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汽車中的材料學:聚丙烯的逆襲

汽車中的材料學:聚丙烯的逆襲

  文/王亞飛

  即將開幕的上海車展吸引了不少人的眼球,香車美女,總能讓無數男同志荷爾蒙分泌的更加旺盛。而在如今這個汽車成為女婿標配的年代,如筆者這樣的年輕窮二代,也奔向車展希望發現一輛經濟實用又有逼格的小車。

  當然,這篇文章不是給教你何如選購汽車的,而是希望簡單的科普一下汽車材料。

  說到材料,如今最常見的應該就是塑料。雖然塑料因為廉價的質感,在許多行業中都被當做是低檔的象徵,但不可否認的是,這種材料正在越來越廣泛的被汽車廠商所採用。

  廠商的出發點很簡單,塑料價格便宜、易加工,更輕的車身也可以降低油耗,對於廠商和消費者來說,這都是更佳的選擇。

  如今,平均每輛車上塑料用量達到了150kg,占汽車總重量的10%以上。其中,用量最大也最為重要的就是聚丙烯(PP)。2003年下半年,美國通用汽車公司和福特汽車公司相繼推出了裝備聚丙烯複合材料底盤的皮卡;在2008年,戴姆勒-克萊斯勒投產了第一輛採用聚丙烯來製造全塑車身的商業化車型smart fortwo,在歐洲取得了非常好的銷售成績。

  一、聚丙烯是什麼

  聚丙烯是一種非常常見的高分子材料。它由丙烯聚合而成,有不同的形態,當然這要牽扯到比較專業的高分子材料範疇,在這裡不多做贅述。

  這種材料在我們的生活中應用很廣泛。各位可以拿起家中的微波餐具,看一下底部是否有一個寫着PP的三角形符號,如果有,恭喜你,這是聚丙烯材料的。

  事實上,市場上絕大多數微波容器都是聚丙烯塑料。除此之外,香煙盒的最外層薄膜,醫院中的點滴管材等,都是這種塑料。澳大利亞和加拿大甚至採用了聚丙烯製作錢幣。這種材料就在你身邊,只是你沒有注意到而已。

  從發展上來說,聚丙烯材料出現的比較晚,但自從二十世紀五十年代第一代齊格勒-納塔催化劑被發現並投入生產以來,聚丙烯已成為世界塑料工業發展最快的品種之一。

  發展快的原因自然是性能優良。

  聚丙烯又有一個俗稱叫做百折膠,顧名思義,它能在常溫下彎折一百次以上而不斷裂,同樣的彎折情況下,金屬早就斷成渣了,這也是其能作為錢幣使用的重要原因。除此之外,它的化學穩定性以及物理性能也非常好,無色、無味、無毒同時不易被腐蝕,因此它能作為餐具材料來使用。

  當然,這些優異的性能也使得聚丙烯成為了汽車零部件輕量化、低成本化發展的主流材料。它成功的逆襲了PVC、ABS、PU等工程塑料,成為汽車上應用最廣的塑料材料。

  目前聚丙烯材料在汽車上的用量每輛車達20-50公斤,零件品種多達幾十種,被廣泛的應用在汽車內飾件、空調系統配件發動機配件、保險杠等部位。

  二、汽車上為何要使用聚丙烯

  現代汽車工業除了追求速度與操控外,也越來越注重油耗與綠色環保問題。一個眾所周知的道理是,汽車越輕,往往也越省油,同時速度與操控體驗也越佳。

  因此,汽車廠商開始尋求密度遠小於鋼鐵同時又有很好的強度的材料來代替傳統的鋼鐵。其中一個選擇是採用合金,而這其中又經過了從鋁合金到鎂合金的演進;另外一個選擇是採用高強度的有機材料,如碳纖維樹脂。但可惜的是,這些材料價格要高於之前的傳統材料,例如鎂合金板材的成本大概是鋁合金的三到四倍,換句話說,汽車的重量下來了,成本卻上去了,所以這些材料只能在比較高端的車型上使用,兼具了提升性能與提高逼格雙重功效。

