Výrobná kapacita automobilového priemyslu mojej krajiny rýchlo rastie a automobilový priemysel plastov má široký rozvojový priestor. Inžinierske plasty nahrádzajú kovové materiály a postupne sa rozširujú z dekoratívnych častí na konštrukčné časti a funkčné časti.
PA je vynikajúci technický plast s veľmi stabilnými chemickými vlastnosťami a vynikajúcou odolnosťou voči mazivám a benzínu. V spoločenskom kontexte šetrenia energie a znižovania emisií sa miera penetrácie PA materiálov v automobilovom priemysle postupne zvyšuje kvôli ich výhodám v oblasti nízkej hmotnosti, tepelnej odolnosti, odolnosti voči olejom, retardácie horenia a ďalších aspektov. V súčasnosti sa PA materiály používajú v systémoch automobilových motorov, elektrických systémoch a podvozkových systémoch, ako je uvedené v tabuľke nižšie.
Fotené v stánku Arkema
Použitie PA6 a PA66 predstavuje viac ako 90% z celkového množstva rôznych PA materiálov. PA11 a PA12 majú dobrú flexibilitu, odolnosť proti korózii, odolnosť voči olejom a rozmerovú stabilitu a sú tiež široko používané v palivových potrubiach, palivových uzáveroch, brzdových potrubiach a iných častiach.
Fotené v stánku Arkema
Typické aplikácie materiálov PA6 v automobiloch
Batériová skrinka sa používa hlavne na ochranu a podporu komponentov, ako sú moduly napájacej batérie, systémy riadenia teploty batérie a systémy správy batérií, aby sa zabránilo poškodeniu systému napájacej batérie vonkajším nárazom alebo mechanickým namáhaním. Batériový box má veľký význam pre mechanickú bezpečnosť systému napájacích batérií, preto má vysoké požiadavky na mechanické vlastnosti, ako je rázová húževnatosť a pevnosť v ťahu.
V súčasnosti sú niektoré batériové boxy vyrobené z materiálov PA, z ktorých väčšina sú materiály PA6. Spomaľovač horenia je tiež dôležitým referenčným ukazovateľom pri výbere materiálov batériových boxov pre nové energetické vozidlá. Limitný kyslíkový index nemodifikovaných materiálov PA6 je vo všeobecnosti iba 20 % až 22 % a stupeň spomaľovača horenia môže dosiahnuť iba úroveň UL94 V-2, čo je ťažké splniť prísne požiadavky na spomaľovanie horenia nových energetických vozidiel a potrieb. byť modifikovaný retardérom horenia.
PA6 Fotografia urobená v stánku Sanfangxiang
Všeobecne povedané, retardéry horenia používané pre PA6 zahŕňajú halogén, fosfor, dusík a iné typy. Spomedzi nich halogénové spomaľovače horenia vytvárajú pri spaľovaní korozívne plyny a karcinogénny dym. Ich používanie bolo obmedzené po tom, čo Európska únia začiatkom roku 2003 vydala „Smernicu o obmedzení používania určitých nebezpečných látok v elektrických a elektronických zariadeniach“.
V posledných rokoch mnohí výskumníci uskutočnili výskum bezhalogénových materiálov spomaľujúcich horenie PA6 a dosiahli mnohé výsledky.
Mnohé spoločnosti vyrábajúce technické plasty sa tiež zaviazali k výskumu a vývoju bezhalogénových materiálov spomaľujúcich horenie PA6. Napríklad spoločnosť Lanxess Group uviedla na trh tri materiály Tepex na báze PA6-. Materiály Tepex obsahujú vysoký obsah vlákien, takže majú nielen extrémne vysokú tuhosť, pevnosť a úroveň absorpcie energie, ale majú aj vlastnosti spomaľujúce horenie triedy UL94 V-0.
Ľahké kompozitné materiály LANXESS na báze polyamidu 6
Medzi nimi je Tepex dynalit 102fr-RG600(x)/47% vystužený hrubými sklenými vláknami. Tieto vlákna sú usporiadané vo viacerých osiach, čím je možné nielen dosiahnuť dobré spomaľovače horenia, ale aj presne zodpovedať dráham zaťaženia v komponentoch. Môže byť aplikovaný na vysokonapäťové komponenty, ako sú kryty riadiacich jednotiek, priečky a kryty batériových boxov nových energetických vozidiel.
