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高分子材料在汽车轻量化方面的应用


2011中国汽车用塑料及绿色发展 高峰论坛
一 汽车轻量化 二 聚烯烃弹性体(POE、TPO)的应用(陶氏) 三 可再生资源材料的应用(杜邦)

四 泰科纳塑料在汽车工业上的应用

一 汽车轻量化
可持续发展 节能低碳 环保(回收)

汽车燃料油,占石油总消耗的35%; 汽车排放CO2,占人类活动C

O2的20%;

解决之道: 汽车轻量化

汽车重量 ? 10% ? 100 公斤 ? 100 公斤

效果 燃油效率可提高 6%~8% 油耗可降低 0.3~0.6 L/100 km CO2排放,降低5~8 g/km

巴斯夫 致力于汽车轻量化解决方案
巴斯夫应用于汽车行业的产品
动力系统和底盘
特性化学品

内饰
特性聚合物

外饰
聚氨酯

电子设备
催化剂

安全
涂料

环境

汽车轻量化的技术路线

低密度的轻质高性能材料 精益化结构设计 紧凑化的集成设计,减小部件体积

低密度工程塑料所带来的减重效应




减重预估
7.8
2.7 2.0 1.36
0 2 4
密度 in g/cm3

以塑料代替钢,制品重 量降低潜力达 50%以上 以塑料代替铝,制品重 量降低 40%



聚酰胺
(PA6, 30% glass fiber)

? 已经考虑为补偿材料刚性 降低而采取的设计措施
? 典型塑料件壁厚设计: 2.5mm ~ 3.0 mm

6

8

10

巴斯夫低密度聚氨酯泡沫产品

座椅泡沫

顶棚

仪表板背泡

方向盘

地毯底层

BASF 对比材料

35g/l

22g/l

110g/l

320g/l

50g/l

40g/l

30g/l

150g/l

400g/l

60g/l

减轻重量,但是决不牺牲性能!

巴斯夫Ultrasim?技术指导下的结构设计

Topological Optimization Design Space

Part Design

Ultrasim?

Filling simulation

Performance evaluation by failure criteria

Fiber orientation
Stress simulation material model Ultrasim

精益化设计:减重效果的最大保证

计算机模拟与实际结果非常吻合
20000

模拟计算出的断裂载荷 15 kN
15000

实测的断裂载荷 15,0 – 15,3 kN

10000 载荷[N]

5000

0

0

10

20

30

40

50

位移 [mm]

紧凑化的集成设计帮助缩小部件体积

紧凑型设计

利用塑料的高度设计自由 度实现高度功能集成

巴斯夫汽车轻量化的成功经验
轻质结构 利用塑料节省40%的重量
前端模块 (概念设计) 发动机悬置 (欧宝) 车身结构嵌件 (标致)

下保险杠加强筋 (欧宝)

概念座椅 (Smart)

油底壳 (福特)

变速箱支架 (宝马)

在线喷涂翼子板 (戴姆勒)

传统汽车动力总成中的金属部件: 总重量 10.8 kg…
气门室罩盖

进气歧管

油底壳

3256 g

1908 g

2297 g

587 g 发动机悬置

316 g 发动机悬置 油滤外壳

614 g

1910 g
扭力杆

如果替换成塑料件,可以减重3.2 kg, 减重 幅度达到30%!
气门室罩盖 进气歧管 油底壳

发动机悬置

发动机悬置

油滤外壳

扭力杆

在内外饰系统中也有很多潜在的 金属替代减重可能性

金属件

塑料件

翼子板

安全气囊外壳

踏脚板

马达外壳

以蜂窝结构聚氨酯制造的轻质结构

优点: 减重效果高达 20-60% 高强度 成型周期短 耐候性好 隔音隔热保温
目标应用: 座舱后搁架 行李仓底板 备用轮胎盖板 天窗 衣帽架

Artega 跑车:全聚氨酯 R-RIM 外饰

30% less weight than comparable cars

LFI – 长纤维注射成型聚氨酯

+

长纤维注射成型聚氨酯应用

车身外部件 车顶模块(Smart fortwo) 后座盖(丰田,通用) 前格栅(曼) 牵引车引擎盖(Fendt, JCB, CASE, 卡特彼勒, Same) 可获得高亮表面 类似于 Al的热膨胀性能 高平面硬度 明显减轻重量达30%以上 (与SMC对比)
43

二 聚烯烃弹性体(POE、TPO)的应用(陶氏)

