Capacitatea de producție a industriei de automobile din țara mea crește rapid, iar industria materialelor plastice pentru inginerie auto are un spațiu larg de dezvoltare. Materialele plastice de inginerie înlocuiesc materialele metalice și se extind treptat de la piese decorative la piese structurale și piese funcționale.
PA este un plastic de inginerie excelent cu proprietăți chimice foarte stabile și rezistență excelentă la lubrifianți și benzină. În contextul social al conservării energiei și al reducerii emisiilor, rata de penetrare a materialelor PA în industria auto crește treptat datorită avantajelor sale în materie de greutate redusă, rezistență la căldură, rezistență la ulei, ignifugare și alte aspecte. În prezent, materialele PA sunt utilizate în sistemele de motoare ale automobilelor, sistemele electrice și sistemele de șasiu, așa cum se arată în tabelul de mai jos.
Fotografie făcută la standul Arkema
Utilizarea PA6 și PA66 reprezintă mai mult de 90% din cantitatea totală de diferite materiale PA. PA11 și PA12 au o flexibilitate bună, rezistență la coroziune, rezistență la ulei și stabilitate dimensională și sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în țevi de combustibil, capace de combustibil, țevi de frână și alte piese.
Fotografie făcută la standul Arkema
Aplicații tipice ale materialelor PA6 în automobile
Cutia bateriei este utilizată în principal pentru a proteja și susține componente, cum ar fi modulele bateriei de alimentare, sistemele de control al temperaturii bateriei și sistemele de gestionare a bateriei, pentru a preveni deteriorarea sistemului bateriei de alimentare prin impact extern sau stres mecanic. Cutia bateriei are o mare importanță pentru siguranța mecanică a sistemului de baterii de putere, așa că are cerințe ridicate pentru proprietăți mecanice, cum ar fi rezistența la impact și rezistența la tracțiune.
În prezent, unele cutii de baterii sunt fabricate din materiale PA, dintre care majoritatea sunt materiale PA6. Performanța ignifugă este, de asemenea, un indicator de referință important pentru selectarea materialelor pentru cutia bateriei pentru vehiculele cu energie nouă. Indexul limitator de oxigen al materialelor PA6 nemodificate este, în general, de numai 20% până la 22%, iar gradul de ignifugare poate atinge doar nivelul UL94 V-2, ceea ce este dificil de îndeplinit cerințele stricte de ignifugare ale vehiculelor și nevoilor de energie noi. să fie modificate ignifuge.
PA6 Fotografie făcută la standul Sanfangxiang
În general, ignifugenții utilizați pentru PA6 includ halogen, fosfor, azot și alte tipuri. Printre acestea, retardanții de flacără cu halogen produc gaze corozive și fum cancerigen în timpul arderii. Utilizarea lor a fost restricționată după ce Uniunea Europeană a emis „Directiva privind restricționarea utilizării anumitor substanțe periculoase în echipamentele electrice și electronice” la începutul anului 2003.
În ultimii ani, mulți cercetători au efectuat cercetări asupra materialelor PA6 ignifuge fără halogeni și au obținut multe rezultate.
Multe companii de inginerie din materiale plastice sunt, de asemenea, angajate în cercetarea și dezvoltarea materialelor PA6 ignifuge fără halogeni. De exemplu, Lanxess Group a lansat trei materiale Tepex bazate pe PA6-. Materialele Tepex conțin un conținut ridicat de fibre, astfel încât nu numai că au niveluri extrem de ridicate de rigiditate, rezistență și absorbție de energie, dar au și proprietăți ignifuge de gradul UL94 V-0.
Materiale compozite ușoare LANXESS pe bază de poliamidă 6
Printre acestea, Tepex dynalite 102fr-RG600(x)/47% este armat cu fibre de sticlă grosiere. Aceste fibre sunt aranjate într-o manieră multi-axială, ceea ce poate nu numai să obțină efecte bune de ignifugare, ci și să se potrivească cu precizie cu căile de încărcare din componente. Poate fi aplicat componentelor de înaltă tensiune, cum ar fi carcasele unităților de control, pereții despărțitori și capacele cutiei de baterii pentru vehicule cu energie nouă.