LANXESS uvádza na trh držiak batérie vyrobený z nekonečných termoplastických kompozitov vystužených vláknami Tepex
Postupne sa popularizuje aj aplikácia PA6 vystuženého dlhými sklenenými vláknami v konštrukčných častiach automobilov. Sklenené vlákno prechádza matricou PA6 ako výstužný skelet, ktorý môže účinne zvýšiť odolnosť proti nárazu, odolnosť proti tečeniu a rozmerovú stabilitu plastových výrobkov. PA6 vystužený dlhými sklenenými vláknami má mnoho výhod porovnateľných s kovmi a je vhodný na výrobu zložitých automobilových modulových produktov.
Ako príklad si vezmite priečny nosník prístrojovej dosky. Priečnik prístrojovej dosky je priamo spojený s karosériou, nesie a prenáša zaťaženie zariadení na interakciu medzi človekom a strojom a ozdobných dielov a spolu s ďalšími bezpečnostnými komponentmi tvorí bezpečnostný systém kokpitu, ktorý priamo ovplyvňuje ovládateľnosť a bezpečnosť auta. Priečny nosník prístrojovej dosky môže tlmiť nárazovú silu prenášanú prednou kabínou počas čelného nárazu a poskytnúť podporu pri výbuchu airbagu spolujazdca.
Okrem toho systém zložený z priečky prístrojovej dosky, volantu a stĺpika riadenia musí spĺňať určité modálne požiadavky NVH, aby sa zabránilo rezonancii.
Dlhý priečny nosník prístrojovej dosky PA6 vystužený sklenenými vláknami bol úspešne vyvinutý a široko používaný v niektorých modeloch. Zatiaľ čo plne spĺňa tuhosť a pevnosť, ktorú musí mať priečny nosník prístrojovej dosky ako nosný komponent, dlhý nosník prístrojovej dosky PA6 vystužený sklenenými vláknami má vynikajúcu odolnosť proti tečeniu a únave, ako aj vynikajúcu odolnosť proti nárazu pri vysokých a nízkych teplotách. Dizajn celoplastového priečneho nosníka prístrojovej dosky nielen zlepšuje efektivitu výroby, ale tiež pomáha dosiahnuť ciele v oblasti nízkej hmotnosti a NVH.
Typické aplikácie materiálov PA12 v automobiloch
V oblasti tradičných vozidiel so spaľovacím motorom vyvinuli veľké spoločnosti vyrábajúce plasty ako DuPont, Arkema a Basf materiály PA12 s rôznymi stupňami teplotnej odolnosti, ktoré sa široko používajú v ropovodom a plynovodoch, ako sú plniace potrubia palivových nádrží, dodávka paliva. potrubia, ventilačné potrubia kľukovej skrine, sacie potrubia motora a podtlakové brzdové potrubia.
Fotografia urobená v stánku BASF
Fotené v stánku Evonik
Keďže však PA12 nevyniká vysokou teplotnou odolnosťou, nemôže byť dlhodobo používaný v potrubiach s vysokými pracovnými teplotami. Napríklad potrubia chladiacej vody motora vozidiel so spaľovacím motorom vo všeobecnosti stále používajú kovové alebo gumené potrubia namiesto potrubia PA12. Všeobecne povedané, prevádzková teplota chladiaceho systému motora nových energetických vozidiel je vo všeobecnosti nižšia ako 80 stupňov a prevádzková teplota chladiaceho systému batérie je vo všeobecnosti nižšia ako 60 stupňov. Materiál PA12 môže plne spĺňať požiadavky na tepelnú odolnosť chladiaceho systému nových energetických vozidiel.
V porovnaní s gumovými rúrami môžu rúry PA12 účinne znížiť kvalitu systému. Hustota PA12 je 1,02 g/cm3, zatiaľ čo hustota EPDM gumy často používanej v tradičných automobilových rúrach je 1,1 až 1,2 g/cm3. Stena rúr PA12 je zároveň pomerne tenká. Ak vezmeme ako príklad rúrku s vnútorným priemerom 15 ~ 18 mm, vodná rúrka PA12 má iba 1,25 ~ 1,5 mm, zatiaľ čo hrúbka steny gumových rúr z EPDM je vo všeobecnosti 3,5 ~ 4 mm.
