汽車用聚氨酯發(fā)展方向

1、中國汽車用聚氨酯發(fā)展方向黃茂松，賈潤萍 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院材料科學(xué)與項(xiàng)目學(xué)院，上海 200235）一、汽車工業(yè)用材料的未來發(fā)展方向“十二五 ”期間，我國汽車工業(yè)超高速發(fā)展，產(chǎn)銷量躍居世界第一。來自中國 汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)顯示， 2018 年我國生產(chǎn)汽車 1826.7 萬輛，比 2005 年增長 22%，銷售汽車 1806.9 萬輛，比 2005 年增長 213.7%。按照汽車 “十二五 ”規(guī) 劃，到 2018 年將形成 2500 萬輛產(chǎn)能。從目前各企業(yè)已透露出的產(chǎn)能規(guī)模到 2018 年，我國汽車實(shí)際產(chǎn)能將達(dá)到 5300萬輛。我國汽車工業(yè)未來發(fā)展將由追求產(chǎn)能產(chǎn)量和規(guī)模，將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦幼⒅?質(zhì)量和水

2、平。 輕量化、綠色環(huán)保、舒適安全，將成為我國汽車用材料未來發(fā)展 的三大主題。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前我國一輛轎車，PU平均用量為1520 kg。2018年 我國汽車工業(yè)PU消費(fèi)量30萬t左右。PU材料在轎車上應(yīng)用，是衡量轎車質(zhì)量 一個(gè)重要標(biāo)志之一。歐美高檔轎車，PU 用量 2530 kg。2009年我國PU產(chǎn)品消費(fèi)量達(dá)550萬t，2018年消費(fèi)量達(dá)640萬t。2009年 消費(fèi)MDI 100萬t，TDI 143萬t，聚醚多元醇135萬t，我國PU產(chǎn)業(yè)快速發(fā) 展。為我國汽車工業(yè)高速發(fā)展創(chuàng)造了必要條件。汽車工業(yè)用的 PU 材料制品，主要包括軟質(zhì)、硬質(zhì)、半硬質(zhì)、泡沫塑料、 PU 彈性體 含 CPU、TPU

3、 微孔彈性體）、膠粘劑、密封劑和涂料等見表1 ）。二、PU是實(shí)現(xiàn)汽車材料輕量化的關(guān)鍵材料PU 泡沫在汽車內(nèi)飾件上的應(yīng)用： 2018 年我國汽車內(nèi)飾件 PU 軟泡用量為 15.2萬t，PU硬泡用量為6.7萬t。主要用于汽車儀表盤、座墊、靠背、頭枕、 車門、扶手、方向盤總成、汽車頂棚、門內(nèi)板和密封件等部位。降低 PU 泡沫 密度是實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)飾件輕量化的一條重要技術(shù)途徑。目前國內(nèi)主要采取的技術(shù) 途徑：采用高固含量、低粘度 POPv接枝聚醚）和高官能度、高活性聚醚等技 術(shù)途徑。RIMv反應(yīng)注射成型）、RRIMv增強(qiáng)反應(yīng)注射成型）和 SRIMv結(jié)構(gòu)型反應(yīng)注射成型）PU制品在汽車實(shí)現(xiàn)輕量化上的應(yīng)用： RI

4、M、RRIM和SRIM在歐美 表1汽車聚氨酯制品一覽表品種汽車零部件主要性能高回彈冷模塑軟泡座墊、靠背、頭枕、裝飾條優(yōu)異的回?zé)崮Ｋ芗犹盍宪浥葑鶋|、靠背、頭枕、足墊原材料價(jià)半硬泡儀表盤填充劑、門柱包皮、控制箱、喇叭座墊、扶手、頭枕、遮陽板具有較咼自結(jié)皮泡沫扶手、方向盤、空氣擾流板、頭枕、門柱、控制箱具有光潔微孔彈性體方向盤、濾清器密封墊、密封條、防震墊和橡膠相硬泡門板內(nèi)襯、頂蓬襯里、小冰箱、仿木飾條、消音墊、遮陽板重量輕、澆注型彈性體CPU）防塵密封、軸承套、轉(zhuǎn)向節(jié)襯套、門齒塊、鋼板彈簧吊耳襯套、汽車輪胎承載能力熱塑性彈性體減震墊塊、鋼板彈簧隔墊、彈簧線圈護(hù)套、齒輪傳動(dòng)裝置單、頂蓬和車身部件高模

