中國汽車用聚氨酯發(fā)展方向

1、中國汽車用聚氨酯發(fā)展方向黃茂松，賈潤萍（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200235）一、汽車工業(yè)用材料的未來發(fā)展方向“十二五”期間，我國汽車工業(yè)超高速發(fā)展，產(chǎn)銷量躍居世界第一。來自中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計顯示，2010年我國生產(chǎn)汽車1826.7萬輛，比2005年增長22%，銷售汽車1806.9萬輛，比2005年增長213.7%。按照汽車“十二五”規(guī)劃，到2015年將形成2500萬輛產(chǎn)能。從目前各企業(yè)已透露出的產(chǎn)能規(guī)模到2015年，我國汽車實際產(chǎn)能將達(dá)到5300萬輛。我國汽車工業(yè)未來發(fā)展將由追求產(chǎn)能產(chǎn)量和規(guī)模，將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦幼⒅刭|(zhì)量和水平。輕量化、綠色環(huán)保、舒適安全，將成為我國汽車用

2、材料未來發(fā)展的三大主題。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，目前我國一輛轎車，PU平均用量為1520 kg。2010年我國汽車工業(yè)PU消費量30萬t左右。PU材料在轎車上應(yīng)用，是衡量轎車質(zhì)量一個重要標(biāo)志之一。歐美高檔轎車，PU用量2530 kg。2009年我國PU產(chǎn)品消費量達(dá)550萬t，2010年消費量達(dá)640萬t。2009年消費MDI 100萬t，TDI 143萬t，聚醚多元醇135萬t，我國PU產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。為我國汽車工業(yè)高速發(fā)展創(chuàng)造了必要條件。汽車工業(yè)用的PU材料制品，主要包括軟質(zhì)、硬質(zhì)、半硬質(zhì)、泡沫塑料、PU彈性體（含CPU、TPU微孔彈性體）、膠粘劑、密封劑和涂料等（見表1）。二、PU是實現(xiàn)汽車材料輕量

3、化的關(guān)鍵材料PU泡沫在汽車內(nèi)飾件上的應(yīng)用：2010年我國汽車內(nèi)飾件PU軟泡用量為15.2萬t，PU硬泡用量為6.7萬t。主要用于汽車儀表盤、座墊、靠背、頭枕、車門、扶手、方向盤總成、汽車頂棚、門內(nèi)板和密封件等部位。降低PU泡沫密度是實現(xiàn)汽車內(nèi)飾件輕量化的一條重要技術(shù)途徑。目前國內(nèi)主要采取的技術(shù)途徑：采用高固含量、低粘度POP（接枝聚醚）和高官能度、高活性聚醚等技術(shù)途徑。RIM（反應(yīng)注射成型）、RRIM（增強反應(yīng)注射成型）和SRIM（結(jié)構(gòu)型反應(yīng)注射成型）PU制品在汽車實現(xiàn)輕量化上的應(yīng)用：RIM、RRIM和SRIM在歐美表1 汽車聚氨酯制品一覽表品種汽車零部件主要性能及使用狀況高回彈冷模塑軟泡座墊

4、、靠背、頭枕、裝飾條優(yōu)異的回彈性、低滯后損失、高壓縮負(fù)荷比、手感好、透氣性好、自熄性好、生產(chǎn)時能耗較低，現(xiàn)比較流行熱模塑加填料軟泡座墊、靠背、頭枕、足墊原材料價格較低可加入無機填料，以改善制品性能和降低成本，可采用結(jié)構(gòu)簡單造價較低的模具半硬泡儀表盤填充劑、門柱包皮、控制箱、喇叭座墊、扶手、頭枕、遮陽板具有較高的密度和壓縮強度，優(yōu)異的能量吸收功能，可減震和抗沖擊，現(xiàn)用的比較多自結(jié)皮泡沫扶手、方向盤、空氣擾流板、頭枕、門柱、控制箱具有光潔平滑且密度很高的自結(jié)皮表層、芯部為密度較低富有彈性的泡沫體，現(xiàn)用的比較多微孔彈性體方向盤、濾清器密封墊、密封條、防震墊和橡膠相比密度較柔軟、尺寸穩(wěn)定性佳、耐磨、耐

