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解析改性塑料在新能源汽车轻量化上的需求与应用
更新时间:2018.01.17 浏览次数:

解析改性塑料在新能源汽车轻量化上的需求与应用

2017-11-27 08:11:11 矽亚投资

    汽车轻量化带动车用改性塑料需求,汽车行业已经成为改性塑料需求增速最快的领域。改性塑料下游最大的应用领域是家电和汽车,在汽车轻量化的带动下汽车行业已经成为改性塑料需求增速最快的领域,预计未来几年国内车用改性塑料需求年平均增速将在15%以上。

一、改性塑料简介

1、改性塑料的分类

    改性塑料是指通过加入合适的改性剂,经过共混、填充、增强、共聚、交联等物理、化学方法对通用塑料和工程塑料进行改性,以提高其韧性、强度、拉伸性、抗冲击性、阻燃性等性能而得到的树脂/塑料。

因此改性塑料产业链的上游是PE、PP、PVC 等合成树脂,通过物理或者化学方法进行改性得到改性塑料树脂,再经过挤出、注塑、压延等工艺得到改性塑料制品,由于其性能优异,改性塑料制品广泛应用于家电、汽车、建筑等行业。

改性塑料产业链

    根据改性后的功能,改性塑料包括阻燃树脂类、增强增韧树脂类、塑料合金类、功能色母类等种类,各个种类按着不同的材质又可以细分下去,并且由于各自的性能差异,应用领域也各有不同。

    改性塑料的分类

   改性塑料分类及用途

2、改性技术

    改性技术包括共混、填充、增强等物理方法和共聚、交联等化学方法, 物理方法是目前最重要的改性方法,共混、填充等需要选用合适的改性剂、填料才能达到特定的改性目的。

   1)改性剂

    改性剂或者也叫助剂可以分为加工助剂和功能助剂。

    加工助剂是用于改善塑料的加工流变性以及成型性能的助剂,主要包括: 润滑剂——改善基材的流动性;热稳定剂、抗氧化剂——改善基材的热稳定性;分散剂——改善基材的分散性;相容剂、偶联剂——改善基材的兼容性; 架桥剂、增粘剂——改善基材的熔融强度。

   功能助剂主要用于改善基材的物理、化学特性,包括:填充剂、晶核剂——改善基材的刚性、强度;抗冲改性剂——改善基材的冲击性;阻燃剂— —改善基材的阻燃性,改性后的材料在受到火源攻击时,能有效的阻止、延缓或终止火焰的传播;安定剂——改善基材的耐候性;导电涂料填料、抗静电剂——改善基材的导电性,抗静电剂可减轻塑料在加工和使用过程中的静电积累,降低材料表面电阻率;可塑剂——改善基材的软硬度;发泡剂—— 改变基材的密度;色料——改变基材的透明性、颜色。

    一些改性剂的用途

   2)改性方法

    对树脂进行改性的方法可以分为物理方法和化学方法,包括填充、共混、增强、共聚、交联等等,目前主流的改性技术是以填充、共混、增强等为主的物理改性技术。

    填充是将矿物、改性剂等填充物与塑料共混,使塑料的收缩率、硬度、强度等性能得到改善;共混是掺入一种或多种其他树脂、改性剂或矿物质, 以改善原有性能;增强是将玻璃纤维等与塑料共混以增强塑料的机械强度。

改性技术

    用于填充、共混、增强的改性配方一旦确定,对下游的生产设备的具体操作要求不高。这一技术特点决定了改性塑料生产的关键工序在于改性配方的设计,从目前的情况来看,通用型大品种改性塑料的原始配方基本处于市场公开的状态,而高性能专业型改性塑料的配方则掌握在各细分领域内的领先企业手中。

3、应用领域

    改性塑料在阻燃性、强度、抗冲击性、韧性等方面的性能都优于通用塑料,下游应用领域广泛,主要应用于家电、汽车、建筑、办公设备、机械等领域,其中家电、汽车是其最大的两个应用领域,2015 年国内改性塑料消费量已经接近1000 万吨,随着科技进步和产业升级其下游应用还在不断拓展。

    汽车领域改性塑料

    汽车行业已经成为改性塑料需求增速最快的领域。据市场咨询机构Marketsand Markets 预计,2018 年全球车用塑料市值有望由2012 年的216.16 亿美元增至461.12 亿美元,消费量预计将由2012 年的710 万吨增至2018 年的1130万吨,2013~2018 年期间需求复合年增长率将达13.4% (中国知网:《2018 年全球车用塑料市值将突破460 亿美元》、《2018 年全球车用塑料需求将达1130 万t》)。这主要归因于:一是全球汽车产量增速稳定;二是汽车轻量化使得单车改性塑料用量增大。