5、量、汽車工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用，主要用于保險(xiǎn)杠、方向盤、車身壁板、發(fā)動(dòng)機(jī) 罩、行李箱蓋、散熱器格柵、檔泥板、擾流板等。RRIM制品的重量只有鋼的一半，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的一個(gè)重要途徑。目前國內(nèi)汽車工業(yè)RIM等技術(shù)，與歐美相比在用量和質(zhì)量上尚存在一定差距，有待進(jìn)一步加強(qiáng)開發(fā)。PU材料是汽車實(shí)現(xiàn)塑料化的最有發(fā)展前途的重要材料。目前世界汽車主要是轎車和新能源汽車）的發(fā)展方向是輕量化。輕量化是提高燃油燃燒效率和 降低汽車尾氣排放，也是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要技術(shù)措施。而汽車材料的塑 料化，以塑代鋼，是汽車輕量化的發(fā)展必然趨勢(shì)和重要技術(shù)途徑。不同材料的 汽車零部件，耗能不同。以生產(chǎn)重量相同450克）的零部件為

6、例，采用塑料件所耗能源折合汽油 3.94.5 kg,若采用鋁或鋼，所耗能源折合汽油5.36.8 kg。統(tǒng)計(jì)顯示，汽車自重每減輕10%，燃油消耗可降低6%8%。目前技術(shù)發(fā)達(dá)國家轎車平均塑料用量120 kg/輛，德國轎車平均塑料用量300 kg。我國轎車平均塑料用量 80100 kg/輛，奧迪A2型汽車用量為220 kg。 到2020年，技術(shù)發(fā)達(dá)國家轎車平均塑料用量將達(dá)到 500 kg/輛以上。BASF制造 了全PU車身跑車，其最高時(shí)速可達(dá) 270 km。采用了 RRIM技術(shù)，該P(yáng)U車身 是一種碳纖維增強(qiáng)微孔PU彈性體復(fù)合材料。三、TPU及其復(fù)合材料是汽車實(shí)現(xiàn)塑料化的重要原料之一目前在轎車中應(yīng)用的

7、塑料件材料主要是卩卩聚丙烯）、PVC聚氯乙烯）、PU和PAV尼龍）四種材料。汽車塑料件的發(fā)展方向是不斷推出性價(jià)比優(yōu)良、并 可回收再生的材料。而熱塑性聚氨酯彈性體 <TP U ）材料可發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 TPU 已被用于汽車車體的多種構(gòu)件，包括 TPU 塑料合金，如 TPU 與 PP、 PVC、 PA 等塑料構(gòu)成性價(jià)比優(yōu)良的復(fù)合材料，可在汽車工業(yè)中發(fā)揮重大作用。 TPU 橡膠復(fù)合材料： TPU 與多種橡膠構(gòu)成的復(fù)合材料在汽車工業(yè)中具有重要用 途。<1） TPU/PP< 聚丙烯）塑料合金目前國內(nèi)外正在開發(fā)針對(duì)汽車 TPU-PP玻纖 <包括長纖和短纖）的增強(qiáng)橡塑 復(fù)合結(jié)構(gòu)材料