5、撓曲性能優(yōu)異、抗老化性能好硬泡門板內(nèi)襯、頂蓬襯里、小冰箱、仿木飾條、消音墊、遮陽板重量輕、強度高、汽車穩(wěn)定性能佳、絕緣性能優(yōu)異(是最佳的有機絕熱材料)、抗老化性能好，現(xiàn)用的比較多澆注型彈性體（CPU）防塵密封、軸承套、轉(zhuǎn)向節(jié)襯套、門齒塊、鋼板彈簧吊耳襯套、汽車輪胎承載能力大、抗撕裂強度高、耐磨、耐油、硬度可調(diào)節(jié)范圍大熱塑性彈性體減震墊塊、鋼板彈簧隔墊、彈簧線圈護套、齒輪傳動裝置單、頂蓬和車身部件高模量、高強度、高伸長率和高彈性、優(yōu)良的耐磨、耐油、耐低溫、耐老化性能?？捎靡话愕乃芰霞庸し椒ǎㄗ⑺軝C）生產(chǎn)各種制品、廢料可回收利用，有擴大的趨勢汽車工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用，主要用于保險杠、方向盤、車身壁

6、板、發(fā)動機罩、行李箱蓋、散熱器格柵、檔泥板、擾流板等。RRIM制品的重量只有鋼的一半，是實現(xiàn)汽車輕量化的一個重要途徑。目前國內(nèi)汽車工業(yè)RIM等技術(shù)，與歐美相比在用量和質(zhì)量上尚存在一定差距，有待進一步加強開發(fā)。PU材料是汽車實現(xiàn)塑料化的最有發(fā)展前途的重要材料。目前世界汽車（主要是轎車和新能源汽車）的發(fā)展方向是輕量化。輕量化是提高燃油燃燒效率和降低汽車尾氣排放，也是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要技術(shù)措施。而汽車材料的塑料化，以塑代鋼，是汽車輕量化的發(fā)展必然趨勢和重要技術(shù)途徑。不同材料的汽車零部件，耗能不同。以生產(chǎn)重量相同（450克）的零部件為例，采用塑料件所耗能源折合汽油3.94.5 kg，若采用鋁或鋼，

7、所耗能源折合汽油5.36.8 kg。統(tǒng)計顯示，汽車自重每減輕10%，燃油消耗可降低6%8%。目前技術(shù)發(fā)達(dá)國家轎車平均塑料用量120 kg/輛，德國轎車平均塑料用量300 kg。我國轎車平均塑料用量80100 kg/輛，奧迪A2型汽車用量為220 kg。到2020年，技術(shù)發(fā)達(dá)國家轎車平均塑料用量將達(dá)到500 kg/輛以上。BASF制造了全PU車身跑車，其最高時速可達(dá)270 km。采用了RRIM技術(shù)，該PU車身是一種碳纖維增強微孔PU彈性體復(fù)合材料。三、TPU及其復(fù)合材料是汽車實現(xiàn)塑料化的重要原料之一目前在轎車中應(yīng)用的塑料件材料主要是PP（聚丙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PU和PA（尼龍）四種材料。

8、汽車塑料件的發(fā)展方向是不斷推出性價比優(yōu)良、并可回收再生的材料。而熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）材料可發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。TPU已被用于汽車車體的多種構(gòu)件，包括TPU塑料合金，如TPU與PP、PVC、PA等塑料構(gòu)成性價比優(yōu)良的復(fù)合材料，可在汽車工業(yè)中發(fā)揮重大作用。TPU橡膠復(fù)合材料：TPU與多種橡膠構(gòu)成的復(fù)合材料在汽車工業(yè)中具有重要用途。（1）TPU/PP（聚丙烯）塑料合金目前國內(nèi)外正在開發(fā)針對汽車TPU-PP玻纖（包括長纖和短纖）的增強橡塑復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，此種材料具有質(zhì)輕、性價比優(yōu)良、可回收等優(yōu)點，可望能廣泛用于汽車內(nèi)外飾件，如保險杠及其支架，車上各種支架和結(jié)構(gòu)框架等，一旦開發(fā)成功，則TPU在汽車上

9、的應(yīng)用將大幅增大。（2）TPU/PC（聚碳酸酯）塑料合金TPU/PC共混合金可改善PC的韌性、應(yīng)力開裂性、斷口敏感性、耐溶劑、耐化學(xué)品性，同時可降低PC的成型加工溫度，在汽車工業(yè)擴大了其應(yīng)用范圍。（3）TPU/PVC塑料合金TPU/PVC合金可明顯提高PVC伸長率（可替代有毒的DOP增塑劑）擴大了PVC應(yīng)用領(lǐng)域。近來報導(dǎo)反應(yīng)性共混技術(shù)制備TPU/PVC合金。首先將PVC溶解在TPU的原料二元醇中，隨后加入異氰酸酯進行原位聚合，形成TPU/PVC合金，性能優(yōu)于一般的TPU/PVC共混合金，在汽車領(lǐng)域，擴大了應(yīng)用范圍。（4）TPU/PA6（尼龍6）塑料合金尼龍6是尼龍中性價比最優(yōu)、用途最廣的工程塑

