汽車材料輕量化之PU/TPU材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

一.PU是實(shí)現(xiàn)汽車材料輕量化的關(guān)鍵材料

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(guó)內(nèi)主要采取的技術(shù)途徑：采用高固含量、低粘度POP（接枝聚醚）和高官能度、高活性聚醚等技術(shù)途徑。

RIM（反應(yīng)注射成型）、RRIM（增強(qiáng)反應(yīng)注射成型）和SRIM（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：RIM、RRIM和SRIM在歐美

表1 汽車聚氨酯制品一覽表

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(pán)、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(guó)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(kāi)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）的零部件為例，采用塑料件所耗能源折合汽油3.9~4.5 kg，若采用鋁或鋼，所耗能源折合汽油5.3~6.8 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(guó)家轎車平均塑料用量120 kg/輛，德國(guó)轎車平均塑料用量300 kg。我國(guó)轎車平均塑料用量80~100 kg/輛，奧迪A2型汽車用量為220 kg。到2020年，技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)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。

二.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)用的塑料件材料主要是PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PU和PA（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（TPU）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(guó)內(nèi)外正在開(kāi)發(fā)針對(duì)汽車TPU-PP玻纖（包括長(zhǎng)纖和短纖）的增強(qiáng)橡塑復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)率（可替代有毒的DOP增塑劑）擴(kuò)大了PVC應(yīng)用領(lǐng)域。近來(lái)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/PA6（尼龍6）塑料合金

尼龍6是尼龍中性價(jià)比最優(yōu)、用途最廣的工程塑料。PA6具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐油和自潤(rùn)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(kāi)發(fā)TPU/PA6工程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)合材料均具有可回收再利用優(yōu)點(diǎn)，目前我國(guó)已有5000多萬(wàn)輛廢舊車輛，每年將有1000萬(wàn)輛舊車需進(jìn)行改造和作廢。歐美先進(jìn)國(guó)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(guó)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2017年我國(guó)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(guó)汽車工業(yè)上的年消費(fèi)量只有3萬(wàn)t左右，TPU塑料合金等復(fù)合材料無(wú)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。

三.PU綠色環(huán)保材料是汽車用材料發(fā)展必然趨勢(shì)

1.開(kāi)發(fā)低VOC PU泡沫塑料

汽車車內(nèi)VOC（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(wèn)題以及有效防范措施對(duì)車內(nèi)環(huán)境改善，對(duì)我國(guó)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(lái)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(kāi)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)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(kāi)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。

2.積極開(kāi)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(kāi)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(guó)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)大豆油基植物油多元醇，美國(guó)福特汽車公司已成功地開(kāi)發(fā)成了大豆油基PU泡沫，用于汽車座墊和座椅靠背。馬來(lái)西亞利用當(dāng)?shù)刭Y源，開(kāi)發(fā)出一系列棕櫚油多元醇，廣泛應(yīng)用于PU硬泡領(lǐng)域。日本豐田汽車公司已成功開(kāi)發(fā)了蓖麻油基PU泡沫塑料座墊。

3.積極開(kāi)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)，由于與地面摩擦產(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3~5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(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。橡膠輪胎的重要原料是天然橡膠（NR），我國(guó)輪胎工業(yè)每年需NR 490~600萬(wàn)t，占全球產(chǎn)量50%，而自給率只有13%~16%，大量需進(jìn)口NR，目前NR價(jià)位已高達(dá)4萬(wàn)元/t以上。因此積極開(kāi)發(fā)PU輪胎已勢(shì)在必行，已列入中國(guó)PU工業(yè)協(xié)會(huì)“十二五”期間重點(diǎn)開(kāi)發(fā)對(duì)象。

華南理工大學(xué)采用CPU技術(shù)，成功地開(kāi)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(kāi)發(fā)TPU輪胎，歡迎有關(guān)單位參加合作。

4.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(mén)板等內(nèi)飾件。目前，日本汽車內(nèi)飾膠全部達(dá)到水性化，美國(guó)為60%，我國(guó)僅為20%。在水性汽車內(nèi)飾膠中，PU膠為主要品種。我國(guó)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(wú)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（FRP）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(wú)溶劑PU膠黏劑是其中重要品種。

