理想的汽車(chē)零部件阻燃材料就是你們了！
發(fā)布日期：2022-02-15
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汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展帶來(lái)的最關(guān)鍵趨勢(shì)之一就是輕量化，如今各種改性塑料、復(fù)合材料以及輕質(zhì)合金材料運(yùn)用日趨成熟，無(wú)論是在傳統(tǒng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)周邊，還是新能源汽車(chē)的動(dòng)力電池上，都能看到各種塑料的身影。
汽車(chē)零部件用
阻燃塑料未來(lái)發(fā)展方向
這些材料在阻燃這個(gè)安全問(wèn)題上的表現(xiàn)其實(shí)并不盡如人意。所以阻燃及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)在近年來(lái)的討論度也喧囂塵上。
今天我們就來(lái)看看，從汽車(chē)零部件的角度出發(fā)，阻燃材料未來(lái)都有哪些發(fā)展方向，以及各種阻燃材料都有哪些應(yīng)用。
開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，我們先說(shuō)結(jié)論。
目前，用于汽車(chē)零部件的常見(jiàn)阻燃材料類型有PP、PA、PU、PC、ABS材料，以及由它們組成的各種改性材料和復(fù)合材料。
相比于傳統(tǒng)燃油車(chē)，新能源汽車(chē)新增了電池組模塊、充電樁及充電槍等部件，單臺(tái)新能源車(chē)電池組模塊工程塑料的使用量約30kg，新能源車(chē)塑料殼體目前主要使用改性PP，以及改性PPS、PPO等耐高溫塑料。
充電樁由于較高的使用標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)苛的使用環(huán)境對(duì)工程塑料需求較大，每個(gè)充電樁約需6kg工程塑料，目前常見(jiàn)的主要有PBT、PA和PC等。
汽車(chē)保有量的提升，讓汽車(chē)自燃起火事故也層出不窮。所以當(dāng)材料應(yīng)用于汽車(chē)部件時(shí)，必須考慮材料的阻燃防火性能是否能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
一般來(lái)說(shuō)，制備阻燃塑料時(shí)大多會(huì)將其極限氧指數(shù)LOI提升到25-35%左右，才能有效提升汽車(chē)整體安全指數(shù)。
此外，加上目前電氣化和碳中和的雙重背景，塑料這種以石油為原料的產(chǎn)品，以及各種含有鹵素的阻燃劑，都將會(huì)受到更多限制。
所以，未來(lái)阻燃塑料的發(fā)展方向，除了需要足夠的機(jī)械性能，以滿足輕量化需求之外，電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域還會(huì)需要材料注重阻燃、電氣、加工、環(huán)保方面的要求。
阻燃材料
在汽車(chē)零部件上的應(yīng)用
目前，在汽車(chē)承重件、新能源車(chē)電池組等汽車(chē)零部件中，隨處可見(jiàn)高分子材料應(yīng)用的身影。高分子材料在車(chē)用零部件中的應(yīng)用，以及提升汽車(chē)安全性的需求，促進(jìn)了阻燃型高分子材料的發(fā)展。
當(dāng)下應(yīng)用的阻燃高分子材料主要以PP、PU、ABS和PC為主，根據(jù)汽車(chē)零部件的特殊需求也相應(yīng)有復(fù)合材料（合金化）、PA、PBT和PMMA等材料的使用。
阻燃PP
PP是車(chē)用塑料中用量最大的高分子材料，具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕，并且加工過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低。目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)儀表盤(pán)、電池包外殼、門(mén)護(hù)板、立柱、座椅護(hù)板、保險(xiǎn)杠等。
但由于未添加阻燃劑的PP阻燃性能很差，其LOI僅為17. 8%，非常容易燃燒。
國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)阻燃用PP研究主要圍繞對(duì)聚丙烯基體進(jìn)行改性，同時(shí)通過(guò)添加低毒、無(wú)鹵阻燃劑，開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異力學(xué)性能和阻燃功效的聚丙烯復(fù)合材料，以滿足汽車(chē)零部件的阻燃需求。
