乘用车塑料后尾门材料的应用研究

作者:东风汽车公司技术中心 黄骏霖 刘彬 刘剑平 刘洲 李亦琛 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-10-26
在东风风神某乘用车型塑料后尾门的开发中,为避免采用进口料而有效降低成本,东风汽车公司技术中心选择了多个国产塑料牌号对其应用于塑料后尾门内外板的各项性能进行了试验和研究,最终获得了满意的解决方案。

引言

在当前面临全球气候变暖以及能源危机的大形势下,汽车的排放面临着越来越严格的要求。汽车轻量化是降低汽车排放、提高燃油效率的最有效措施之一,因而成为汽车技术发展上的一个关键方向。研究表明:汽车每减重10%,燃油效率能提高6%~8%不等;汽车每减重100kg,CO2排放降低8.5g/km。越来越严苛的燃油经济性和排放法规,促进了乘用车的轻量化进程,也推动了塑料后尾门的发展。

所谓塑料后尾门,是指内板、外板和扰流板这三大件是塑料件,并非全部零件都是塑料制成的。除了这三大件之外,尾门上还需要集成许多组件,如天线、高刹灯、玻璃、雨刮、电机、线束、挡风板、尾灯、摄像头、电动尾门开关、牌照板及牌照灯等,它们当中有很多钣金件(如图1所示)。

东风风神后尾门
东风风神某乘用车型的塑料后尾门正面

东风风神后尾门
东风风神某乘用车型的塑料后尾门反面

塑料(包括塑料复合材料)作为汽车工业的主要原材料之一,其优势除了轻质,还包括优秀的材料特性、良好的经济性和大量供应的可能性。基于这些优势,塑料在汽车中的应用,包括在后尾门的应用将会越来越普遍。

塑料后尾门用材料的发展历程

塑料后尾门的材料发展历史,到现在基本经历了三代:

第一代,全部采用热固性塑料(SMC复合材料),代表车型:1982年雪铁龙BX、1993年土星的旅行轿车、1996年雷诺Espace、1996年沃尔沃V70以及2002年梅甘娜II。SMC复合材料俗称玻璃钢,特点是刚度高,外观效果好,产品收缩率低,缺点是密度还是比较高,减重效果一般,而且材料回收难度高。此外,SMC复合材料的外板由于玻璃纤维的缘故,脆性比较大,塑性不好,发生碰撞即容易开裂。因此,导致了第二代塑料后尾门的出现。

第二代,热固性塑料、热塑性塑料相结合,即内板使用SMC材料模压工艺成型,外板使用PP或者TPO等热塑性塑料注塑工艺成型,业内有称之为“Higate”(Hybrid Tailgate)。代表车型:2004年雷诺Modus、2007年马自达5、2011年标致508的旅行版、2012年路虎极光、2013年路虎揽胜、2013年雪铁龙C4 毕加索、2013年捷豹XF旅行版、以及2014年国产DS6。与第一代相比,外板采用改性PP带来较好的轻量化效果,但由于内板与第一代同样采用模压工艺,无法实现复杂的立体结构,影响了减重效果和复杂造型的实现。另外,模压工艺生产周期长,对大规模生产节拍有一定的制约。再加上近年来日趋严格的ELV法规对回收利用的要求,促成了第三代方案的出现。

第三代,全热塑性塑料(Full Thermoplastic),车型举例:2012年雷诺新Clio、2015年标致308S、2014年奇骏X-trail、2014年宝马i3和奇瑞eQ1。该技术的特点是:内板使用长玻纤增强的PP(PP-LGF),外板和扰流板使用PP,全部使用注塑工艺成型,然后使用涂胶工艺进行装配。表1给出了乘用车后尾门内板的常用材料对比,可以看出,长玻纤增强PP(PP-LGF)与SMC材料相比有如下特点:刚度模量相差不是太大,但是密度比SMC小,减重效果明显;PP-LGF材料在VOC检测上有优势;采用注塑成型,自动化程度比模压成型高,成型周期短,在生产效率上有优势。因此,全热塑性塑料后尾门应该算作塑料后尾门的主流方向。但目前也有一些车型选择SMC材料,这是因为SMC尺寸稳定性好、线膨胀系数低等方面的优点,比如标致4008/5008、雪铁龙C5天逸等。

东风针对塑料后尾门的材料研究

我中心在东风风神某乘用车型塑料后尾门的开发过程中选用了第三代材料技术,内板材料为PP-LGF40,外板材料为PP+EPDM-TD30。该车型后尾门的外板分为上下两部分并由后尾门玻璃隔开,上板即为后导流板,这样后尾门玻璃在装配的过程中其上下两侧可与后尾门的上板和下板粘接,左右两侧与内板粘接。内板与尾门上板、下板的连接也可采用这种粘接方式。为保证塑料后尾门的安全性,车辆使用中不发生粘接失效,我们对塑料后尾门材料的常规性能及粘接性能进行了充分研究。考虑到该车型项目开发进度、塑料后尾门用材风险的缘故,我们决定使用欧美成熟的内、外板材料并在试验中验证通过。之后基于降低成本的需要,我们又对国产化材料的性能进行了研究。