Fotografia urobená v stánku UBE Hadica UBE PA12
Komplexný výpočet ukazuje, že použitie materiálu PA12 môže znížiť hmotnosť potrubia o 65%. Napríklad určitý model spoločnosti Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. prijíma riešenie potrubia PA12. V porovnaní s tradičnými kovovými a gumenými potrubiami je hmotnosť potrubného systému v skutočnosti znížená o 56%.
Navyše, keďže gumový materiál EPDM má nízku tuhosť, ak sa používa pre dlhšie potrubia, je potrebné nastaviť viac pevných bodov. Preto sú v chladiacom systéme tradičných vozidiel so spaľovacím motorom dlhšie potrubia spravidla vyrobené z kovových materiálov a gumové materiály EPDM sa používajú iba v prechodovej časti. V zodpovedajúcej schéme kovových potrubí a gumových potrubí existuje veľké množstvo prechodových častí, čo nielen výrazne zvyšuje počet dielov, ale tiež zvyšuje riziko úniku.
Potrubie PA12 má vysokú tuhosť a kompletná vodná rúra môže byť vyrobená integrovanou metódou lisovania, čo efektívne znižuje počet častí a zlepšuje spoľahlivosť systému. Napríklad určitý model spoločnosti Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. prijíma riešenie potrubia PA12. V porovnaní s tradičnými kovovými a gumenými potrubiami je počet dielov v potrubnom systéme znížený o 77 %. V porovnaní s kovovými potrubiami a gumovými potrubiami sú potrubia PA12 ľahšie, tuhšie, zaberajú menej miesta a majú vyššiu spoľahlivosť, čo má veľkú propagačnú hodnotu v nových energetických vozidlách.
Okrem toho mnohí výskumníci vykonali výskum potrubí PA12, ktoré spĺňajú potreby iných špecifických scenárov. Napríklad japonská spoločnosť Toray Company a Polyplastics-Evonik spoločne vyvinuli trojvrstvovú extrudovanú rúrku. Vonkajšia vrstva z materiálu PA12 a vnútorná vrstva z polyfenylénsulfidovej PPS živice tejto extrudovanej rúrky sú navzájom spojené špeciálnym lepidlom. Môže odolávať nielen vysokej teplote 130 stupňov, ale má tiež dobrú odolnosť proti hydrolýze a tepelnú odolnosť. Môže byť použitý v automobilových chladiacich potrubných systémoch s vyššími teplotnými požiadavkami.
Pretože PA12 má dobrú priepustnosť voči benzínu, bolo overené, že ide o bezpečný a spoľahlivý materiál palivového potrubia. So vznikom a používaním zmesových palív s metanolom alebo etanolom sa však kládli vyššie požiadavky na priepustnosť palivových potrubí. Metanol alebo etanol v zmiešaných palivách majú silnú priepustnosť a rozpustnosť, čo môže ľahko spôsobiť presakovanie uhľovodíkov a tým nespĺňať príslušné environmentálne normy.
Spoločnosť Zhang Ying vykonala výskum a vývoj v oblasti automobilových palivových potrubí s nízkou priepustnosťou a nízkymi zrážkami. Prostredníctvom hĺbkovej analýzy fyzikálnych vlastností rôznych surovín sme vyvinuli materiály, ktoré možno použiť v palivových potrubiach, a vyvinuli sme päťvrstvové kompozitné rúrky so symetrickou štruktúrou PA12, ktoré spĺňajú normy nízkej priepustnosti palivových potrubí, ako aj palivo. systém montáže linky zložený z kompozitných rúr.
Typické aplikácie materiálov PA66 v automobiloch
V rámci všeobecného trendu „nahradenia ocele plastom“ pri odľahčovaní automobilov prispel PA66 výnimočnou hodnotou ako v tradičných vozidlách so spaľovacím motorom, tak aj v nových energetických vozidlách, pričom priamo alebo nepriamo realizuje sociálnu víziu nízkych emisií uhlíka. Vo výrobnom procese dielov môže byť PA66 rýchlo tvarovaný vo forme s rýchlosťou kryštalizácie desaťkrát vyššou ako PA6, čo výrazne zlepšuje efektivitu výroby.
PA66 Fotografia urobená v stánku Sanfangxiang
V porovnaní s PA6 je výkon PA66 tiež mimoriadne vynikajúci, s vyššou rozmerovou stabilitou, nižšou absorpciou vody a vyšším bodom topenia. PA66 je široko používaný v rôznych automobilových systémoch s cieľom zlepšiť hospodárnosť vozidla a znížiť emisie škodlivých plynov pri zachovaní alebo prekročení existujúceho výkonu.
