新能源汽車阻燃材料PP、ABS、PC誰才是大勢

各種改性塑料、復合材料以及輕質(zhì)合金材料運用日趨成熟，不僅在傳統(tǒng)汽車發(fā)動機周邊，而且在新能源汽車的動力電池上，都有各種塑料的應(yīng)用。但這些塑料在阻燃這個安全問題上的表現(xiàn)其實并不理想，阻燃及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)伴隨“汽車輕量化”一起成為汽車行業(yè)的熱點。01汽車零部件用阻燃塑料發(fā)展方向目前，用于汽車零部件的常見阻燃材料類型有PP、PA、PU、PC、ABS材料，以及由它們組成的各種改性材料和復合材料。相比于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車新增了電池組模塊、充電樁及充電槍等部件。單臺新能源車電池組模塊工程塑料的使用量約30kg，新能源車塑料殼體目前主要使用改性PP，以及改性PPS、PPO等耐高溫塑料。充電樁由于較高的使用標準和嚴苛的使用環(huán)境對工程塑料需求較大，每個充電樁約需6kg工程塑料，目前常見的主要有PBT、PA和PC等。制備阻燃塑料時大多會將其極限氧指數(shù)LOI提升到25-35%左右，才能有效提升汽車整體安全指數(shù)。此外，加上目前電氣化和碳中和的雙重背景，塑料以及各種含有鹵素的阻燃劑，都將會受到更多限制。所以，未來阻燃塑料的發(fā)展方向除了需要足夠的機械性能以滿足輕量化需求之外，在電動汽車等領(lǐng)域還會需要材料注重電氣、加工、環(huán)保方面的要求。阻燃劑將會朝著無鹵化及高性能化方向發(fā)展，而高性能阻燃劑研究重點將朝著復配協(xié)效阻燃技術(shù)、無鹵化阻燃、膨脹型阻燃、超細化、納米化技術(shù)、高效表面化學修飾技術(shù)以及多功能化技術(shù)等方向發(fā)展。02阻燃材料在汽車零部件上的應(yīng)用當下應(yīng)用的阻燃塑料主要以PP、PU、ABS和PC為主，根據(jù)汽車零部件的特殊需求也相應(yīng)有復合材料（合金化）、PA、PBT和PMMA等材料的使用。阻燃PPPP是車用塑料中用量最大的高分子材料，具有優(yōu)異的耐化學腐蝕，并且加工過程簡單、成本低。廣泛應(yīng)用于汽車儀表盤、電池包外殼、門護板、立柱、座椅護板、保險杠等。但由于未添加阻燃劑的PP阻燃性能很差，其LOI僅為17.8%，非常容易燃燒。對汽車阻燃用PP研究主要圍繞對PP基體進行改性，同時通過添加低毒、無鹵阻燃劑，開發(fā)具有優(yōu)異力學性能和阻燃功效的PP復合材料。目前，適用于PP的阻燃劑主要為添加型阻燃劑，應(yīng)用較多的有鹵系阻燃劑（如溴系阻燃劑、溴-銻協(xié)效阻燃體系）、無機填充型阻燃劑（如氫氧化鎂、氫氧化鋁）、磷氮系（如MPP、APP、MCA、磷腈、磷酸酯等）以及膨脹型阻燃劑（IFR）。隨著嚴苛的環(huán)保政策的施行，高分子材料用阻燃劑無鹵化已是大勢所趨。結(jié)合具體案例來看，目前已經(jīng)有以PP為基體，以長玻纖（LGF）為填充材料，加入磷氮系無鹵膨脹型阻燃劑、MCA等，制備得到LGF增強無鹵阻燃聚丙烯電池槽的例子。制備過程中采用雙母粒制備法，通過分別制備LGF母粒和無鹵阻燃母粒，將兩者混合均勻后直接注塑制得阻燃PP制品。雙母粒制備法避免了長玻纖母粒制造過程中，由于過度剪切引起的剪切區(qū)溫度過高，引起阻燃劑降解和玻纖長度短造成的力學性能下降問題。阻燃PP無鹵化改性技術(shù)中，IFR因其對PP加工流動性和低密度優(yōu)勢影響最小、阻燃效率優(yōu)異、用量少、低煙無毒等優(yōu)點，被認為是無鹵阻燃PP中最優(yōu)前景的發(fā)展方向之一。阻燃PP在中國起步較晚，但發(fā)展很快。特別是近年來增長迅猛的新能源汽車行業(yè)直接推動了阻燃PP需求量的快速增長，國內(nèi)眾多高校、科研機構(gòu)以及企業(yè)參與到車用零部件阻燃PP的開發(fā)中來。今后，車用阻燃PP的研究將重點聚焦于高效和環(huán)保：通過選擇無鹵阻燃劑、膨脹型阻燃劑、磷氮系阻燃劑以及復配型阻燃劑同時結(jié)合其他助劑，開發(fā)出性能優(yōu)異的阻燃PP材料。阻燃ABSABS在汽車行業(yè)崛起之前，也是全球用量最大的家電高分子材料之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國約80%的ABS消費量來自于家電領(lǐng)域，而這主要得益于ABS出眾的表面涂裝性能、耐久性和防腐性。也是這些特點，讓ABS在汽車涂裝領(lǐng)域成為了典型。但ABS樹脂的分子結(jié)構(gòu)中只有C、H、O三種元素，所以不具備阻燃性能，在高溫階段的穩(wěn)定性很差，極易燃燒。