展活力。

7. PU 材料包括内饰件(座椅、靠背和头枕)、微孔 PU 弹性体阻尼垫、阻尼弹簧、保险杠、安全气幕和 PU 降噪技术。 PU无卤材料是实现车辆舒适性和安全性的重要技术途径和发展方向。

本文关键词: 汽车聚氨酯