目前，適用于PP的阻燃劑主要為添加型阻燃劑，應(yīng)用較多的有鹵系阻燃劑（如溴系阻燃劑、溴-銻協(xié)效阻燃體系）、無(wú)機(jī)填充型阻燃劑（如氫氧化鎂、氫氧化鋁）、磷氮系（如MPP、APP、MCA、磷腈、磷酸酯等）以及膨脹型阻燃劑（IFR）。
正如我們上文所說(shuō)，隨著嚴(yán)苛的環(huán)保政策的施行，高分子材料用阻燃劑無(wú)鹵化已是大勢(shì)所趨。
結(jié)合具體案例來(lái)看，目前已經(jīng)有以PP為基體，以長(zhǎng)玻纖（LGF）為填充材料，加入磷氮系無(wú)鹵膨脹型阻燃劑、MCA等，制備得到LGF增強(qiáng)無(wú)鹵阻燃聚丙烯電池槽的例子。
制備過(guò)程中采用雙母粒制備法，通過(guò)分別制備LGF母粒和無(wú)鹵阻燃母粒，將兩者混合均勻后直接注塑制得阻燃PP制品。
雙母粒制備法避免了長(zhǎng)玻纖母粒制造過(guò)程中由于過(guò)度剪切引起的剪切區(qū)溫度過(guò)高引起阻燃劑降解和玻纖長(zhǎng)度短引起的力學(xué)性能下降問(wèn)題。
阻燃PP無(wú)鹵化改性技術(shù)中，IFR因其對(duì)PP加工流動(dòng)性和低密度優(yōu)勢(shì)影響最小、阻燃效率優(yōu)異、用量少、低煙無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是無(wú)鹵阻燃PP中最優(yōu)前景的發(fā)展方向之一。
阻燃PP在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展很快。特別是近年來(lái)增長(zhǎng)迅猛的新能源汽車(chē)行業(yè)直接推動(dòng)了阻燃PP需求量的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)眾多高校、科研機(jī)構(gòu)以及企業(yè)參與到車(chē)用零部件阻燃PP的開(kāi)發(fā)中來(lái)。
今后，車(chē)用阻燃PP的研究將重點(diǎn)聚焦于高效和環(huán)保，通過(guò)選擇無(wú)鹵阻燃劑、膨脹型阻燃劑、磷氮系阻燃劑以及復(fù)配型阻燃劑同時(shí)結(jié)合其他助劑，開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的阻燃PP材料。
阻燃ABS
ABS在汽車(chē)行業(yè)崛起之前，也是全球用量最大的家電高分子材料之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約80%的ABS消費(fèi)量來(lái)自于家電領(lǐng)域，而這主要得益于ABS出眾的表面涂裝性能、耐久性和防腐性。
也是這些特點(diǎn)，讓ABS在汽車(chē)涂裝領(lǐng)域成為了典型。但ABS樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)中只有C、H、O三種元素，所以不具備阻燃性能，在高溫階段的穩(wěn)定性很差，極易燃燒。同時(shí)在燃燒過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生刺鼻氣味和黑煙，無(wú)法直接用于汽車(chē)零部件。
目前，ABS的主要應(yīng)用方向是通過(guò)阻燃或耐高溫改性，亦或者與PC共混合成PC/ABS復(fù)合材料，下文也會(huì)詳細(xì)介紹。
對(duì)于ABS而言，鹵系阻燃劑的阻燃效率比較高，其中溴系阻燃效果又好于氯系。雖然鹵系阻燃成本低、效果好，但從業(yè)者眾所周知，今后鹵素阻燃會(huì)面臨來(lái)自政策和環(huán)保法規(guī)的巨大壓力。
所以，ABS的阻燃改性仍然是重要的研發(fā)方向。不過(guò)話說(shuō)回來(lái)，對(duì)于阻燃標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景，溴系阻燃劑還是目前最主流的選擇。據(jù)悉，用于電子電器產(chǎn)品中的ABS約有70%都采用溴系阻燃劑。
PC/ABS兼?zhèn)涠邇?yōu)點(diǎn)，具有更好的HDT和穩(wěn)定性，加工性能也更好，目前已是產(chǎn)量最大、技術(shù)最成熟的塑料合金，也是目前在汽車(chē)零部件領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的材料之一。諸如汽車(chē)儀表板、蓄電池組、車(chē)身、內(nèi)飾等部位，都用到了PC/ABS材料。
不過(guò)要注意的是，在某些指標(biāo)上還是有“1+1＜2”的情況：PC本身是一種自熄材料，UL94可達(dá)V2級(jí)，但PC/ABS的阻燃性能有所下降，需要補(bǔ)足。
目前常用的除了鹵系和磷系，值得關(guān)注的發(fā)展方向還有納米阻燃劑，諸如納米級(jí)的三氧化二銻、氫氧化鋁、氫氧化鎂以及納米層狀雙氫氧化物等等。
阻燃PC