? ENGAGETM 聚烯烃弹性体(POE)及其 应用 ? ENGAGE? XLT 新一代TPO材料高效 增韧剂

Dow Elastomers

ENGAGETM POE 在汽车外部件上的应用

ENGAGETM POE - 硬质TPO 应用于后车保险杠

ENGAGETM POE - 硬质TPO 应用于车身前翼板

ENGAGETM POE – 硬质TPO

应用于车身测擦条、脚踏板

ENGAGETM POE - 硬质TPO
应用于前车保险杠

Dow Elastomers

ENGAGETM POE 在汽车内部件上的应用
ENGAGETM POE – 硬质TPO ENGAGETM POE – 软质TPO 应用于车内支柱 ENGAGETM POE – 硬质/软质TPO 应用于内部门板 应用于仪表板/表皮

ENGAGETM POE – 软质TPO
应用于控制台

ENGAGETM POE – 硬质TPO 应用于护膝垫板

TPO材料的发展趋势
– 更轻
? 更薄 ? 发泡

– 在相似韧性条件下强度更高
? 满足更薄部件的强度要求

– 表面美观度
? 减少虎皮纹

...我们新一代TPO增韧剂的用武之地!

??Trademark

ofThe Dow Chemical Company (“Dow”) or an affiliated company of Dow

19

Dow Elastomers

新型增韧剂的实验与对比
材料 ? C-700-35 抗冲共聚聚丙烯 ?Jetfill? 700C 滑石粉 ? 弹性体见下表 ? Irganox? B-225 主副抗氧剂混合
抗冲改性弹性体
弹性体 共聚单体 密度 (g/cc)
0.870
0.863

熔融指数a

DSC 玻璃 化转变温 度 (°C)
-65
-55

ENGAGE TM XLT

辛烯
辛烯

0.5
0.5

ENGAGE TM 8180

a b

190oC/2.16 kg 200oC/5 kg

??Trademark

ofThe Dow Chemical Company (“Dow”) or an affiliated company of Dow

21

Dow Elastomers

TPO配方设计
组分 (wt%) C-700-35 (抗冲聚丙烯)
TM ENGAGE 8180 (对比) TM ENGAGE XLT Jetfil 700 C (滑石粉) Irganox B-225 (抗氧剂)

E8180 - 20.7 XLT - 20.7 59.3 59.3 20.7 -20 0.2 -20.7 20 0.2

? Coperion ZSK-25 Mega挤出机 ? 样品在相同条件下注塑

??Trademark

ofThe Dow Chemical Company (“Dow”) or an affiliated company of Dow

22

Dow Elastomers

Mechanical Properties: Types of rubber

? XLT 显示出更好的冲击性能和断裂伸长率.
??Trademark

ofThe Dow Chemical Company (“Dow”) or an affiliated company of Dow

23

三 可再生资源材料的应用(杜邦)
杜邦生物基材工程塑料
Performance 性能

DuPont? Renewably Sourced?
PI PEI PEEK PES PPS PAR LCP PSU HTN Sorona? EP PA66+ TPC-ET Zytel? RS POM PA Hytrel? RS PET PBT PP HDPE LDPE

杜邦可再生资源材料
Zytel? RS HTN

特种工程塑料

工程塑料

PC MPPO

通用塑料

ABS PS

SMA PMMA PVC SAN

Amorphous

Crystalline

Hytrel? RS thermoplastic
elastomer for injection and Extrusion 热塑性弹性体用于注塑和挤出件

内饰织物

Cerenol?
for polyurethane parts

Zytel? RS polyamides
for injection and Extrusion

长链聚酰胺可用于注塑和挤出件 Sorona? EP
PTT polyester for molded parts

BioFuels 生物燃油

Sorona?
for carpets and mats PTT聚酯纤维用于地毯和垫子

PTT聚酯用于注塑件

Sorona? EP – 丰田出风口样件 - 已商业化
成本优势 – 免喷涂Sorona? 样件 取代玻纤增强PBT 用于前面板出 风口处

自由设计 – Sorona? 机械性能比
PBT强 选择Sorona材料的原因 Sorona? 2045G, 45% 玻纤增强 料,同时具有优异的机械性能和
45% glass filled Sorona?EP Sorona?2045G

表观

Sorona? 产品生命周期分析
Sorona? 与尼龙6 生命周期分析结果比较(按 ISO 标准) ? 含 37%可再生资源成分 ? 减少 63% 温室气体排放 ? 减少30%能量消耗及减少 21%水消耗. 主 要 ISO 14000-系列文件 :
? ? ? ? ? ISO-14040 ISO-14044 ISO-14047 ISO-14042 ISO-14048 ISO-14049 Environmental management- Life cycle assessment- Principles and framework Environmental management- Life cycle assessment- Requirements and guidelines Environmental management- Life cycle impact assessment- Examples of application of