  而在中低端汽車的生產中,聚丙烯無疑成為了最佳的選擇。

  首先,這種材料是密度最低的高分子材料之一,它的重量只有相同大小的鐵的九分之一,但這卻沒有妨礙其擁有比較好的強度和硬度。聚丙烯的強度和硬度得益於其高結晶度以及規整的結構,打個比方來說明,其他的軟質塑料內部分子排列就如同散亂的遊客,而聚丙烯的分子結構則像購票大廳隊列整齊的旅客,其強度更高。

  但其實,普通的聚丙烯強度還達不到作為承力結構的標準,於是材料學家通過進一步提高其分子規整性以達到更好的機械強度。比如日本豐田公司推出的新一代具有高取向結晶性的聚丙烯HEHCPP產品,其內部的分子結構排列十分整齊,可以看做是紀律嚴謹的軍隊,強度很高,可以作為汽車儀錶板、保險杠。同時,高強度也可以通過增強改性來實現,如採用玻璃纖維進行改性的聚丙烯。它就像是夾心餅乾,中間是一層透明的高強度的玻璃纖維編織物,外面是聚丙烯樹脂。這樣的材料強度可以超過一般的工程塑料。

  其次,聚丙烯價格十分低廉,來源充足,是五大通用塑料之一。製備聚丙烯的原料是丙烯,這種小分子烯烴是石油化工產業中的產品之一,產量相當大,近兩年甚至供過於求,價格不斷下滑。使用這種價格低廉的材料,可以使汽車的成本下降一大截。

  最後,與其它通用塑料相比,聚丙烯價低而質不低。除了高機械強度外,聚丙烯沒有毒性,易於加工成型,耐油污而且清洗方便。同時,聚丙烯材料質感比較細膩,體感比較舒適,用來做汽車內飾件還能起到減震、隔音和隔熱的作用,不僅能提高汽車的舒適性,還能在車輛發生碰撞時為乘員提供充分的保護,綜合來說,不論質感、舒適性還是安全性,聚丙烯都比其他的工程塑料要強上一個檔次。

  因此,越來越多的廠商選擇聚丙烯材料來做汽車的內飾以及防護材料,它正在取代傳統材料在汽車上的應用。

  三、聚丙烯在汽車上的使用還有很大的改進空間

  完美的材料在當今時代是不存在的,儘管聚丙烯物美價廉,但仍有巨大的改良空間。

  首先,聚丙烯材料的強度受溫度影響較大。在低溫下,這種材料會變脆,在北方城市,這是一種非常大的缺陷。而在高溫,光和氧的作用下,這種材料又會老化,而且最關鍵的是其易燃燒。這使得其在一些高溫城市中也受到一定的限制。

  除此之外,隨着汽車作為交通工具的普及,人們停留在車內的時間越來越長,車內空氣質量就直接關係到乘車人的身體健康。

  嚴格來講,大分子聚丙烯是無毒的,但是由於工業聚丙烯在大批量生產時,小分子不可能全都聚合成無毒的大分子,總有一些不太合群的丙烯分子只能找到幾個朋友,成為寂寞而有毒的短鏈分子;同時,由於聚丙烯的耐刮擦性能差,部分用作內飾的聚丙烯為了提高耐摩擦性會添加一些有一定毒性的助劑。這些短鏈分子以及耐摩擦助劑在高溫環境下會不同程度的釋放出來,成為有害的有機揮發物。

  當車輛停放在停車場上,由於溫室效應可以使車內溫度在短時間內達到90℃-100℃的高溫,這就達到了有毒揮發物的逸出溫度。車內空間狹小而密閉,聚丙烯材料釋放出的有害氣體難以擴散出去,車內污染物濃度就會維持在較高水平上,進而影響車主和乘客的身體健康。

  這些問題制約了聚丙烯材料在汽車上的應用。但我們也要看到,有許多的材料學家正在嘗試改進工藝,用不同的方式生產特種的聚丙烯材料,爭取提高其強度安全性以及阻燃性。聚丙烯材料在汽車上的應用,仍然是一個大趨勢。

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