LANXESS lansează suportul pentru baterie realizat din compozite termoplastice continue Tepex armate cu fibre
Aplicarea PA6 armat cu fibre lungi de sticlă în piesele structurale auto este, de asemenea, popularizată treptat. Fibra de sticlă trece prin matricea PA6 ca un schelet de întărire, care poate îmbunătăți în mod eficient rezistența la impact, rezistența la fluaj și stabilitatea dimensională a produselor din plastic. PA6 armat cu fibră de sticlă lungă are multe avantaje comparabile cu metalele și este potrivit pentru realizarea de produse complexe de module auto.
Luați ca exemplu traversa panoului de bord. Traversa panoului de instrumente este conectată direct la caroserie, suportă și transmite sarcina echipamentelor de interacțiune om-mașină și a pieselor decorative și formează un sistem de siguranță a carlingului cu alte componente de siguranță, care afectează direct manevrarea și siguranța mașinii. Traversa panoului de bord poate amortiza forța de impact transmisă de cabina din față în timpul unei coliziuni frontale și poate oferi suport pentru explozia airbag-ului pasagerului.
În plus, sistemul compus din traversa panoului de bord, volan și coloana de direcție trebuie să îndeplinească anumite cerințe modale NVH pentru a evita rezonanța.
Traversa lungă a panoului de instrumente PA6, armată cu fibră de sticlă, a fost dezvoltată cu succes și utilizată pe scară largă în unele modele. În timp ce îndeplinește pe deplin rigiditatea și rezistența pe care trebuie să le aibă traversa panoului de bord ca componentă portantă, traversa lungă a panoului de instrumente PA6, armată cu fibră de sticlă, are o rezistență excelentă la fluaj și rezistență la oboseală, precum și o rezistență remarcabilă la impact la temperaturi ridicate și joase. Designul traversei panoului de instrumente din plastic nu numai că îmbunătățește eficiența producției, dar ajută și la atingerea obiectivelor de greutate redusă și NVH.
Aplicații tipice ale materialelor PA12 în automobile
În domeniul vehiculelor tradiționale cu motor cu ardere internă, marile companii de inginerie din materiale plastice, cum ar fi DuPont, Arkema și Basf, au dezvoltat materiale PA12 cu diferite grade de rezistență la temperatură, care sunt utilizate pe scară largă în conductele de petrol și gaze, cum ar fi conductele de umplere a rezervorului de combustibil, livrarea combustibilului. țevi, țevi de ventilație a carterului, țevi de admisie a motorului și țevi de frână cu vid.
Fotografie făcută la standul BASF
Fotografie făcută la standul Evonik
Cu toate acestea, deoarece rezistența la temperatură ridicată a PA12 nu este remarcabilă, nu poate fi utilizat pentru o lungă perioadă de timp în țevi cu temperaturi ridicate de lucru. De exemplu, țevile de apă de răcire a motorului ale vehiculelor cu motor cu ardere internă mai folosesc, în general, țevi din metal sau cauciuc în loc de țevi PA12. În general, temperatura de funcționare a sistemului de răcire a motorului vehiculelor cu energie nouă este în general mai mică de 80 de grade, iar temperatura de funcționare a sistemului de răcire a bateriei este în general mai mică de 60 de grade. Materialul PA12 poate îndeplini pe deplin cerințele de rezistență la temperatură ale sistemului de răcire al vehiculelor cu energie nouă.
În comparație cu țevile de cauciuc, țevile PA12 pot reduce eficient calitatea sistemului. Densitatea PA12 este de 1,02 g/cm3, în timp ce densitatea cauciucului EPDM folosit adesea în țevile auto tradiționale este de 1,1 ~ 1,2 g/cm3. În același timp, peretele conductelor PA12 este relativ subțire. Luând ca exemplu conducta cu un diametru interior de 15 ~ 18 mm, conducta de apă PA12 are doar 1,25 ~ 1,5 mm, în timp ce grosimea peretelui țevilor de cauciuc EPDM este în general de 3,5 ~ 4 mm.
Fotografie făcută la standul UBE Furtunul UBE PA12
Calculul cuprinzător arată că utilizarea materialului PA12 poate reduce greutatea conductei cu 65%. De exemplu, un anumit model al Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. adoptă soluția de conductă PA12. În comparație cu conductele tradiționale din metal și cauciuc, masa sistemului de conducte este de fapt redusă cu 56%.