8、，此種材料具有質(zhì)輕、性價(jià)比優(yōu)良、可回收等優(yōu)點(diǎn)，可望能廣泛 用于汽車內(nèi)外飾件，如保險(xiǎn)杠及其支架，車上各種支架和結(jié)構(gòu)框架等，一旦開 發(fā)成功，則 TPU 在汽車上的應(yīng)用將大幅增大。<2） TPU/PC< 聚碳酸酯）塑料合金TPU/PC共混合金可改善PC的韌性、應(yīng)力開裂性、斷口敏感性、耐溶劑、 耐化學(xué)品性，同時(shí)可降低 PC 的成型加工溫度，在汽車工業(yè)擴(kuò)大了其應(yīng)用范 圍。<3） TPU/PVC 塑料合金TPU/PVC合金可明顯提高 PVC伸長率 <可替代有毒的DOP增塑劑）擴(kuò)大 了 PVC 應(yīng)用領(lǐng)域。近來報(bào)導(dǎo)反應(yīng)性共混技術(shù)制備 TPU/PVC 合金。首先將 PVC 溶解在 TPU

9、 的原 料二元醇中，隨后加 入異氰酸酯進(jìn)行原位聚合， 形成 TPU/PVC 合金，性能優(yōu)于一般的 TPU/PVC 共混合金，在汽車領(lǐng)域，擴(kuò)大了應(yīng) 用范圍。<4）TPU/PA6V尼龍6）塑料合金尼龍6是尼龍中性價(jià)比最優(yōu)、用途最廣的項(xiàng)目塑料。PA6具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐油和自潤滑性優(yōu)良等特點(diǎn)，但存在沖擊韌性不高、吸濕性較大缺點(diǎn)。 因而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。 TPU 彈性體具有高強(qiáng)度、高彈性、高耐磨性等特點(diǎn)， 但存在耐溫性不高的缺點(diǎn)。開發(fā) TPU/PA6 項(xiàng)目塑料綜合了上述兩種材料的優(yōu) 點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)，將是一種新型高性能復(fù)合材料。在汽車工業(yè)具有廣泛的應(yīng)用 價(jià)值。TPU 塑料合金和 TPU 橡膠復(fù)合

10、材料均具有可回收再利用優(yōu)點(diǎn)，目前我國 已有 5000 多萬輛廢舊車輛，每年將有 1000 萬輛舊車需進(jìn)行改造和作廢。歐美 先進(jìn)國家對(duì)汽車工業(yè)用塑料件明確提出了可回收率指標(biāo)和可利用率，要求汽車 塑料可回收率達(dá)到 95%以上、可利用率達(dá)到 90%以上。我國發(fā)改委、科技部、 環(huán)保局聯(lián)合制定了汽車部件回收利用技術(shù)政策 “到 2018 年我國汽車可回收率要 求達(dá)到95%以上、可利用率達(dá)到 85%。TPU是一種可回收的熱塑性彈性體， 但是目前TPU在我國汽車工業(yè)上的年消費(fèi)量只有 3萬t左右，TPU塑料合金等 復(fù)合材料無疑給新型 TPU 彈性體材料在汽車上的應(yīng)用提供了新的巨大市場(chǎng)機(jī) 遇。四、PU 綠色環(huán)保材

11、料是汽車用材料發(fā)展必然趨勢(shì)一）開發(fā)低 VOC PU 泡沫塑料汽車車內(nèi)VOCv有機(jī)揮發(fā)物）含量已成為消費(fèi)者對(duì)其產(chǎn)品認(rèn)知度的重要評(píng) 價(jià)指標(biāo)；車內(nèi) PU 泡沫材料、 PU 膠粘劑、 PU 涂料、 PU 合成革等中 VOC 揮發(fā)物是影 響車內(nèi)空氣質(zhì)量的主要因素；研究和控制 PU 材料中有害性氣體和揮發(fā)性問題以及有效防范措施對(duì)車內(nèi)環(huán) 境改善，對(duì)我國汽車工業(yè)發(fā)展均具有重大意義；汽車內(nèi)飾件用 PU 泡沫塑料 VOC 主要來源：聚醚多元醇 主要是 POP）、 催化劑、勻泡劑 穩(wěn)定劑）、異氰酸酯中揮發(fā)性有機(jī)物包括芳香族化合物甲苯、苯乙烯）和有機(jī)胺類化合物等；開發(fā)高固、低揮發(fā)性 POP、有機(jī)胺反應(yīng)性催化劑、低揮發(fā)