同時在燃燒過程中還會產(chǎn)生刺鼻氣味和黑煙，無法直接用于汽車零部件。目前，ABS的主要應(yīng)用方向是通過阻燃或耐高溫改性，亦或者與PC共混合成PC/ABS復合材料。對于ABS而言，鹵系阻燃劑的阻燃效率比較高，其中溴系阻燃效果又好于氯系。雖然鹵系阻燃成本低、效果好，但從業(yè)者眾所周知，今后鹵素阻燃會面臨來自政策和環(huán)保法規(guī)的巨大壓力。所以，ABS的阻燃改性仍然是重要的研發(fā)方向。不過對于阻燃標準嚴格的應(yīng)用場景，溴系阻燃劑還是目前最主流的選擇。據(jù)悉，用于電子電器產(chǎn)品中的ABS約有70%都采用溴系阻燃劑。PC/ABS兼?zhèn)涠邇?yōu)點，具有更好的HDT和穩(wěn)定性，加工性能也更好，目前已是產(chǎn)量最大、技術(shù)最成熟的塑料合金，也是目前在汽車零部件領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的材料之一。諸如汽車儀表板、蓄電池組、車身、內(nèi)飾等部位，都用到了PC/ABS材料。不過要注意的是，在某些指標上還是有“1+1＜2”的情況：PC本身是一種自熄材料，UL94可達V2級，但PC/ABS的阻燃性能有所下降，需要補足。目前常用的除了鹵系和磷系，值得關(guān)注的發(fā)展方向還有納米阻燃劑，諸如納米級的三氧化二銻、氫氧化鋁、氫氧化鎂以及納米層狀雙氫氧化物等等。阻燃PCPC作為五大工程塑料之一，在汽車零部件上的應(yīng)用也相當成熟，諸如汽車儀表板、車燈系統(tǒng)、加熱板、除霜器甚至是一些PC合金制作的保險杠等等。PC本身具有一定阻燃性，相較于其它高分子材料（如PE、PP等）擁有一定優(yōu)勢，LOI可到21-24%。然而對汽車零部件阻燃要求相對較高的應(yīng)用領(lǐng)域，仍需要對其進行阻燃改性。溴系阻燃劑能明顯提高PC的阻燃性能，常用的有十溴二苯醚（DBDPO）、四溴雙酚A（TBB-PA）等。但含溴的阻燃材料在高溫下容易分解產(chǎn)生腐蝕性氣體，使汽車零部件受損。而且，溴系阻燃劑的添加會嚴重影響PC的透明性，同時也不符合歐盟無鹵化、環(huán)保政策的要求。當前，工業(yè)化的PC產(chǎn)品中使用最多的磷系阻燃劑。主要是TPP、RDP和BDP其中，TPP常溫下為固態(tài)，熱穩(wěn)定性較差，在PC加工溫度下容易揮發(fā)，僅發(fā)揮氣相阻燃作用。RDP和BDP常溫下為液體，具有較好的熱穩(wěn)定性，可同時發(fā)揮氣相和固相阻燃作用，同時BDP與PC有較好的相容性，可起到增速硬化的作用。所以PC+BDP體系成為使用較多的一種體系，BDP添加比例大約為10%。此外，含硅化合物作為新一代環(huán)保型阻燃劑，因其高效、低毒、無污染等特性，以及對PC加工性能和物理性能影響較小也逐漸受到關(guān)注，如聚硅烷、聚硅氧烷等。汽車零部件用PC在選用阻燃劑時也在向無鹵環(huán)保靠近，通過添加多種助劑或者制備復合型阻燃劑等途徑，提升PC的綜合性能。此外，PC通過與ABS、PBT等組成復合材料也是提升PC加工性能和阻燃性能的不二選擇。其他阻燃材料將PP、PU、ABS和PC中兩種或以上高分子材料熔融共混制備的復合材料也是目前使用較多的一種材料，如PC/ABS，PC/PBT，PC/FR復合材料等。具體到案例上來說，公司推出三款基于PC的3D打印材料，將其用于車用零部件的生產(chǎn)，三款產(chǎn)品分別為PolymakerPC-ABS、PolymakerPC-PBT、PolyMaxPC-FR，這三款產(chǎn)品各有特色，在耐熱性、耐沖擊、易加工以及阻燃性能方面，均具有較好的表現(xiàn)。PolymakerPC-PBT在Makroblend?系列產(chǎn)品基礎(chǔ)上進行改進，提升了材料綜合性能。同樣PolyMaxPC-FR是在Makrolon?產(chǎn)品上對阻燃性能做了較大改進，使材料UL94達到V0級，將該材料用于新能源汽車電池外殼。阻燃高分子材料（如PC/ABS、PP、PA、PBT等）在動力電池上獲得廣泛應(yīng)用，該系列材料均滿足UL94V0等級的阻燃及可靠電氣性能的要求。在長期物理耐久性方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)，提高動力電池能量密度的同時可以延長電池包的使用壽命，符合新能源汽車綠色環(huán)保、輕量化的發(fā)展理念。玻纖新產(chǎn)品568FR，利用了微米級別的玻纖分散在樹脂基體中，具有極大表面積的優(yōu)勢，有效抑制“燈芯”效應(yīng)同時賦予復合材料更豐富的功能性。在阻燃FR