10、料。PA6具有強度高、耐腐蝕、耐油和自潤滑性優(yōu)良等特點，但存在沖擊韌性不高、吸濕性較大缺點。因而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。TPU彈性體具有高強度、高彈性、高耐磨性等特點，但存在耐溫性不高的缺點。開發(fā)TPU/PA6工程塑料綜合了上述兩種材料的優(yōu)點，克服其缺點，將是一種新型高性能復(fù)合材料。在汽車工業(yè)具有廣泛的應(yīng)用價值。TPU塑料合金和TPU橡膠復(fù)合材料均具有可回收再利用優(yōu)點，目前我國已有5000多萬輛廢舊車輛，每年將有1000萬輛舊車需進行改造和作廢。歐美先進國家對汽車工業(yè)用塑料件明確提出了可回收率指標(biāo)和可利用率，要求汽車塑料可回收率達(dá)到95%以上、可利用率達(dá)到90%以上。我國發(fā)改委、科技部、環(huán)保局聯(lián)合制

11、定了汽車部件回收利用技術(shù)政策“到2017年我國汽車可回收率要求達(dá)到95%以上、可利用率達(dá)到85%”。TPU是一種可回收的熱塑性彈性體，但是目前TPU在我國汽車工業(yè)上的年消費量只有3萬t左右，TPU塑料合金等復(fù)合材料無疑給新型TPU彈性體材料在汽車上的應(yīng)用提供了新的巨大市場機遇。四、PU綠色環(huán)保材料是汽車用材料發(fā)展必然趨勢（一）開發(fā)低VOC PU泡沫塑料l 汽車車內(nèi)VOC（有機揮發(fā)物）含量已成為消費者對其產(chǎn)品認(rèn)知度的重要評價指標(biāo)；l 車內(nèi)PU泡沫材料、PU膠粘劑、PU涂料、PU合成革等中VOC揮發(fā)物是影響車內(nèi)空氣質(zhì)量的主要因素；l 研究和控制PU材料中有害性氣體和揮發(fā)性問題以及有效防范措施對車內(nèi)

12、環(huán)境改善，對我國汽車工業(yè)發(fā)展均具有重大意義；l 汽車內(nèi)飾件用PU泡沫塑料VOC主要來源：聚醚多元醇（主要是POP）、催化劑、勻泡劑（穩(wěn)定劑）、異氰酸酯中揮發(fā)性有機物包括芳香族化合物（甲苯、苯乙烯）和有機胺類化合物等；l 開發(fā)高固、低揮發(fā)性POP、有機胺反應(yīng)性催化劑、低揮發(fā)性勻泡劑等。上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院正在與武漢興橋高分子新材料科技公司等單位合作，開發(fā)一種車內(nèi)VOC空氣凈化器，對提高車內(nèi)空氣質(zhì)量具有明顯效果。（二）積極開發(fā)生物質(zhì)植物油基多元醇綠色技術(shù)植物油是可再生資源，利用如大豆油、蓖麻油、棕櫚油等植物油為原料，可開發(fā)相應(yīng)的植物油多元醇，以替代石化路線的聚醚多元醇。生物基PU泡沫循環(huán)利用率、有機物

13、揮發(fā)以及CO2排放量均優(yōu)于石油基PU泡沫，是一種綠色環(huán)保原料。美國重點開發(fā)大豆油基植物油多元醇，美國福特汽車公司已成功地開發(fā)成了大豆油基PU泡沫，用于汽車座墊和座椅靠背。馬來西亞利用當(dāng)?shù)刭Y源，開發(fā)出一系列棕櫚油多元醇，廣泛應(yīng)用于PU硬泡領(lǐng)域。日本豐田汽車公司已成功開發(fā)了蓖麻油基PU泡沫塑料座墊。（三） 積極開發(fā)PU汽車綠色輪胎技術(shù)目前全球汽車輪胎絕大部分采用橡膠輪胎。此種汽車輪胎在城市行駛時，由于與地面摩擦產(chǎn)生大量有害物質(zhì)顆粒散發(fā)于空氣中，是造成城市空氣環(huán)境質(zhì)量差的重要污染源。PU輪胎具有極為優(yōu)異的耐磨性（是天然橡膠的35倍，實際應(yīng)用高達(dá)10倍左右），不含炭黑和石蠟烴類有害物質(zhì)，用于城市交通、