12、性勻泡劑等。上 海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院正在與武漢興橋高分子新材料科技公司等單位合作，開發(fā) 一種車內(nèi) VOC 空氣凈化器，對(duì)提高車內(nèi)空氣質(zhì)量具有明顯效果。二）積極開發(fā)生物質(zhì)植物油基多元醇綠色技術(shù) 植物油是可再生資源，利用如大豆油、蓖麻油、棕櫚油等植物油為原料， 可開發(fā)相應(yīng)的植物油多元醇，以替代石化路線的聚醚多元醇。生物基 PU 泡沫 循環(huán)利用率、有機(jī)物揮發(fā)以及 CO2 排放量均優(yōu)于石油基 PU 泡沫，是一種綠色 環(huán)保原料。美國重點(diǎn)開發(fā)大豆油基植物油多元醇，美國福特汽車公司已成功地 開發(fā)成了大豆油基 PU 泡沫，用于汽車座墊和座椅靠背。馬來西亞利用當(dāng)?shù)刭Y 源，開發(fā)出一系列棕櫚油多元醇，廣泛應(yīng)用于 PU 硬

13、泡領(lǐng)域。日本豐田汽車公 司已成功開發(fā)了蓖麻油基PU泡沫塑料座墊。三）積極開發(fā) PU 汽車綠色輪胎技術(shù) 目前全球汽車輪胎絕大部分采用橡膠輪胎。此種汽車輪胎在城市行駛時(shí)， 因?yàn)榕c地面摩擦產(chǎn)生大量有害物質(zhì)顆粒散發(fā)于空氣中，是造成城市空氣環(huán)境質(zhì) 量差的重要污染源。 PU 輪胎具有極為優(yōu)異的耐磨性 是天然橡膠的 35 倍，實(shí) 際應(yīng)用高達(dá) 10 倍左右），不含炭黑和石蠟烴類有害物質(zhì)，用于城市交通、必將 極大改善城市空氣質(zhì)量。 PU 輪胎比橡膠輪胎還具有加工能耗低、節(jié)能減排和使 用壽命長等優(yōu)勢(shì)。橡膠輪胎的重要原料是天然橡膠VNR），我國輪胎工業(yè)每年需NR 490600萬t，占全球產(chǎn)量50%，而自給率只有13

14、%16%，大量需進(jìn)口 NR，目前NR價(jià)位已高達(dá)4萬元/t以上。因此積極開發(fā) PU輪胎已勢(shì)在必行， 已列入中國 PU 工業(yè)協(xié)會(huì) “十二五 ”期間重點(diǎn)開發(fā)對(duì)象。華南理工大學(xué)采用 CPU技術(shù)，成功地開發(fā)了 PU-橡膠復(fù)合輪胎，已處于 產(chǎn)業(yè)化階段。上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院正積極開發(fā) TPU 輪胎，歡迎有關(guān)單位參加合 作。四）車用水性 PU 膠粘劑發(fā)展前景廣闊 隨著環(huán)保法規(guī)的健全以及環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，溶劑型車用膠黏劑將會(huì)逐 漸被環(huán)保型膠粘劑，如水基膠黏劑所取代。尤其是水基汽車內(nèi)飾膠的推廣應(yīng)用 已勢(shì)在必行。水基內(nèi)飾膠主要用于粘合汽車頂棚、地板、地毯、儀表板、門板 等內(nèi)飾件。目前，日本汽車內(nèi)飾膠全部達(dá)到水性化，美