În plus, deoarece materialul din cauciuc EPDM are o rigiditate scăzută, dacă este utilizat pentru conducte mai lungi, trebuie setate mai multe puncte fixe. Prin urmare, în sistemul de răcire al vehiculelor tradiționale cu motor cu ardere internă, conductele mai lungi sunt în general realizate din materiale metalice, iar materialele din cauciuc EPDM sunt utilizate numai în partea de tranziție. În schema de potrivire a conductelor metalice și a conductelor din cauciuc, există un număr mare de piese de tranziție, ceea ce nu numai că crește foarte mult numărul de piese, dar crește și riscul de scurgere.
Conducta PA12 are o rigiditate ridicată, iar o conductă de apă completă poate fi fabricată într-o metodă de turnare integrată, care reduce efectiv numărul de piese și îmbunătățește fiabilitatea sistemului. De exemplu, un anumit model al Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. adoptă soluția de conductă PA12. În comparație cu conductele tradiționale din metal și cauciuc, numărul de piese din sistemul de conducte este redus cu 77%. În comparație cu conductele metalice și conductele din cauciuc, conductele PA12 sunt mai ușoare, mai rigide, ocupă mai puțin spațiu și au o fiabilitate mai mare, ceea ce are o mare valoare de promovare la vehiculele cu energie nouă.
În plus, mulți cercetători au efectuat cercetări asupra conductelor PA12 care răspund nevoilor altor scenarii specifice. De exemplu, compania Toray din Japonia și Polyplastics-Evonik au dezvoltat împreună un tub extrudat cu trei straturi. Stratul exterior de material PA12 și stratul interior de material rășină PPS de polifenilen sulfură al acestui tub extrudat sunt lipite împreună cu un adeziv special. Nu numai că poate rezista la o temperatură ridicată de 130 de grade, dar are și o bună rezistență la hidroliză și rezistență la căldură. Poate fi utilizat în sistemele de conducte de răcire auto cu cerințe de temperatură mai ridicate.
Deoarece PA12 are o bună rezistență la permeabilitate la benzină, a fost verificat că este un material sigur și de încredere pentru conductele de combustibil. Cu toate acestea, odată cu apariția și utilizarea combustibililor amestecați cu metanol sau etanol, au fost impuse cerințe mai mari privind rezistența la permeabilitate a conductelor de combustibil. Metanolul sau etanolul din combustibilii amestecați au permeabilitate și solubilitate puternice, ceea ce poate provoca cu ușurință scurgerea hidrocarburilor și, prin urmare, nu îndeplinesc standardele relevante de mediu.
Zhang Ying a desfășurat lucrări de cercetare și dezvoltare privind conductele de combustibil pentru automobile cu permeabilitate scăzută și precipitații reduse. Prin analiza aprofundată a proprietăților fizice ale diferitelor materii prime, am dezvoltat materiale care pot fi utilizate în conductele de combustibil și am dezvoltat țevi compozite cu cinci straturi cu structură simetrică PA12 care îndeplinesc standardele de permeabilitate scăzută ale conductelor de combustibil, precum și un combustibil. sistem de asamblare linie compus din conducte compozite.
Aplicații tipice ale materialelor PA66 în automobile
Sub tendința generală de „înlocuire a oțelului cu plasticul” în ușurarea automobilelor, PA66 a adus o valoare remarcabilă atât în vehiculele tradiționale cu motor cu ardere internă, cât și în vehiculele cu energie nouă, realizând direct sau indirect viziunea socială a emisiilor scăzute de carbon. În procesul de producție a pieselor, PA66 poate fi format rapid în matriță cu o viteză de cristalizare de zece ori mai mare decât a PA6, îmbunătățind considerabil eficiența producției.
PA66 Fotografie făcută la standul Sanfangxiang
În comparație cu PA6, performanța lui PA66 este, de asemenea, extrem de remarcabilă, cu o stabilitate dimensională mai mare, o absorbție mai mică de apă și un punct de topire mai mare. PA66 este utilizat pe scară largă în diverse sisteme auto pentru a îmbunătăți economia vehiculului și a reduce emisiile de gaze nocive, menținând sau depășind puterea existentă.
