论汽车保险杠常用材料性能
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作者:王丹阳
摘 要：随着技术发展，塑料因其取材便利，性能优良，价格低廉等优势而在汽车制造材料选择中有了更大的应用，其中汽车保险杠常用材料也逐渐从传统金属汽车保险杠向塑料汽车保险杠过渡。本文简述塑料汽车保险杠的优势及常用材料，分析不同材料的性能和特点，以期为我国汽车保险杠材料选择提供依据，为我国汽车制造行业发展做出贡献。
关键词：汽车保险杠 材料 塑料 性能
中图分类号：U463.32 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0037-02
20世纪80年代之前，汽车保险杠主要以金属材料为主，其加工工艺是以钢板冲压成型后再与车架纵梁铆接或是焊接。而随着科学技术的不断发展，汽车保险杠材料选用的传统金属材料也逐渐被淘汰。在现代汽车制造中，越来越多的汽车保险杠加工，会选择性能更优，取材便利的塑料材料。塑料材料多样，性能各不相同，本文基于不同分子结构的塑料，分析其性能，以期对我国汽车制造行业汽车保险杠加工选材提供借鉴。
1 塑料汽车保险杠优势
保险杠是汽车生产制造中的重要一环，其能有效缓冲外界沖击力，保证驾驶人员的人身安全。目前国外使用弹性体改性PP为材料的汽车保险杠已经占到保险杠加工生产总量的70%，国内大部分引进车型如神龙富康、一汽奥迪、上海桑塔纳以及经济型轿车也多采用改性PP。相较传统金属材料，现代汽车制造行业越来越多的选择塑料，其根本原因在于塑料具有以下优势。
（1）节约成本。
相比较传统金属，塑料取材方便，加工便利，且塑料本身即是有机化学物质的一种，加工成本明显低于金属材料加工成本。此外，塑料可塑性强，在生产各种不同结构的汽车保险杠时，更为合适。
（2）实现汽车轻量化。
相较传统金属汽车保险杠，塑料汽车保险杠明显质量更轻，降低了汽车的整体质量，提高了汽车底盘承载力，提高了汽车动力性能和制动性能，也降低了汽车燃油消耗，避免了大气污染物排放以及进而导致的空气污染。如1991年，日本丰田汽车公司造出的纳米PP复合材料，使保险杠质量减轻1/3。
（3）性能优良。
塑料材料本身具备优良的抗腐蚀、抗潮防水、绝缘、耐老化、耐磨和力学性能。且相比传统金属汽车保险杠，塑料保险杠弹性更大，抗冲击性能优，且自身结构粘性更佳，当发生轻微碰撞的时候，塑料保险杠不会开裂且可通过弹性而自行恢复，即使碰撞剧烈，保险杠发生破损，也可以便利的进行维修，粘结，喷漆，维修成本明显低于需要钣金修复的金属保险杠。
（4）行人安全。
汽车保险杠在设计时，不但要保障驾驶者的人身安全还应对行人安全有所保障。根据专家对汽车保险杠安全性以及行人影响综合分析发现，汽车保险杠在应对突发意外时，为了降低对行人腿部的冲击力，汽车保险杠在撞击后的变形量应控制在50～75mm内，针对这一要求，相比传统金属保险杠，明显是塑料汽车保险杠更能满足要求。
2 塑料汽车保险杠材料和性能分析
汽车保险杠制造的核心问题包括两个方面，一是材料选择，而是工艺技术。目前市面上广泛用于汽车保险杠制造的塑料主要有两种，分别是聚丙烯和聚碳酸酯，工艺多采用注射成型工艺。其余也有片状模塑符合材料（SMC）以及玻璃纤维增强热塑性塑料（GMT）等。下文将分别阐述其性能和混合工艺对其的改性处理要求。
2.1 聚丙烯（PP）的性能及改性处理