15、國為60%，我國僅為20%。在水性汽車內(nèi)飾膠中， PU 膠為主要品種。我國水性 PU 內(nèi)飾膠技術(shù)已日 趨成熟，應(yīng)積極推廣在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用。此外，隨著汽車輕量化，塑料件用量不斷增加，環(huán)保型無溶劑 PU 結(jié)構(gòu)膠 黏劑在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用發(fā)展前景廣闊，如玻纖增強(qiáng)塑料 VFRP ）和片狀模塑復(fù)合 材料SMC）目前在歐美、日本已被廣泛用于汽車車身面板、頂棚、座艙頂蓋 等。 FRP 和 SMC 不能使用傳統(tǒng)焊接技術(shù)，與車身構(gòu)架組裝，必須采用粘結(jié)技 術(shù)。無溶劑 PU 膠黏劑是其中重要品種。五）車用水性 PU 涂料發(fā)展前景光明水性 PU 柔感涂料是一種低 VOC 涂料，比傳統(tǒng)溶劑型涂料 VOC 揮發(fā)物低PU10倍

16、以上。隨著汽車輕量化，塑料件應(yīng)用不斷擴(kuò)大，環(huán)境友好型綠色水性 柔性材料是未來汽車塑料件涂料發(fā)展方向。六）PU合成革在汽車內(nèi)飾上應(yīng)用前景廣闊PU 合成革與真皮相比，具有無味、手感柔軟、耐磨性好、抗撕裂強(qiáng)度高、 成品色牢度好等優(yōu)點(diǎn)，并克服了真皮資源日趨緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，符 合汽車內(nèi)飾件綠色環(huán)保要求。尤其是 PU 超纖仿鹿皮絨具有外觀豪華、質(zhì)感柔 軟、優(yōu)雅光澤和耐用性好等優(yōu)點(diǎn)，使汽車內(nèi)飾件有了居室感覺，已得到汽車生 產(chǎn)商的青睞，成為高檔汽車不可缺少的高級(jí)內(nèi)飾環(huán)保材料。五、PU材料舒適安全是其重要發(fā)展方向一）提高汽車舒適性是PU汽車內(nèi)飾件重要發(fā)展方向汽車上座墊、靠背、頭枕是聚氨酯泡沫塑料在汽車

17、上用量很大的部位，也 是人們乘坐舒適性最敏感的地方，因而對(duì)產(chǎn)品的性能要求也很嚴(yán)格。目前，國 內(nèi)汽車用的聚氨酯泡沫座墊大多為均一密度的冷熟化產(chǎn)品。近幾年發(fā)展起來的 新型汽車座墊采用的是雙硬度或多硬度泡沫，這種雙硬度座墊的生產(chǎn)既可以采 用聚醚多元醇和異氰酸酯經(jīng)由雙頭或多頭混合頭注入模具來實(shí)現(xiàn)，也可以采用 全MDI冷模塑工藝，通過改變異氰酸酯指數(shù)來準(zhǔn)確控制座墊不同部位的硬度 一 座墊中部柔軟、兩側(cè)較硬。軟泡沫給人以舒適感，兩側(cè)堅(jiān)硬部分提供支撐性 能，當(dāng)汽車高速行駛或轉(zhuǎn)彎時(shí)，有助于保持駕駛員和乘客的身體穩(wěn)定，提高乘 坐的安全性。武漢興橋高分子科技有限公司已采用多組分混合技術(shù)生產(chǎn)出雙硬 度和多硬度泡沫，

18、技術(shù)水平在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位。二）微孔 PU 用作汽車底板減振墊微孔聚氨酯泡沫塑料有望在大多數(shù)車體中替代橡膠材料用作車身底板減震 墊。北美汽車制造廠正在努力使汽車更加安靜和舒適。減震墊安裝在車的底盤 上，用于隔離車體與框架，以改善乘車及駕駛質(zhì)量。微孔聚氨酯是獨(dú)特的隔 音、消振NVH ）的革新材料。微孔聚氨酯作為橡膠車體裝配的替代品，具有競(jìng)爭(zhēng)性的價(jià)格，能有效地改 善減震性能、延長材料性能保持時(shí)間、減輕質(zhì)量，并且改善了組裝工藝。使用 微孔聚氨酯的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過改變材料密度，可方便地使車身底盤防震膠 墊最佳化，而不是像傳統(tǒng)工藝那樣必須通過改變材料生產(chǎn)配方或產(chǎn)品幾何形狀 來調(diào)整。后者需制作原型，成本

