车用塑料迈入新时代，材料创新势在必行

高性能塑料和生物基塑料成焦点

汽车工业发展至今，已经形成了新能源、轻量化、智能化、车联 四大发展方向。新能源、轻量化直接促进塑料件在汽车上的应用，比如内外饰中的塑料保险杠、挡泥板、车轮罩等配件的使用已成为常态，新一轮的产品变革中，塑料前端框架、塑料尾门等也将成为重点发展对象。不同于前两者直接推动，智能化、车联 因需要投入大量的电子电器产品，会通过间接的方式推动塑料的使用，比如新能源动力电池结构中，支架、框架和端板通常会选择有阻燃性的PPE、PC/ABS合金及阻燃增强PA材料。

据悉，单就乘用车单车塑料消耗145kg计算，2018年国内乘用车塑料消耗量为403万吨。虽然国内汽车产量在过去的一年有所下滑(2780.9万辆)，但中国仍是全球最大的汽车市场。与发达国家相比，中国人均汽车保有量仍具有较大的发展空间，因此国内汽车塑料件行业的发展潜力依然很大。

而从全球市场看，多方集团也正在积极推动车用塑料的创新发展，比如就在去年诞生了世界首款90%重要零部件均由塑料制成的汽车。该概念车在政府创新技术计划框架下研制，由东京大学科学家与汽车制造商合作完成，因使用了多种塑料，重量比普通汽车减轻40%。

总结来看，车用塑料从单一的轻量化目标逐步拓宽并丰富了发展思路，像高性能塑料、生物基可降解塑料就已然成为行业热点。

当前，PP(聚丙烯材料)及改性PP被大量应用在汽车内饰件、外饰件及引擎罩下部件中。发达汽车工业国家单车PP材料使用量要占到整车塑料的30%，是汽车上所有塑料材料中用量最大的品种。

据了解，到2020年，汽车平均塑料用量目标达到500kg/辆以上，约占整车用料的1/3以上。但因为未能打入关键结构件、功能件和安全件使用领域，如果单纯通过发展已经趋于瓶颈的PP及改性PP推动车用平均塑料的增长，难度可谓不小。要进一步增加车用塑料的应用率，品质轻且机械性能强大的高性能塑料必须要发力才行。

但是机遇是和挑战并存的。举例来说，为了精确地在小空间中放置大量的电池单元，电池座和电池支架以及外壳组件必须具有非常强大的尺寸稳定性及高度的机械坚固性。根据电池组的设计原理，该材料还必须具有阻燃性，此外，即使是在壁厚低至0.75mm的情况下，也要符合美国保险商试验所的UL94可燃等级的V-0级。又或者在发动机轻量化上，目前的小型化涡轮增压发动机能够产生非常高的温度，这使得采用塑料对发动机零部件进行金属置换非常具有挑战性。

但高性能塑料的优点也不能不考虑进来，比如对正时系统、油底壳和轴承座壳等发动机零部件而言，工程塑料相比于金属可减少摩擦，有利于提升燃烧效率。在过去的一年，不少企业抓住了潮流方向，并展示了自家的高性能塑料应用案例。

根据经济合作与发展组织(OECD)发布的 告显示，自2015年以来，全球塑料垃圾的产生量持续增加，每年超过3亿吨流入环境中, 预测到2050年将达到约120亿吨。

近年来，全球大型汽车生产厂以及材料供应商纷纷加大对生物基可降解塑料的研发投入，比如福特汽车在2008年就开始研究此类产品的应用，如今在北美市场，福特汽车已经在汽车上使用了8种可持续发展材料，包括大豆泡沫、蓖麻油、麦秸、洋麻纤维、纤维素、木材、椰子纤维以及稻壳。

供应商方面，米其林(MICHELIN)推出的Visionary Concept概念轮胎正是瞄准了废弃轮胎所引发的“黑色污染”。数据显示，2015年仅中国废旧轮胎就高达3.3亿条，且每年以8%~10%的速度递增，现在废旧轮胎已经近4亿条了。

设计极具先锋性的不仅是米其林一家，比如在去年，荷兰埃因霍温理工大学生物汽车团队发布出了一款可降解汽车Lina，这款车除车轮和悬架系统，均使用由亚麻和甜菜制成的生物基复合材料，最大特点是可实现生物降解和轻量化。

即便概念产品很吸引人，根据公布的数据看，全球塑料产量约为3.35亿吨，其中生物基塑料仅占到了1%，这与其成本高、耐热性差、降解性不可控等缺陷有直接关系。

生物基可降解塑料未来在汽车行业的发展方向，一是开发达到汽车行业应用性能要求生物基复合材料，推广应用并扩大市场规模;二是开发低成本、高性能的生物基材;三是采用生物基纤维或无机长纤维对生物基可降解塑料进行改性，进一步改善生物基塑料的综合性能，推动其在汽车领域的应用。