Ak si vezmeme ako príklad sacie potrubie, prvé sacie potrubia vozidiel so spaľovacím motorom používali hlavne materiály PA6. S použitím integrovaných kompresorov a kompaktnosti motorov sa požiadavky na teplotnú odolnosť sacieho potrubia zvýšili zo 130 stupňov na 200 stupňov a výrobcovia OEM postupne inklinovali k výberu PA66 s vyššou teplotou topenia, aby sa dosiahli vylepšenia výkonu.
Ďalšou typickou aplikáciou PA66 je držiak motora alebo držiak hnacieho motora. V začiatkoch boli takéto konštrukčné časti zvyčajne vyrobené z ocele alebo hliníkovej zliatiny. Pretože samotný materiál PA má účinok tlmenia a znižovania vibrácií, aplikácia výrobkov vystužených sklenenými vláknami PA66 v držiakoch motora a hnacieho motora môže účinne znížiť vibrácie a hluk motora alebo hnacieho motora.
Držiak motora Asahi Kasei PA66 Zdroj: Asahi Kasei
Navyše, keďže PA66 odolá teplotám vypaľovania laku 160 až 180 stupňov, jeho integrácia do karosérie auta v bielej farbe pomáha nielen zlepšiť mechanické vlastnosti karosérie vozidla, ale aj keď dôjde k zrážke vozidla, PA66 zosilní. materiál dokáže účinne absorbovať energiu kolízie, čím maximalizuje ochranu vodiča a cestujúcich a batérie. Dokáže tiež znížiť hmotnosť karosérie vozidla o viac ako 30 %, čím sa zlepší ovládateľnosť vozidla a dojazd.
Nylonový 66 snímač rezolveru motora a snímač rýchlosti, odfotené v stánku BASF
Pokiaľ ide o výskum nových materiálov PA66, mnohí výskumníci tiež vyvinuli materiály PA66 vhodné pre špecifické automobilové diely. Napríklad palubné nabíjačky, DC/DC regulátory, PTC ohrievače a vysokonapäťové spojovacie skrinky v nových energetických vozidlách sú vysokonapäťové komponenty. Vysokonapäťové konektory medzi vysokonapäťovými komponentmi a vysokonapäťovými káblovými zväzkami často používajú bezhalogénový spomaľovač horenia vystužený PA66, najmä organofosforový spomaľovač horenia PA66.
Bezhalogénový retardér horenia vystužený PA66 má dobré vlastnosti spomaľujúce horenie a mechanické vlastnosti, ale jeho cena značne kolíše kvôli dodávke vstupných surovín. Zásoba surovín PA6 je dostatočná a cena relatívne nízka. Preto sa bezhalogénová nehorľavá vystužená zliatina PA66/PA6 stala sľubným alternatívnym technologickým riešením.
Ye Bingbing a spol. študovali zmeny vo vlastnostiach spomaľujúcich horenie, elektrických vlastnostiach, mechanických vlastnostiach a tepelnej odolnosti nehorľavej vystuženej zliatiny PA66/PA6, keď boli pomery PA66 a PA6 odlišné. Zistili, že so zvyšujúcim sa podielom PA6 sa index húževnatosti zliatiny mierne zvýšil, ale vlastnosti spomaľujúce horenie a mechanická pevnosť mierne klesli. S klesajúcim podielom PA6 klesá pevnosť v ťahu, ale húževnatosť výrazne stúpa.
PA66 sa používa aj v nových batériových boxoch energetických vozidiel. Liu Ying a kol. uskutočnil výskum mechanických vlastností PA66 vystuženého nasekanými uhlíkovými vláknami s rôznym obsahom vlákien a vykonal hodnotenie výkonu a simulačnú analýzu použitia materiálu v ľahkých batériových boxoch. Výsledky výskumu ukazujú, že v porovnaní s kovovou krabicou na batérie je krabica materiálu PA66 vystužená nasekanými uhlíkovými vláknami o 84 % ľahšia a maximálne namáhanie krabice je znížené o 30 % až 50 % na hrboľatých cestách a ostrých zákrutách. . Zároveň sa tiež zistilo, že obsah uhlíkových vlákien má väčší vplyv na maximálny výtlak batériového boxu. Zvýšenie obsahu uhlíkových vlákien môže výrazne znížiť premiestnenie boxu pod hrboľatými cestami a ostrými zákrutami.