19、高且費(fèi)時(shí)。三）微孔 PU 彈性體輔助彈簧減震器 轎車的前、后獨(dú)立懸掛減振器用輔助彈簧，由圓柱狀塔形微孔聚氨酯彈性 體（微發(fā)泡型 制成，采用此種彈簧系統(tǒng)對(duì)提高車輛性能有特別明顯的效果。彈 簧的拉伸強(qiáng)度20N/mm、伸長率300%、撕裂強(qiáng)度8N/mm。彈簧壓縮應(yīng)力上 升很少，直到形變達(dá)到 35左右時(shí)應(yīng)力才明顯上升，此時(shí)形變則迅速增加接近 最大值，滿足了汽車形式平穩(wěn)性和乘坐舒適性的要求，大大提高了減振器的使 用壽命。有的車輛采用空氣彈簧與微孔聚氨酯彈性體彈簧配合使用，以縮小設(shè) 計(jì)體積、提高車輛的行駛穩(wěn)定性。車用微孔聚氨酯彈性體按其所用二異氰酸酯 的類型有NDI型和MDI型兩種，其主要區(qū)別在于它們的動(dòng)

20、態(tài)性能和靜態(tài)性能。 目前超過 90%的高級(jí)豪華轎車都采用微孔聚氨酯減振緩沖塊，與橡膠減振緩沖 塊相比，它具有非常高的可壓縮性、變形能力和優(yōu)良的力學(xué)性能以及突出的耐 動(dòng)態(tài)疲勞性。四）PU保險(xiǎn)杠 保險(xiǎn)杠安裝于車前、車后，碰撞時(shí)起到緩沖、減少損傷的作用，所用材料 要求既具有剛性又具有彈性。近年來，開始出現(xiàn)采用微孔聚氨酯彈性體制作的 新型懸架結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠，因?yàn)槲⒖讖椥泽w硬度低、壓縮率高，通過變形能夠吸收 80%的沖擊能量，其余的沖擊能量可轉(zhuǎn)移到底架上，這種保險(xiǎn)杠具有質(zhì)輕、安 全、平穩(wěn)、消音的功效。因?yàn)槭褂镁郯滨ゲ牧现圃靸r(jià)格較貴，因此，在歐、 美、日和我國。將它用作高級(jí)轎車的保險(xiǎn)杠。五） PU 安全氣囊

21、在汽車上安裝安全氣囊是現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)保護(hù)駕駛員的 生命安全有著重大作用。安全氣囊必須具有一定的強(qiáng)度，能夠承受高速的沖 擊，還要求有較好的低溫柔韌性，因此適合采用聚氨酯材料來制作，氣囊的皮 層選用聚氨酯彈性體，背面襯以聚氨酯泡沫，此外也可以使用自結(jié)皮聚氨酯泡 沫塑料每個(gè)安全氣囊的材料用量為 200400 g。六） PU 降噪技術(shù) 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車作為一種代步工具，人們不僅對(duì)其性能提出了 高要求，而且對(duì)其乘坐舒適性也提出了越來越高的要求，車內(nèi)的噪聲水平是體 現(xiàn)其舒適性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。為了提高車輛的舒適性，世界各大汽車公司都對(duì) 車內(nèi)噪聲水平制定了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，將車內(nèi)噪聲的控制作為重要的研究方 向。特別是轎車，車內(nèi)噪聲狀況更是衡量轎車檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一，汽車的運(yùn)動(dòng)噪 聲水平直接反映了整車質(zhì)量水平。因?yàn)榫郯滨グl(fā)泡材料具有多孔吸聲材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即具有許多微小的間 隙和連