14、必將極大改善城市空氣質(zhì)量。PU輪胎比橡膠輪胎還具有加工能耗低、節(jié)能減排和使用壽命長等優(yōu)勢。橡膠輪胎的重要原料是天然橡膠（NR），我國輪胎工業(yè)每年需NR 490600萬t，占全球產(chǎn)量50%，而自給率只有13%16%，大量需進口NR，目前NR價位已高達(dá)4萬元/t以上。因此積極開發(fā)PU輪胎已勢在必行，已列入中國PU工業(yè)協(xié)會“十二五”期間重點開發(fā)對象。華南理工大學(xué)采用CPU技術(shù)，成功地開發(fā)了PU-橡膠復(fù)合輪胎，已處于產(chǎn)業(yè)化階段。上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院正積極開發(fā)TPU輪胎，歡迎有關(guān)單位參加合作。（四）車用水性PU膠粘劑發(fā)展前景廣闊隨著環(huán)保法規(guī)的健全以及環(huán)保意識的不斷增強，溶劑型車用膠黏劑將會逐漸被環(huán)保型膠粘劑

15、，如水基膠黏劑所取代。尤其是水基汽車內(nèi)飾膠的推廣應(yīng)用已勢在必行。水基內(nèi)飾膠主要用于粘合汽車頂棚、地板、地毯、儀表板、門板等內(nèi)飾件。目前，日本汽車內(nèi)飾膠全部達(dá)到水性化，美國為60%，我國僅為20%。在水性汽車內(nèi)飾膠中，PU膠為主要品種。我國水性PU內(nèi)飾膠技術(shù)已日趨成熟，應(yīng)積極推廣在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用。此外，隨著汽車輕量化，塑料件用量不斷增加，環(huán)保型無溶劑PU結(jié)構(gòu)膠黏劑在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用發(fā)展前景廣闊，如玻纖增強塑料（FRP）和片狀模塑復(fù)合材料（SMC）目前在歐美、日本已被廣泛用于汽車車身面板、頂棚、座艙頂蓋等。FRP和SMC不能使用傳統(tǒng)焊接技術(shù)，與車身構(gòu)架組裝，必須采用粘結(jié)技術(shù)。無溶劑PU膠黏劑是其中重

16、要品種。（五）車用水性PU涂料發(fā)展前景光明水性PU柔感涂料是一種低VOC涂料，比傳統(tǒng)溶劑型涂料VOC揮發(fā)物低10倍以上。隨著汽車輕量化，塑料件應(yīng)用不斷擴大，環(huán)境友好型綠色水性PU柔性材料是未來汽車塑料件涂料發(fā)展方向。（六）PU合成革在汽車內(nèi)飾上應(yīng)用前景廣闊PU合成革與真皮相比，具有無味、手感柔軟、耐磨性好、抗撕裂強度高、成品色牢度好等優(yōu)點，并克服了真皮資源日趨緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重的問題，符合汽車內(nèi)飾件綠色環(huán)保要求。尤其是PU超纖仿鹿皮絨具有外觀豪華、質(zhì)感柔軟、優(yōu)雅光澤和耐用性好等優(yōu)點，使汽車內(nèi)飾件有了居室感覺，已得到汽車生產(chǎn)商的青睞，成為高檔汽車不可缺少的高級內(nèi)飾環(huán)保材料。五、PU材料舒適安全是

17、其重要發(fā)展方向（一）提高汽車舒適性是汽車內(nèi)飾件重要發(fā)展方向汽車上座墊、靠背、頭枕是聚氨酯泡沫塑料在汽車上用量很大的部位， 也是人們乘坐舒適性最敏感的地方， 因而對產(chǎn)品的性能要求也很嚴(yán)格。目前， 國內(nèi)汽車用的聚氨酯泡沫座墊大多為均一密度的冷熟化產(chǎn)品。近幾年發(fā)展起來的新型汽車座墊采用的是雙硬度或多硬度泡沫，這種雙硬度座墊的生產(chǎn)既可以采用聚醚多元醇和異氰酸酯經(jīng)由雙頭或多頭混合頭注入模具來實現(xiàn)，也可以采用全MDI冷模塑工藝，通過改變異氰酸酯指數(shù)來準(zhǔn)確控制座墊不同部位的硬度 座墊中部柔軟、兩側(cè)較硬。軟泡沫給人以舒適感，兩側(cè)堅硬部分提供支撐性能，當(dāng)汽車高速行駛或轉(zhuǎn)彎時，有助于保持駕駛員和乘客的身體穩(wěn)定，提