Luând ca exemplu galeria de admisie, primele galerii de admisie ale vehiculelor cu motor cu ardere internă foloseau în principal materiale PA6. Odată cu aplicarea supraalimentatoarelor integrate și compactitatea motoarelor, cerințele de rezistență la temperatură ale galeriilor de admisie au crescut de la 130 de grade la 200 de grade, iar OEM-urile au tendința să aleagă treptat PA66 cu un punct de topire mai mare pentru a obține îmbunătățiri de performanță.
O altă aplicație tipică a PA66 este suportul motorului sau suportul motorului de antrenare. În primele zile, astfel de piese structurale erau în general realizate din oțel sau aliaj de aluminiu. Deoarece materialul PA în sine are un efect de amortizare și de reducere a vibrațiilor, aplicarea produselor armate cu fibră de sticlă PA66 în suporturile motorului și ale motorului de antrenare poate reduce în mod eficient vibrațiile și zgomotul motorului sau motorului de antrenare.
Suport motor Asahi Kasei PA66 Sursa: Asahi Kasei
În plus, deoarece PA66 poate rezista la temperaturi de coacere a vopselei de 160 până la 180 de grade, integrarea acestuia în caroseria în alb a mașinii nu numai că ajută la îmbunătățirea proprietăților mecanice ale caroseriei vehiculului, ci și, atunci când vehiculul se ciocnește, PA66 a consolidat materialul poate absorbi eficient energia de coliziune, maximizând protecția șoferului și a pasagerilor și a bateriei de alimentare. De asemenea, poate reduce greutatea caroseriei vehiculului cu mai mult de 30%, îmbunătățind manevrabilitatea și autonomia vehiculului.
Senzor rezolutor motor din nylon 66 și senzor de viteză, luate la standul BASF
În ceea ce privește cercetarea asupra noilor materiale PA66, mulți cercetători au dezvoltat, de asemenea, materiale PA66 potrivite pentru anumite piese auto. De exemplu, încărcătoarele de bord, controlerele DC/DC, încălzitoarele PTC și cutiile de joncțiune de înaltă tensiune din vehiculele cu energie nouă sunt toate componente de înaltă tensiune. Conectorii de înaltă tensiune între componentele de înaltă tensiune și cablajele de fire de înaltă tensiune folosesc adesea PA66 armat ignifug fără halogeni, în special PA66 ignifug organofosforic.
PA66 armat cu ignifug fără halogeni are proprietăți bune de ignifugare și proprietăți mecanice, dar prețul său fluctuează foarte mult din cauza furnizării de materii prime din amonte. Aprovizionarea cu materii prime PA6 este suficientă și prețul relativ scăzut. Prin urmare, aliajul PA66/PA6 armat ignifug fără halogeni a devenit o soluție tehnologică alternativă promițătoare.
Ye Bingbing și colab. a studiat modificările proprietăților ignifuge, proprietăților electrice, proprietăților mecanice și rezistenței la căldură ale aliajului PA66/PA6 armat ignifug atunci când proporțiile PA66 și PA6 au fost diferite. Ei au descoperit că, pe măsură ce proporția de PA6 a crescut, aliajul indicele de duritate a crescut ușor, dar performanța ignifugă și rezistența mecanică au scăzut ușor. Pe măsură ce proporția de PA6 scade, rezistența la tracțiune scade, dar duritatea crește semnificativ.
PA66 este, de asemenea, utilizat în cutiile pentru bateriile vehiculelor cu energie nouă. Liu Ying și colab. a efectuat cercetări privind proprietățile mecanice ale PA66 armat cu fibră de carbon tăiată cu conținut diferit de fibre și a efectuat evaluarea performanței și analiza de simulare a aplicării materialului în cutii de baterii ușoare. Rezultatele cercetării arată că, în comparație cu cutia metalică a bateriei, cutia din material PA66 ranforsat cu fibră de carbon tăiată este cu 84% mai ușoară în masă, iar stresul maxim al cutiei este redus cu 30% până la 50% pe drumuri accidentate și viraje abrupte. . În același timp, sa constatat, de asemenea, că conținutul de fibră de carbon are un impact mai mare asupra deplasării maxime a cutiei bateriei. Creșterea conținutului de fibră de carbon poate reduce semnificativ deplasarea cutiei pe drumuri accidentate și viraje strânse.