聚丙烯（PP）是五大常用塑料之一，原料来源丰富，易于成型，可循环利用，价格低廉，是汽车保险杠外壳的主流材料。该材料密度仅为0.90g/cm3，是常用塑料材料中最轻便的，用于汽车保险杠材料时，能明显减轻汽车整体质量，一定程度上实现汽车轻量化目的。且聚丙烯熔点高、耐腐蚀，抗弯曲，能有效延长汽车保险杠使用寿命。聚丙烯的缺点是耐候性差，耐寒性差，低温易脆裂，抗蠕变性差易变形，不耐磨易老化，易燃，且有熔滴，极易引发火灾，就要采取严格防火阻燃措施。因此，为保证安全性，需进行聚丙烯材料的增强、增韧或填充等改性处理，即以聚丙烯为基体树脂，加入一定比例的橡胶、纤维、无机填料、助剂、色母粒等韧性材料或弹性体，实现结构共聚，提高聚丙烯材料的整体韧性，改善其低温冲击强度问题。如用经表面处理的滑石粉填充PP，能有效提高PP的冲击性能，改善模量。
2.1.1 PP/橡胶增韧体系
橡胶具有明显的高柔韧性和高可塑性，是早期塑料增韧体系最常用选材。橡胶与聚丙烯材料集合，能在一定程度上提高聚丙烯材料的柔韧性。目前常用的聚丙烯材料增韧的橡胶材料主要是三元乙丙橡胶（EPDM），增韧改性效果最好，其他也有天然橡胶、乙丙橡胶（EPR）等。2种或3种聚合物通混合，通过两步串联气相聚合技术，改变PP的原有结晶形状，形成聚丙烯共混料，即热塑性硫化橡胶（PP/EPDM）等。PP/EPDM在抗温、抗冲击、抗紫外线、耐腐蚀等方面具有明显优，且加工简便，费用低廉，在欧洲广泛使用。PP/EPDM的混合工艺主要有两种，一种是加入交联剂将EPDM动态硫化，在利用密炼机、螺杆机等将其高度微细粒子化，充分分布于PP连续相里，形成热塑性硫化橡胶（TPV），耐热、耐压缩性能增强。另一种不经硫化将EPDM作为软链与PP硬链段混合，形成热塑性弹性体（TPE）。TPE性能优良，使用广泛，为帕萨特、大众宝来等车型保险杠采用，在北美使用量年增长超过10%。 2.1.2 PP/热塑性弹性体增韧体系
常见的热塑性弹性体有聚烯烃弹性体（POE）、聚异丁烯、乙烯-乙酸共聚物（EVA）等。相比典型橡胶增韧体系中的EPR和EPDM，热塑性弹性体增韧效果更好，特别是在流速超过15g/10min的PP仍有明显的增韧效果。
2.2 聚碳酸酯（PC）类
聚碳酸酯类材料是由PC与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和/或聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）具有较好的稳定性，抗化学腐蚀、抗冲击能力较强，温度适宜范围广，只有在极低温度才会变脆、变硬。聚碳酸酯类在汽车保险杠制造中，因抗紫外线能力强，所以无需再进行喷漆预处理，降低了加工成本。此外，該种材料，相比泡沫西能缓冲装置占用空间更小，费用低廉，如Swift（雨燕）保险杠的Xenoy材料。
2.3 片状模塑复合材料（SMC）
该种材料由玻纤增强专用纱、不饱和聚酯、填料和各种助剂组成，具有与金属类似的物理特性。SMC抗腐蚀，抗弯，回弹性均优于金属，但其密度却明显低于金属，质量轻，且高温下仍能保持良好力学特性，优于普通热塑性塑料。因此，SMC制品被广泛应用前后保险杠的防撞梁，如斯太尔王等。
2.4 玻璃纤维增强热塑性塑料（GMT）
该种材料力学性能优良，且制作时长短，费用低廉。相比SMC，GMT抗冲击性能优异，能在16km/h的冲击碰撞下保持不变形，还具有可再生利用以及储存周期长等优点。目前，这一材料已在美国广泛应用，且数层单向GMT在刚度和强度上性能更佳。
3 结语
随着我国汽车产业不断发展，汽车材料不断推陈出新，汽车保险杠生产甚至是汽车生产中应用塑料已是不可逆转的趋势。我国政府、高校、企业应联合起来，打破国外企业技术垄断，研发高水平材料、配方以及生产工艺等，提高产品性能，最终实现低档塑料高性能化应用，我国汽车工业发展再上新台阶。
参考文献
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