全塑汽車尾門材料的研究進展

宋偉華，梁娜，王華，何璟，姚晨光

(合肥杰事杰新材料股份有限公司，安徽合肥 230601)

0 引言

近年來，各國陸續制定和實施了越來越嚴格的燃油經濟性和排放法規。美國從1990年開始執行Tier 0排放標準；1994年開始執行Tier 1排放標準；從1999年開始執行Tier 2排放標準，此后多次對其中的限值進行了相應的調整。歐洲從1993年開始實施歐洲I號(EU I)法規，沿用至今的歐III、歐IV、歐V、歐VI等標準就是從這里開始的。歐盟在2009年通過了法規，旨在控制CO2的排放，其遠期目標是到2020年，CO2排放控制在95 g/km。從2001年開始，我國參照歐盟標準先后出臺了中國I階段、中國II階段……。目前我國把國VI擺上了議程，預計在2020年在全國范圍內實施國VI標準。根據研究結果，汽車質量每下降10%，燃油效率能提高6%～8%不等；汽車質量每下降100 kg，CO2排放降低8.5 g/km。因此汽車輕量化是降低汽車碳排放、提高燃油效率的最有效措施之一[1-6]。

全塑尾門作為一項新興的輕量化技術方案，因其優異的輕量化效果而受到各大主機廠的青睞。汽車尾門的材料已經由傳統鋼制尾門，經復合材料尾門向全塑尾門的方向發展，整件減重超過40%，生產效率也有質的提升。隨著科技發展和塑料改性技術的進步，全塑尾門有著廣闊的發展前景，本文作者主要對全塑汽車尾門材料的選材方案和研究現狀展開綜述。

1 全塑尾門應用現狀

經調研，目前全塑尾門模塊已經在多款車型上成熟量產，還有一部分在開發研究中，即將上市。2012年雷諾新Clio，其內板是長玻纖增強聚丙烯(PP-LGF)材料，噴漆的外飾板采用30%滑石粉增強聚丙烯(PP)材料；2013標致新308的尾門，內板采用PP-LGF材料，外板是PP材料，材料供應商是SABIC；2013年日產第三代X-trail，內板采用30% PP-LGF材料，外板為PP材料；2014年寶馬i3使用麥格納開發的全塑尾門，內板是40% PP-LGF材料，外板是PP材料；2017年奇瑞eQ1電動汽車尾門，應用的是SABIC的PP-LGF材料；2017年東風風神AX4采用延鋒彼歐自主開發的全塑尾門，內板采用PP-LGF材料，外板采用PP材料。可以看出，已量產車型的塑料尾門，內板采用的均為PP-LGF材料，外板均為PP材料。

2 全塑尾門板材料

全塑尾門的內板和外板都采用改性塑料，部件全部使用注塑工藝成型，然后使用涂膠工藝進行裝配，保證尾門的結構性與外觀性要求。全塑尾門材料選材原則：

(1)良好的抗沖擊性能，能吸收低速撞擊中的大部分沖擊力，保護乘客安全；

(2)良好的尺寸穩定性，裝配縫隙小，在長期的工作中不變形；

(3)良好的流動性，滿足注塑加工工藝的要求，保證車身良好外觀；

(4)良好的加工性能，造型自由度高，便于注塑模具設計；

(5)良好的耐熱性，防止在高溫暴曬下變形、老化等；

(6)價格低廉，可以有效降低使用成本；

(7)密度低，減重明顯，以利于汽車輕量化設計；

(8)易加工，開發和生產周期短，易維修。

2.1 全塑尾門內板材料

尾門內板是承力結構，需要滿足尾門的功能性要求，內板材料在選材時需要考慮尾門整體的剛度目標和其他零件的安裝需求[7]。

玻纖具有高強輕質、抗腐蝕、耐高溫、電絕緣性能好等多種優點，是常用的增強材料原料之一。將玻纖添加至熱塑性樹脂中，可以有效地提高復合材料的機械性能。研究資料表明，為了使玻纖在熱塑性樹脂中很好地起到提高強度的作用，必須使玻纖長度大于其臨界長度，就玻纖增強聚丙烯材料而言，其臨界長度為3.1 mm。PP-LGF材料中玻纖單向排布且其長度與樹脂粒料長度相同，其粒子中玻纖長度一般在10～25 mm，經過注塑等工藝后部品中形成玻纖長度大于3.1 mm，超過其臨界長度，增強效果顯著。PP-LGF材料密度低，力學性能優異，耐腐蝕、耐蠕變、耐疲勞，尺寸穩定性好，特別是材料的低溫抗沖擊性能極為優異，能滿足汽車尾門內板的力學性能要求。