Environmental management- Life cycle assessment- Data documentation format Environmental management- Life cycle assessment- Examples of application of ISO14041 to goal and scope definition and inventory analysis

Holistic Approach:
Evaluate the impact of all upstream and downstream products and processes. 评估涉及所有上游和下游产品及加工过程 Third party certified. 第三方认证

Sorona? 纤维商业化应用例子
丰田汽车 小型豪华版用车 60% 织物使用杜邦Sorona 纤维
? headliner 头枕 ? sun visor 遮阳板 ? other fabric covered surfaces 其它纤维覆盖物 ? floor mats. (Also on Prius). 脚垫 (Prius中也同样使用Sorona 织物)

Zytel? RS 长链尼龙
? 由蓖麻油中提炼的癸二酸制成PA610 (60%来源于生 物基材)和PA1010(100% 来源于生物基材) ? 可应用于单丝,消费产品,运动产品,手持通讯设 备,汽车等领域 ? 高性能聚酰胺具有高柔性,韧性,热性能和超强耐化 学品性能继耐水解性能 ? 与PA11,PA12 相比,具有相当或更低的成本 燃油管路 散热器末端水箱罩盖(水室)

气刹管

油管连接头

冷冻液管路

Hytrel? RS 热塑性弹性体
与常规 Hytrel? 具有相同性能 ? 优异的弹性和低温柔韧性 ? 有益的饶曲疲劳性 ? 优良的耐化学性和耐油性 ? 高撕裂强度,韧性,回弹性 和抗冲性 ? 应用于运动产品,家具和 消费品中
安全气囊盖

在 Hytrel? RS产品中, 其软段部分石油基来源的聚 醚由生物基材的聚醚替代

70 60 50

40
30

%renewablecontent
20 10 0 30 40 50 60 70

shore D hardness 可再生成分含量与Hytrel? 硬度成反比

Hytrel? RS 可能应用
性能与常规 Hytrel? TPE 相同
其他热塑性弹 性体需要柔软 触感的应用

CVJ boot

安全气囊盖

Over molded parts (门锁)

等速万向节防尘罩

进气 管

软管和管材 (真空软管)

空气制动软管

Ticona Delivers Automotive Solutions 四 泰科纳塑料在汽车工业的应用
Speaker Grills 音响格 (POM) Mirrors 后视镜 (POM, Polyester, LFRT) Instrument Panel 仪表盘 (LFRT) Safety Systems 安全系统 (POM, Polyester, LCP, LFRT) Sun Roof Systems 天窗系统 (POM, Polyester, PPS, LFRT) Seating Systems 座椅系统 (POM, Polyester, LFRT) Fuel Systems 油路系统 (POM, PPS) Door Lock Systems 门锁系统 (POM, Polyester) Window Winders 门窗升降系统 (POM, Polyester, LFRT) Door Module 门模块 (POM, LFRT, Polyester) Auto Electrical Systems 车载电子系统 (Polyester, PPS, LCP, POM)

Wiper Systems 雨刷系统 (POM, Polyester, LFRT) Power Distribution Box 传动系统 (LFRT, Polyester) Under the Hood Applications 发动机部件 (PPS, Polyester, LCP, POM, LFRT)

Front End Module 前端模块 (LFRT, Polyester)

Battery Tray 电池支架 (LFRT, Polyester)

Airbag 安全气囊 (Polyester)

Under Body Covers 底盘盖 (LFRT, Polyester)

Example of Weight and Fuel Reduction – Door Module
减重及减少燃料消耗案例 – 门模块

Steel

Celstran? PP

~8 kg per vehicle weight reduction and ~4% lower fuel consumption 每辆车减重8公斤,能耗减少4%

Charge air duct (hot side) Fortron 1115L0 净气管

? Suitable up to 230° C 恒温在 230°C ? Weight reduction of approx. 30% compared to aluminium 比铝减重30% ? Diesel engines 柴油引擎 ? OEM: VW

Structural and Appearance Applications 结构件和表观件
Structural parts 结构件

Appearance parts 表观件

Potential Weight Reduction with Seat Systems 座椅系统的减重潜力
Light weight structure in Celstran PA 66-GF50-01 使用Celstran PA 66-GF50-01减重结构

Potential development with PP-LFT PP-LFT潜在应用

塑料在汽车上的应用现状
塑料用量/车 发达国家 200 kg ~ 300 kg 占汽车总重 22% ~ 26% 内饰件 基本塑料化 其他 外饰件、车身、

结构件
中国 部分 很少

80 kg ~ 150 kg

8% ~ 12%

综上,国内汽车用新材料的开发和应用前景广阔


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