1.PP-LGF材料的常规性能试验

我们分别选取了国内五家公司的PP-LGF40材料牌号和现生产料,对其常规性能进行对比分析,试验结果见表2。由于材料冲击强度分散性较大,试验结果用平均值与标准偏差同时表示。可以发现:

(1)与现生产料相比,除C材料弯曲模量明显偏低外,其他各材料牌号总体性能基本相同,具备可相互替代的可行性。

(2)23℃简支梁冲击试验中,材料C的试验结果分散性非常大,说明其性质不稳定。由图2中样条在冲击试验后的截面可以看到,材料C的样条内有很多中空部位,表明长玻纤在PP料中的浸润和分散性很差,而现生产料的样条内部玻纤分布均匀,因此冲击结果分散性小。

材料冲击截面
材料C冲击截面图

材料冲击截面
现生产料冲击截面图
图2 冲击测试样条截面对比图

 

 

基于以上考虑。筛选出材料A、B、D、E进入后续的粘接性能试验。

2.外板材料的常规性能试验

分别选取了国内三家公司的PP+EPDM-TD30材料牌号和现生产料,对其常规性能进行对比分析, 试验结果见表3。可以发现:各材料牌号性能基本相同,均满足技术指标要求,具备可相互替代的可行性。

3.内外板材料与玻璃胶粘接试验

试验样板制作:首先对外板、内板基材(300mm×100mm×3mm)进行等离子处理,然后涂底涂,放置110h以上后再使用底涂激活,并用胶枪将聚氨酯玻璃胶挤涂在涂胶区域制成刀割样板,将样板放置在室温下(23℃,50%RH)7天,至完全固化。

先后对现生产料、内板料A/B/D/E、外板料A/B/C与玻璃胶粘接制成的样板,进行常态、热老化、气候老化及湿热老化4个条件的刀割剥离试验,试验方法采用SAE J1720,具体的试验条件和要求值见表4,试验结果见表5。可以发现:4个牌号的外板料、5个牌号的内板材料与玻璃胶的粘接中,外板料A/B/C与玻璃胶粘接老化后均出现基材与底涂的界面破坏,且界面破坏面积超过30%,不满足要求;其他6个牌号的材料样板与玻璃胶的粘接均满足粘接性能要求。

4.内外板材料与内外板粘接胶粘接试验

试验样板制作:首先对外板、内板基材(100mm×25mm×3mm)进行火焰处理,再使用胶枪将专用的内外板粘接剂(聚氨酯胶)挤涂在涂胶区域制成剪切样板,将样板放置在室温下(23℃,50%RH)7天,至完全固化。先后对现生产料、内板料A/B/D/E、外板料A/B/C进行常态下的低温、常温、高温和湿热老化4个条件的剪切试验,试验方法参照GB/T 7124-2008,试验条件及要求值见表6,试验结果见表7。可以看出:

(1)外板料方面。外板料A 4个条件的剪切强度和胶破坏模式均不满足要求;外板料B低温、高温剪切强度,以及高温、湿热老化剪切胶破坏模式不满足要求;外板料C 4个条件的剪切强度和胶破坏模式均满足要求。

(2)内板料方面。内板料A的低温剪切强度,以及4个条件的胶破坏模式不满足要求;内板料B的剪切强度满足要求,常温下胶的破坏模式不满足要求;内板料D、E 4个条件的剪切强度和胶破坏模式均满足要求。

5.塑料后尾门材料的后续验证

根据内外板材料常规性能和粘接性能的试验结果,我们选择内板材料D、E和外板材料C进行了后续的零部件工艺性能验证、外观检查和尺寸检测、后尾门功能试验及装车道路耐久试验,最终成功地找出可代替该车型塑料后尾门所用进口料的国产材料,从而节约了成本。

结束语

塑料后尾门相比金属尾门,有自由度高、满足汽车美学的造型需求,及轻量化效果显著等优点,可以预期,未来的塑料后尾门,特别是全热塑性塑料尾门将会越来越普及,比如SUV和MPV车型,以及混动和电动车型,都具有通过轻量化的方式来降低油耗、排放或者增强续航能力的需求。作为塑料后尾门所用的热塑性材料,将朝着更好的成型工艺性、高强度、质轻、更好的尺寸稳定性、低散发及良好的触感等方面发展。

通过我们的研究发现,当前的一些国产料也能够满足塑料后尾门的应用需求,因此国内汽车主机厂不要从低风险的角度一味地选择进口材料,而应该大胆地尝试国产料,通过一系列的试验和研究,找出最佳的替代品,以有效降低成本。

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