馬秋等人[8]針對汽車后尾門的應用需要，開發出不同玻纖含量的PP-LGF材料，并對其進行了力學行為研究，對PP-LGF30材料在不同的拉伸速率下進行了對比，并研究了不同潤滑體系對材料力學性能的影響。其研究結果表明PP-LGF材料中增強組分玻纖在含量30%～50%范圍內，隨著玻纖含量的上升，材料的力學性能，包括拉伸性能、彎曲性能和韌性都有不同程度的提高。高的應變速率會提升PP-LGF材料的拉伸強度和拉伸模量。

閆溥等人[9]依據全塑尾門的性能要求，通過特制的浸漬設備制備PP-LGF材料。其研究結果表明材料的拉伸性能、彎曲性能和韌性隨著玻纖含量的增加而增大，且基體樹脂流動性越好，玻纖保留長度越長，復合材料的力學性能越優異。在玻纖含量為40%時，在滿足剛性的同時，又能最大化地實現塑料尾門的輕量化。研究結果還表明表面極性劑HT-17的添加能明顯提高材料的黏結性能，當其添加量為3%時，玻纖含量為40%的復合材料的表面張力為48 N/m，制品的剪切強度為1.65 kJ/m2，界面破壞形式為80%膠內囊破壞，復合材料性能滿足全塑尾門要求。

王韜等人[10]對當前量產車型的塑料尾門內板的兩種主要材料SMC和PP-LGF材料進行了對比研究，從塑料尾門的扭轉剛度、材料物理性能、結構設計、質量收益、生產設備等5個方面對比了兩種塑料尾門的差異。其研究結果表明大尺寸尾門由于扭轉剛度的限制，必須采用熱固性SMC材料模壓工藝，而小尺寸尾門則由于可以獲得好的VOC以及可回收性原因，建議采用熱塑性PP-LGF40材料，同時尾門需要增加金屬加強件。

邵萌等人[4]對PP-LGF塑料尾門與金屬尾門進行了對比。PP-LGF材料的強度沒有金屬高，但是通過改變厚度或者優化結構完全可以達到與金屬相同的強度，并且質量更輕。通過結構優化，PP-LGF材料完全可以達到金屬尾門的強度要求。塑料尾門與金屬尾門相比：(1)減重為25%～30%；(2)集成度高、設計性強、降低造車成本；(3)復原性好，用車成本少。

尾門內板主要作用是承載和提供強度剛度支持。PP-LGF材料在滿足部品剛度目標的同時，能為設計人員提供更大的設計靈活性，比如可成型形狀復雜的部件，集成零部件使用數量，節約模具成本，減少能耗，簡化裝配工序，適用于汽車輕量化部件，是全塑尾門內板設計方案的首選用料。上述研究為PP-LGF材料國產化并在全塑尾門上應用奠定了基礎。

2.2 全塑尾門外板材料

塑料具有熱脹冷縮的特性，固體物質的溫度每改變1 ℃時，其長度的變化和它在原溫度時長度之比，叫做“線性膨脹系數(CLTE)”。

塑料尾門外板需要選擇與內板CLTE接近的材料，以免出現變形導致外觀缺陷，各種材料之間的CLTE匹配是全塑尾門設計上最關鍵的部分，直接關乎整個尾門安裝以及后期壽命，甚至是整車安全[11]。

為保證車身良好的外觀和手感，尾門外板一般選礦物填充改性PP材料。目前市場上PP-LGF材料的CLTE一般在4×10-5K-1左右，而普通礦物改性PP材料的CLTE在8×10-5～10×10-5K之間[12]。兩者的CLTE差異太大，注塑的部品尺寸難以匹配，限制了其在尾門外板上的應用，礦物改性PP材料CLTE高的缺陷問題亟待解決。