    国内车用改性塑料增长速度远远高于全球平均。国内汽车产量增速在过去多年中都远远高于全球汽车产量增速,国内单车塑料用量要远远低于欧美等发达国家,发展空间巨大,特别是中国已经是全球最大的新能源汽车市场, 新能源汽车更加需要轻量化技术的支持,因此国内车用改性塑料需求增速将高于全球平均水平,成为改性塑料下游增长最快的领域,据亚化咨询预计, 未来5 年内国内汽车改性塑料行业年复合增长率将超过26%。

二、汽车轻量化与车用改性塑料需求

    汽车轻量化是未来汽车行业发展方向,特别是对于新能源汽车而言,重量的减轻直接意味着续航里程的增加。有研究显示,燃油汽车整车重量减轻10%,燃油效率可提高6~8%,重量每减少100kg,汽车百公里油耗可降低0.3~0.6L,百公里CO2排放量可减少约5g(《汽车轻量化设计的技术路线分析》);对纯电动汽车而言,整车重量降低10kg,续驶里程可以增加2.5km (《汽车轻量化技术的应用现状及主要途径分析》)。

1、汽车轻量化技术

    汽车轻量化作为一个系统化的工程,并不是简单地针对某个零件的单独减重,局部重量的变化在很大程度上会影响汽车的其他部位,因此汽车轻量化是指在汽车制造过程中集设计、制造、材料技术等一起的系统性工程。

在对汽车进行轻量化设计时,需要结合考虑三个方面的因素:车身结构安全、刚度分析、轻量化系数。(《汽车轻量化技术的应用现状及主要途径分析》)

   1)车身结构安全

汽车车身和内外饰轻量化的前提是汽车安全性、车身刚度、疲劳耐久性、操控稳定性和振动舒适性等满足要求。车身结构安全的目的在于保护车内乘员的安全,属于汽车的被动安全范畴,车身结构的安全性能将直接影响到汽车是否能满足正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞、翻滚和低速碰撞等这些被动安全要求。目前各国汽车被动安全法规有:欧洲法规体系(ECE/EEC)和美国联邦机动车法规体系(FMVSS)。我国强制性汽车被动安全标准(GB)主要是参考欧洲法规体系。

   2)刚度分析

    车身整体刚度指的是车身受到外界施加的载荷和在施加载荷之后白车身产生的变形量之间的关系。车身刚度反映了如何在满足车身装配和使用要求的前提下来控制车身结构各个部位的变形量,所以如果车身刚度设计不合理,就会造成车身振动频率的降低,从而导致整车的乘坐舒适性、使用寿命和碰撞安全性、NVH 性能等达不到设计的要求。现代车身的设计都是尽可能降低车身质量的前提下,最大程度的提高汽车车身刚度。

   3)轻量化系数

    车身轻量化系数L(Light Weight Index)是目前被汽车行业接受度较大的一个评价车型轻量化的指标。轻量化系数L 值越小,表示车身轻量化做得越好。车身轻量化系数的计算公式如图11 所示,其中L为轻量化系数、CT为带有挡风玻璃的车身静态扭转刚度、m 为不带四门两盖的白车身骨架质量、A 为车身四轮间投影面积。

    由轻量化系数L 的计算公式可以知道,要减小车身轻量化系数,可以通过提高刚度或降低白车身的质量来实现。目前汽车轻量化技术主要分为3 个方面:结构优化设计、轻量化材料应用和采用先进制造工艺。其中,采用轻量化的替代性材料是业内普遍认同且前景最为可观的轻量化技术。目前采用的轻量化材料主要有高强度钢、铝镁合金、改性塑料和复合材料。

    低强度钢材指的是强度小于201MPa 的钢材,而高强度钢材主要指的是强度在201MPa-550MPa 之间的钢材,超强度钢材指的是强度大于550MPa 的钢材。在汽车制造工作中,钢材料是使用较多的材料,也是汽车结构主要构成部分,在强度相同的情况下,采用高强度钢材能够有效的减轻汽车制造所使用钢板的厚度,能够从根本上减轻汽车自身的重量,这样可以有效减小轻量化系数L。

    相对于钢而言,铝合金的比重仅为其30%为2.68g/cm3。当弯曲刚度相等时,减重潜能为49%;当弯曲强度相等时,其减重潜力为38%。当前其主要的应用形式有以下几种:汽车悬架支架、车轮等结构件所用的铝合金锻件;车身壳体、发动机缸盖等模具铸造件;车身结构等铝合金基拉拉伸件; 车厢、覆盖件、盖板等轧制板材;壳体、强度较高的小型铸造件。

    镁的比重比铝合金的比重更小,仅为钢的1/4为1.74g/cm3,其轻量化应用潜力巨大。当前汽车零件制造对于镁合金的使用已经非常广泛,仪表盘骨架、座椅骨架等60 余种零件都是由镁合金制造而成。