5.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10倍以上。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PU柔性材料是未來(lái)汽車塑料件涂料發(fā)展方向。

6.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(wú)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(wèn)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(jué)，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。

四.PU材料舒適安全是其重要發(fā)展方向

1.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(guó)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以采用全MDI冷模塑工藝，通過(guò)改變異氰酸酯指數(shù)來(lái)準(zhǔn)確控制座墊不同部位的硬度— — 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，技術(shù)水平在國(guó)內(nèi)居于領(lǐng)先地位。

2.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(pán)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(zhǎng)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(guò)改變材料密度，可方便地使車身底盤(pán)防震膠墊最佳化，而不是像傳統(tǒng)工藝那樣必須通過(guò)改變材料生產(chǎn)配方或產(chǎn)品幾何形狀來(lái)調(diào)整。后者需制作原型，成本高且費(fèi)時(shí)。

3.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~20 N/mm 、伸長(zhǎng)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)態(tài)性能和靜態(tài)性能。目前超過(guò)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。

4.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(lái)，開(kāi)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，由于微孔彈性體硬度低、壓縮率高，通過(guò)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。由于使用聚氨酯材料制造價(jià)格較貴，因此，在歐、美、日和我國(guó)。將它用作高級(jí)轎車的保險(xiǎn)杠。

5.PU安全氣囊

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(lái)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200~400 g。

6.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(lái)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。

由于聚氨酯發(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續(xù)的氣泡，由于材料本身的內(nèi)摩擦和材料小孔中的空氣與孔壁間的摩擦，使聲波能量受到很大的吸收并衰減，這種吸聲材料能有效地吸收入射到它上面的聲能，這就使它具有良好的高頻吸聲性能。由于摩擦和粘滯力的作用，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲波衰減，反射聲減弱達(dá)到吸聲的目的；其次，小孔中的空氣和孔壁與纖維之問(wèn)的熱交換引起的熱損失，也使聲能衰減。

7.無(wú)鹵阻燃PU內(nèi)飾件

汽車內(nèi)飾用PU泡沫塑料的阻燃性能也是衡量汽車安全性能的一個(gè)重要指標(biāo)。此種阻燃材料需采用無(wú)鹵阻燃技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)外一些高檔轎車中已得到應(yīng)用。

五.結(jié)論

 我國(guó)PU產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為我國(guó)汽車工業(yè)超高速發(fā)展創(chuàng)造了必要條件。反之，我國(guó)汽車工業(yè)將極大拉動(dòng)我國(guó)PU產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1. 我國(guó)汽車工業(yè)已是全球最大制造和消費(fèi)大國(guó)，但不是制造強(qiáng)國(guó)。我國(guó)汽車工業(yè)未來(lái)發(fā)展將由追求產(chǎn)能、產(chǎn)量和規(guī)模逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦�加注重質(zhì)量和水平。

2. 汽車輕量化、綠色環(huán)保和舒適安全，將成為我國(guó)汽車工業(yè)用材料未來(lái)發(fā)展方向。

3. PU材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和塑料化的關(guān)鍵材料。

4. TPU塑料合金和TPU復(fù)合材料將是汽車實(shí)現(xiàn)塑料化的重要技術(shù)途徑。

5. 汽車內(nèi)飾件PU材料、PU泡沫塑料、PU膠黏劑、PU涂料和PU合成革必須走綠色環(huán)保發(fā)展之路。

6. PU汽車輪胎和生物質(zhì)植物油多元醇，是汽車PU綠色材料，具有巨大的發(fā)展生命力。

7. PU材料包括內(nèi)飾件（座椅、靠背頭枕）、微孔PU彈性體減振墊、減震彈簧、保險(xiǎn)杠、安全氣囊和PU降噪技術(shù)、PU阻燃材料是實(shí)現(xiàn)汽車舒適安全的重要技術(shù)途徑和發(fā)展方向。