吳國峰等[13]綜述了影響車用PP材料CLTE的因素以及降低方法。PP樹脂、彈性體、填料和成核劑對CLTE的影響較大。提高PP樹脂結晶性和分子鏈取向，降低彈性體粒徑使彈性體與PP基體形成雙連續結構，添加無機填料和成核劑均可降低聚丙烯材料的CLTE。

俞飛等人[14]針對乘用車的輕量化、以塑代鋼的需求進行聚丙烯研究，對不同種類填料、不同填料含量、不同種類PP、不同黏度增韌劑、不同增韌劑含量進行系統研究。研究結果表明隨著滑石粉和晶須含量增加PP復合材料的收縮率和CLTE不斷下降，其中當滑石粉和晶須含量達到40% 時復合材料的CLTE可以達到3×10-5K-1級別；隨著增韌劑含量的不斷增加PP復合材料的收縮率和CLTE不斷下降，增韌劑含量達到30% 以上時，復合材料的CLTE可以達到3.0×10-5K-1以下。這種PP 復合材料收縮率低、線性膨脹系數低，對于汽車輕量化有著重要的意義，有望用于汽車尾門外板、翼子板等以塑代鋼輕量化部件。

馬秋等人[15]為研究一種適用于汽車尾門板的熱塑性材料，以乙烯-辛烯共聚物為增韌劑，滑石粉為無機填料，通過熔融共混法制備了增強改性PP復合材料。其研究結果表明，在高速拉伸下，隨著拉伸速率的提高，材料的拉伸強度升高，斷裂伸長率先升高后降低；在非高速拉伸下，隨著拉伸溫度的降低，材料的拉伸強度增大。隨著滑石粉含量的增加復合材料的彎曲模量增大，沖擊強度降低，CLTE減小，結合汽車尾門板材料的綜合性能及汽車輕量化要求，滑石粉的最佳添加量為20%。其研究結果為尾門零部件計算機輔助工程(CAE)分析提供了數據基礎。

閆溥等人[16]以全塑尾門所用的低CLTE的PP+EPDM-TD30材料為研究對象，研究了PP種類、POE種類、滑石粉粒徑和表面極性劑用量對材料性能、CLTE和黏結性能的影響。研究結果表明，以BX3800為基體樹脂，Solumer 8613L為增韌劑，AHCP250為增強填料，HT-17用量達到3%時，復合材料具有優異的強度和韌性，極低的CLTE，性能滿足汽車塑料尾門專用料的要求。

上述研究的成果均為低CLTE材料，為汽車尾門材料的國產化奠定了基礎。只有降低PP材料的CLTE，使其尺寸穩定性提高，才能改善裝配效果，提升部品的裝配安全性，將其應用于生產汽車尾門外板。經過特殊改性后，PP材料CLTE可以達到2×10-5～5×10-5K-1之間，這樣與PP-LGF材料或部分金屬材料的線膨脹系數接近，不同材料生產的零部件裝配時，尺寸精度可以得到保障。

3 結束語

以塑代鋼已經成為汽車輕量化的重要手段之一，全塑尾門是以塑代鋼的典型案例，是當前汽車新材料應用的研究熱點。全塑尾門具有設計自由度高、成型工藝性好、生產周期短、外形美觀、強度高、尺寸穩定性好，同時輕量化效果顯著等優點。可以預期，未來的塑料尾門，內板用PP-LGF材料，外板用低CLTE改性PP材料，然后內外板復合為成品，將會成為未來的發展趨勢。

目前國內塑料尾門材料開發還處于起步階段，已經量產的全塑尾門大部分使用的還是進口原料，國產材料在全塑尾門上的產業化進程與應用開發相對滯后。隨著國內科研人員對PP-LGF材料和低CLTE改性PP材料進行深入研究并實現技術突破，國產材料也能夠滿足塑料尾門的應用需求。相信通過一系列的試驗、研究和嘗試后，塑料尾門產業環境日漸成熟，國產材料在汽車尾門中的應用會越來越廣泛。