如我們剛才所言，PC本身具有一定阻燃性，相較于其它高分子材料（如PE、PP等）擁有一定優(yōu)勢(shì)，LOI可到21-24%。然而對(duì)汽車(chē)零部件阻燃要求相對(duì)較高的應(yīng)用領(lǐng)域，其阻燃性能還是難以勝任，仍還需要對(duì)其進(jìn)行阻燃改性。
溴系阻燃劑能明顯提高PC的阻燃性能，常用的有十溴二苯醚（DBDPO）、四溴雙酚A（TBB-PA）等。但含溴的阻燃材料在高溫下容易分解產(chǎn)生腐蝕性氣體，使汽車(chē)零部件受損。
此外，溴系阻燃劑的添加會(huì)嚴(yán)重影響PC的透明性，同時(shí)也不符合歐盟無(wú)鹵化、環(huán)保政策的要求。當(dāng)前，工業(yè)化的PC產(chǎn)品中使用最多的磷系阻燃劑主要是TPP、RDP和BDP。
其中，TPP常溫下為固態(tài)，熱穩(wěn)定性較差，在PC加工溫度下容易揮發(fā)，僅發(fā)揮氣相阻燃作用。RDP和BDP常溫下為液體，具有較好的熱穩(wěn)定性，可同時(shí)發(fā)揮氣相和固相阻燃作用，同時(shí)BDP與PC有較好的相容性，可起到增速硬化的作用，所以PC+BDP體系成為使用較多的一種體系，BDP添加比例大約為10%。
此外，含硅化合物作為新一代環(huán)保型阻燃劑，因其高效、低毒、無(wú)污染等特性，以及對(duì)PC加工性能和物理性能影響較小也逐漸受到關(guān)注，如聚硅烷、聚硅氧烷等。
汽車(chē)零部件用PC在選用阻燃劑時(shí)也在向無(wú)鹵環(huán)?？拷ㄟ^(guò)添加多種助劑或者制備復(fù)合型阻燃劑等途徑，提升PC的綜合性能。此外，PC通過(guò)與ABS、PBT等組成復(fù)合材料也是提升PC加工性能和阻燃性能的不二選擇。
其他阻燃材料
PP、PU、ABS和PC是目前主要應(yīng)用于汽車(chē)零部件生產(chǎn)的阻燃高分子材料。此外，將兩種或以上高分子材料熔融共混制備的復(fù)合材料也是目前使用較多的一種材料，如PC/ABS，PC/PBT，PC/FR復(fù)合材料等。
具體到案例上來(lái)說(shuō)，Polymaker公司推出三款基于PC的3D打印材料，將其用于車(chē)用零部件的生產(chǎn)，三款產(chǎn)品分別為Polymaker PC-ABS、Polymaker PC-PBT、PolyMax PC-FR，這三款產(chǎn)品各有特色，在耐熱性、耐沖擊、易加工以及阻燃性能方面，均具有較好的表現(xiàn)。
Polymaker PC-PBT在科思創(chuàng)Makroblend?系列產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提升了材料綜合性能。同樣PolyMax PC-FR是在科思創(chuàng)Makrolon?產(chǎn)品上對(duì)阻燃性能做了較大改進(jìn)，使材料UL94達(dá)到V0級(jí)，將該材料用于新能源汽車(chē)電池外殼。
未來(lái)阻燃材料研究重點(diǎn)
阻燃理論研究
相關(guān)研究人員應(yīng)根據(jù)汽車(chē)零部件應(yīng)用領(lǐng)域的特性，把材料阻燃研究的方法、機(jī)理以及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到車(chē)用高分子材料阻燃性能研究上來(lái)，探索如何提升汽車(chē)零部件用高分子材料的阻燃性能。
開(kāi)發(fā)高性能塑料用阻燃劑
配套汽車(chē)零部件高分子材料用的阻燃劑，未來(lái)應(yīng)是朝著無(wú)鹵化及高性能化方向發(fā)展，而高性能阻燃劑研究重點(diǎn)將朝著復(fù)配協(xié)效阻燃技術(shù)、無(wú)鹵化阻燃、膨脹型阻燃、超細(xì)化、納米化技術(shù)、高效表面化學(xué)修飾技術(shù)以及多功能化技術(shù)等方向發(fā)展。
汽車(chē)零部件材料改良優(yōu)化
目前國(guó)內(nèi)改性塑料仍有較高的技術(shù)門(mén)檻，不僅僅在強(qiáng)度、硬度、韌性等基礎(chǔ)要求的標(biāo)準(zhǔn)再提高，同時(shí)在電學(xué)性能、衛(wèi)生安全性能以及環(huán)境友好性能等方面也不斷提出新的要求，汽車(chē)零部件用高分子材料也將向著性能高端化、功能定制化方向發(fā)展。
光有高性能阻燃劑還不夠，還需要在各項(xiàng)特殊性能上有所提高，才能提升汽車(chē)零部件用阻燃高分子的綜合性能。
加強(qiáng)促進(jìn)阻燃材料制品立法
目前，還沒(méi)有比較健全的汽車(chē)阻燃領(lǐng)域的法律法規(guī)以及測(cè)試方法，為更好地服務(wù)及推動(dòng)汽車(chē)零部件阻燃行業(yè)的發(fā)展，制定出更有效的汽車(chē)零部件用阻燃高分子材料測(cè)試方法和產(chǎn)品法規(guī)將有重要意義。
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