Koncept polovodičovej batérie, odfotený v stánku BASF
V súčasnosti sa väčšina valcovaných pásov nad 30 cm používaných v automobiloch vyrába z PA66. PA66 má slabú húževnatosť pri nízkych teplotách a je potrebné ho vytvrdiť a upraviť na odolnosť proti chladu.
Lu Daguang a kol. použil metódu dvojzávitovkového miešania na výber rôznych typov spevňujúcich činidiel a surovín PA66 s rôznymi viskozitami na prípravu za studena odolných tvrdených materiálov PA66 vhodných pre automobilové valcované pásy.
PA66 má dobrú tepelnú odolnosť, odolnosť proti korózii a húževnatosť a môže nahradiť PA s dlhým reťazcom ako materiál voľby pre automobilové vodné potrubia PA. Avšak kvôli prítomnosti silne polárnych amidových skupín v molekulovom reťazci PA66 je PA66 náchylný na deformáciu a hydrolýzu pri kontakte s chladivom.
V reakcii na tento problém Zhang Songfeng a kol. najprv zmiešal a upravil materiál PA66 pridaním spevňujúcich činidiel a činidiel odolných voči hydrolýze, aby sa zlepšila jeho odolnosť voči hydrolýze a húževnatosti, a potom sa použili konvenčné procesy vytláčania hadíc na testovanie modifikovaných materiálov na vytláčanie hadíc a úspešne sa vyvinuli potrubia na chladiacu vodu pre automobily s PA66 ako hlavné telo. Prostredníctvom testovania je pevnosť v roztrhnutí zmiešanej modifikovanej hadice PA66 väčšia ako 2,6 MPa a jej materiálové náklady sú znížené o 40%, čím sa rieši problém zložitého výrobného procesu a vysoká cena PA hadice s dlhým reťazcom.
Súhrnne možno povedať, že množstvo plastov používaných vo vozidlách možno do určitej miery použiť ako jeden z ukazovateľov na meranie úrovne dizajnu a výroby automobilov. V súčasnosti je množstvo plastov použitých na jednotku vozidiel so spaľovacím motorom vo vyspelých krajinách asi 150 kg, z čoho PA predstavuje asi 20 %. Súčasné množstvo PA použitého na jednotku domácich vozidiel so spaľovacím motorom je približne 8 kg, pričom sa očakáva, že v roku 2025 dosiahne 15 kg a očakáva sa, že v roku 2030 vzrastie na 30 kg. Model 3 a ďalšie modely, odhaduje sa, že množstvo PA použitého na jednotku nových energetických vozidiel v roku 2030 môže dosiahnuť 50 kg.
Podľa štatistík zo spoločnej konferencie China Passenger Car Market Information Joint Conference bude národný predaj vozidiel so spaľovacím motorom v roku 2022 14.868 miliónov vozidiel, čo predstavuje medziročný pokles o 2,302 milióna vozidiel a spaľovacie motory motorové vozidlá strácajú podiel na trhu alarmujúcou rýchlosťou. Domáce a zahraničné automobilky vo všeobecnosti avizujú, že okolo roku 2030 zastavia vývoj vozidiel so spaľovacím motorom, potom vozidlá so spaľovacím motorom postupne ustúpia z etapy histórie.
Trh s novými energetickými vozidlami zároveň znamenal rýchly rozvoj. Na konferencii China Electric Vehicle Hundred People Ouyang Minggao, akademik z Čínskej akadémie vied, predpovedal, že národný predaj nových energetických vozidiel dosiahne 7 až 9 miliónov v roku 2025 a 17 až 19 miliónov v roku 2030. Huaan Securities Výskumný ústav odhaduje, že využitie automobilových PA materiálov dosiahne v roku 2030 1,44 milióna ton.
Stručne povedané, pokrok v technológii motorov, transformácia automobilov na novú energiu a vývoj ľahkých automobilov účinne podporili zlepšenie úrovne úspory energie a zníženia emisií a efektívnosti sociálnej prevádzky a zároveň priniesli obrovské prírastkové trhy pre aplikáciu technické plasty ako PA. V dohľadnej dobe sa bude dopyt automobilového priemyslu po PA materiáloch naďalej zvyšovať a priemysel PA materiálov vstúpil do obdobia rýchleho rozvoja.