在汽车生产中，100kg的塑料可以替代200~300kg的其他材料，从而实现节油0.5L/百公里。目前，中国各类型汽车使用塑料已经达到了每辆130~160kg，轿车上塑料用量已经达到了整车自重的10%左右，与世界先进水平(9%~12%)相当。

而在下一阶段，如何抓住发展潮流，提高领军力会是我们需要思考的。

高性能塑料新型解决方案——磷酸（氢）锆

根据研究以及高性能工程塑料厂家反馈，磷酸（氢）锆因其特殊性质可添加到ABS, PC, PVC, PS, AS, PP, PE 等材料中，有以下优势：

1、增强机械强度，韧性和拉伸强度

2、可在高温下使用，增强阻燃性

3、具有很好的塑化能力

4、增强耐磨性

5、抗氧化，持久性非常好

6、与合成树脂相容性好

7、灭菌效果好

8、可以回收利用，环保。

磷酸锆应用在PP中

有机改性磷酸锆是采用十八烷基二甲基叔胺（DMA）对α-Zrp进行改性，制备了有机修饰的磷酸锆（O-Zrp），并将其与聚丙烯（PP）熔融共混制备 了PP/O-Zrp复合材料。利用X-射线衍射（XRD）结果表明与纯α-Zrp相比，DMA修饰α-Zrp的层间距由0.8nm扩展到2.9nm；PP/O-Zrp复合材料的XRD结果表明0-Zrp的加入使PP相生产了β晶型，且随着磷酸锆含量的增加，β晶型的含量也增加。力学性能测试表明复合材料力学性能均有不同程度提高。

添加有机修饰的后的O-ZrP对PP的改进（对比与直接添加α-磷酸锆）如下：

磷酸锆应用在PA6中

性能改善如下：（相较于普通PA6或者不添加磷酸锆的PA6材料对比）

热稳定性：在添加量1-2%时，可提高；添加量达到5%后反而降低；

热变形温度：4%时可提高133%；

拉伸强度：添加量为1%，2%，4%时分别提高17%，18%，23%；

拉伸模量：添加量为1%，2%，4%时分别提高94%，106%， 111%；

一种改性方法可参考：

采用氨基苯基硅油（APSO）改性α-ZrP，并将其与PA6熔融共混制备了PA6/APSO-ZrP复合材料。力学性能测试结果表明APSO-ZrP的加入有利于复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度的提高。XRD结果表明0-ZrP的加入使PA6相生成了γ晶型；热变形温度（HDT）测试结果表明，相较纯PA6，PA6/APSO-ZrP复合材料的热变形温度显著提高；氧指数（OI）结果表明α-ZrP和APSO均能提高PA6的阻燃性；熔体流动速率（MFR）结果表明α-ZrP的加入有助于改善PA6的加工性能。

氧指数（OI）结果表明当O-ZrP随着α-ZrP及APSO含量的增加复合材料的氧指数增加，熔体流动速率（MFR）数据表明α-ZrP的加入改善了PA6的加工性能。XRD结果表明PA6/APSO-ZrP复合材料中APSO-ZrP的引入起到了异相成核的作用，增加了PA6中的γ晶型含量。力学分析表明复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量相较纯PA6都得到了提高，氧指数结果表明复合材料在ZrP2%、ABSO-ZrP1%、ABSO-ZrP2%、ABSO-ZrP4%时分别提高了3.9%、5.9%、13.7%、23.5%。

磷酸锆应用在硅橡胶中

（1）磷酸锆经磷腈类衍生物插层修饰后，层间距变大，在硅橡胶基体内的分散性变好。

（2）F-ZrP 与APP 复配使用能显著的提高FRSR 复合材料的阻燃性能和力学性能，当1phrF-ZrP 和19phr APP 复配加入后，UL-94 达V-0 级且LOI 值为31.4，热释放速率峰值为265.3kW/m2，拉伸强度达8.11MPa。

（3）F-ZrP 与APP 复配使用能在气相和固相发挥协效阻燃作用，添加适当份数的F-ZrP 能提高残碳率并且使阻隔层更加紧实，稳固。

随着高性能工程塑料越来越多的应用在汽车材料中，不断提高高性能塑料性能必将成为材料发展潮流。谁率先突破创新，掌握核心技术，谁就成为第一个市场赢家。

车用塑料的新时代，期待你的亮相！