18、高乘坐的安全性。武漢興橋高分子科技有限公司已采用多組分混合技術(shù)生產(chǎn)出雙硬度和多硬度泡沫，技術(shù)水平在國內(nèi)居于領(lǐng)先地位。（二）微孔PU 用作汽車底板減振墊微孔聚氨酯泡沫塑料有望在大多數(shù)車體中替代橡膠材料用作車身底板減震墊。北美汽車制造廠正在努力使汽車更加安靜和舒適。減震墊安裝在車的底盤上，用于隔離車體與框架，以改善乘車及駕駛質(zhì)量。微孔聚氨酯是獨特的隔音、消振（NVH）的革新材料。微孔聚氨酯作為橡膠車體裝配的替代品，具有競爭性的價格，能有效地改善減震性能、延長材料性能保持時間、減輕質(zhì)量，并且改善了組裝工藝。使用微孔聚氨酯的另一個優(yōu)點是，通過改變材料密度，可方便地使車身底盤防震膠墊最佳化，而不是像傳統(tǒng)

19、工藝那樣必須通過改變材料生產(chǎn)配方或產(chǎn)品幾何形狀來調(diào)整。后者需制作原型，成本高且費時。（三）微孔PU彈性體輔助彈簧減震器轎車的前、后獨立懸掛減振器用輔助彈簧，由圓柱狀塔形微孔聚氨酯彈性體(微發(fā)泡型)制成，采用此種彈簧系統(tǒng)對提高車輛性能有特別明顯的效果。彈簧的拉伸強度20 N/mm 、伸長率300、撕裂強度8N/mm。彈簧壓縮應(yīng)力上升很少，直到形變達(dá)到35左右時應(yīng)力才明顯上升，此時形變則迅速增加接近最大值，滿足了汽車形式平穩(wěn)性和乘坐舒適性的要求，大大提高了減振器的使用壽命。有的車輛采用空氣彈簧與微孔聚氨酯彈性體彈簧配合使用，以縮小設(shè)計體積、提高車輛的行駛穩(wěn)定性。車用微孔聚氨酯彈性體按其所用二異氰酸

20、酯的類型有NDI型和MDI型兩種，其主要區(qū)別在于它們的動態(tài)性能和靜態(tài)性能。目前超過90的高級豪華轎車都采用微孔聚氨酯減振緩沖塊，與橡膠減振緩沖塊相比，它具有非常高的可壓縮性、變形能力和優(yōu)良的力學(xué)性能以及突出的耐動態(tài)疲勞性。（四）PU保險杠保險杠安裝于車前、車后，碰撞時起到緩沖、減少損傷的作用，所用材料要求既具有剛性又具有彈性。近年來，開始出現(xiàn)采用微孔聚氨酯彈性體制作的新型懸架結(jié)構(gòu)保險杠，由于微孔彈性體硬度低、壓縮率高，通過變形能夠吸收80的沖擊能量，其余的沖擊能量可轉(zhuǎn)移到底架上，這種保險杠具有質(zhì)輕、安全、平穩(wěn)、消音的功效。由于使用聚氨酯材料制造價格較貴，因此，在歐、美、日和我國。將它用作高級轎

21、車的保險杠。（五）PU安全氣囊在汽車上安裝安全氣囊是現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，對保護駕駛員的生命安全有著重大作用。安全氣囊必須具有一定的強度，能夠承受高速的沖擊，還要求有較好的低溫柔韌性，因此適合采用聚氨酯材料來制作，氣囊的皮層選用聚氨酯彈性體，背面襯以聚氨酯泡沫，此外也可以使用自結(jié)皮聚氨酯泡沫塑料每個安全氣囊的材料用量為200400 g。（六）PU降噪技術(shù)隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車作為一種代步工具，人們不僅對其性能提出了高要求，而且對其乘坐舒適性也提出了越來越高的要求，車內(nèi)的噪聲水平是體現(xiàn)其舒適性的一項重要指標(biāo)。為了提高車輛的舒適性，世界各大汽車公司都對車內(nèi)噪聲水平制定了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，將車內(nèi)噪聲的控制作為重要的研究方向。特別是轎車，車內(nèi)噪聲狀況更是衡量轎車檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一，