Concept de pachet de baterii cu stare solidă, luat la standul BASF
În prezent, majoritatea benzilor laminate de peste 30 cm utilizate în automobile sunt fabricate din PA66. PA66 are o duritate slabă în condiții de temperatură scăzută și trebuie întărit și modificat pentru rezistență la frig.
Lu Daguang şi colab. a folosit o metodă de amestecare cu două șuruburi pentru a selecta diferite tipuri de agenți de întărire și materii prime PA66 cu diferite vâscozități pentru a pregăti materiale PA66 întărite rezistente la frig, potrivite pentru benzile laminate pentru automobile.
PA66 are o rezistență bună la căldură, rezistență la coroziune și duritate și poate înlocui PA cu lanț lung ca material de alegere pentru conductele de apă PA auto. Cu toate acestea, datorită prezenței grupărilor amidice puternic polare în lanțul molecular PA66, PA66 este predispus la deformare și hidroliză atunci când este în contact cu lichidul de răcire.
Ca răspuns la această problemă, Zhang Songfeng și colab. mai întâi a amestecat și modificat materialul PA66 prin adăugarea de agenți de întărire și agenți rezistenți la hidroliză pentru a-și îmbunătăți rezistența și tenacitatea la hidroliză, apoi a folosit procese convenționale de extrudare a furtunului pentru a testa materialele modificate pentru extrudarea furtunului și a dezvoltat cu succes țevi de apă de răcire pentru automobile cu PA66 ca corpul principal. Prin testare, rezistența la rupere a furtunului PA66 modificat amestecat este mai mare de 2,6 MPa, iar costul materialului său este redus cu 40%, rezolvând problema procesului de producție complex și a prețului ridicat al furtunului PA cu lanț lung.
Pe scurt, cantitatea de plastic utilizată în vehicule poate fi utilizată ca unul dintre indicatori pentru a măsura nivelul de proiectare și fabricație a automobilelor într-o anumită măsură. În prezent, cantitatea de plastic utilizată per unitate de vehicule cu motor cu ardere internă în țările dezvoltate este de aproximativ 150 kg, din care PA reprezintă aproximativ 20%. Cantitatea actuală de PA utilizată per unitate de vehicule autohtone cu motor cu ardere internă este de aproximativ 8 kg, care este de așteptat să ajungă la 15 kg în 2025 și este de așteptat să crească la 30 kg în 2030. În ceea ce privește cantitatea de PA utilizată în vehiculele cu energie nouă, referitor la Tesla Modelul 3 și alte modele, se estimează că cantitatea de PA utilizată per unitate de vehicule cu energie nouă în 2030 poate ajunge la 50 kg.
Conform statisticilor de la Conferința comună de informații privind piața autovehiculelor din China, vânzările naționale de vehicule cu motor cu ardere internă în 2022 vor fi de 14,868 milioane de vehicule, o scădere de la an la an cu 2,302 milioane de vehicule și cu ardere internă. vehiculele cu motor pierd cota de piata intr-un ritm alarmant. Producătorii auto interni și străini anunță în general că vor înceta dezvoltarea vehiculelor cu motor cu ardere internă în jurul anului 2030, după care vehiculele cu motor cu ardere internă se vor retrage treptat din stadiul istoriei.
În același timp, piața vehiculelor cu energie nouă a inițiat o dezvoltare rapidă. La Conferința pentru o sută de oameni de vehicule electrice din China, Ouyang Minggao, un academician al Academiei Chineze de Științe, a prezis că vânzările naționale de vehicule cu energie noi vor ajunge la 7 până la 9 milioane în 2025 și la 17 până la 19 milioane în 2030. Huaan Securities Institutul de Cercetare estimează că utilizarea materialelor PA pentru automobile va ajunge la 1,44 milioane de tone în 2030.
Pe scurt, avansarea tehnologiei motoarelor, transformarea automobilelor în energie nouă și dezvoltarea automobilelor ușoare au promovat în mod eficient îmbunătățirea nivelurilor de conservare a energiei și reducerea emisiilor și eficiența operațiunii sociale, aducând, de asemenea, piețe uriașe incrementale pentru aplicarea materiale plastice de inginerie, cum ar fi PA. În viitorul previzibil, cererea industriei auto pentru materiale PA va continua să crească, iar industria materialelor PA a intrat într-o perioadă de dezvoltare rapidă.