    改性塑料和复合材料相比金属材料具有更低的密度和更高的比强度,目前常见的改性塑料和复合材料主要有改性PP、改性PVC、改性PE、纤维复合材料、金属基复合材料、热塑性树脂复合材料等。改性塑料早期主要应用于汽车的内外装饰,随着纤维增强塑料的应用,如今已经应用到了汽车的结构件上,特别是碳纤维复合材料技术的发展,使得基于改性塑料和复合材料的汽车轻量化整体解决方案成为可能。

2、新能源汽车的轻量化新要求

    近年来新能源汽车发展迅速,据高工锂电(GGII)统计2016年全球新能源乘用车的销量达到了72.6万辆,并且包括荷兰、德国、法国和英国等在内的多个国家都给出了禁售燃油汽车的时间表,新能源汽车的发展已经势不可挡,从目前的技术来看,未来几年电动汽车将是新能源汽车的主要形式。

禁售燃油汽车时间表

    电动汽车的充电时间长而续航里程又不及燃油车一直是其被人诟病的短板。充电时间的长短由锂离子电池的充放电原理所决定,在不改变电池充放电原理的前提下改善空间有限,但提高续航里程却是可以努力的方向,比较简单的方法是通过搭载更多的电池来提高续航里程,但更多的电池不仅意味着充电时间更长,也意味着汽车的重量会更重,做功效率会更低,也就是消耗1Kwh电量汽车行驶的距离会减少。如果要在搭载电量不变的前提下提高续航里程,就必须要通过提高效率来实现。

    要使每消耗1Kwh电量电动汽车行驶更远的距离,最主要的方法就是减轻汽车的重量,有研究表明纯电动汽车整车重量降低10kg,续驶里程可以增加2.5km,如果通过轻量化技术能将重要减轻500kg,在搭载同样电量的情况下,续航里程将可以提升125km,因此电动汽车对轻量化技术的渴望是非常迫切的。

    电动汽车轻量化技术

    电动汽车与燃油汽车最大的不同在于电动汽车很大一部分重量来源于电池,而电池的重量除非找到了能量密度更高的材料或者改变现在的锂离子电池体系,否则很难降下来,因此减轻车身、内饰、底盘等的重量是其轻量化比较可行的方案。

某纯电动汽车各部分重量(kg)

    内饰重量的减轻可以通过多运用改性塑料来达到,车身和底盘重量的减轻除了上面所说的利用高强度钢、铝镁合金外,有研究者甚至提出了全塑车身的概念,提出了集成化超轻新能源汽车的概念,超轻新能源汽车主要由驱动电池单元、行驶系统、转向系统、铝制车身框架、复合材料车身、塑化地板等组成,车身整备质量能降低到850kg(包括电池),其全塑车身设计是新能源汽车轻量化设计的重要组成部分,与传统的汽车车身设计相比,全塑车身的设计是一个一体化、模块化、整体式的设计思路,同时实现功能与零部件的高度集成,从而减少零部件的数量,降低生产成本。

3、车用改性塑料

    改性塑料在汽车工业的作用和地位越来越明显,目前聚丙烯(PP)、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、加强型聚氨酯(PRT)和聚氯乙烯(PVC)等塑料都在汽车上得到了广泛的应用。在所有的车用塑料中,聚丙烯所占份额最高达37%,其次是聚氨酯,占比17.3%,ABS树脂占12.3%,复合材料占11.5%,高密度聚乙烯占10.8%,聚碳酸酯占6.8%,聚甲基丙烯酸甲酯占4.4%。

车用改性塑料主要品种

    改性塑料在汽车部位上的应用涵盖内外饰件、功能和结构件,随着纤维增强技术的发展,特别是碳纤维复合材料的发展,甚至车身、底盘等都可以完全用改性塑料和复合材料制造。

   1)改性塑料在汽车内外饰件上的应用

    仪表板

    目前仪表板主要有硬质仪表板和软质仪表板两种形式,软质仪表板一般被比较高档的汽车采用,而大客车、货车等车型则基本采用硬质仪表板。仪表板一般用改性PP材料制作,改性PP中主要是以橡胶类的增韧剂和无机填充材料为主;仪表板表皮材料以PVC/ABS为主,PVC在耐冲击和耐热性上比较弱,ABS机械性能和成型加工能力比较好,并且与PVC能够进行结合,将两者进行组合可以形成互补。

    门内板

    目前比较常用的制造门内板的改性塑料是ABS、PP,用它们制作成骨架,并且表面带有一层缓冲层,缓冲层采用PP发泡、TPU、针织涤纶等。在通用、雪佛兰的一些车型中,骨架、面板都采用玻璃纤维增强不饱和聚酯片状模塑料(SMC)材料,在有的汽车中也会采用天然纤维和PP热压制作而成,这种手段能够有效减轻车门的重量,降低成本,隔音性能得到明显提高。

   车身覆盖件与底盘

    改性塑料制作车身覆盖件,与金属覆盖件相比,车身更加光滑、尺寸更加精确,并且质量、噪声、振动等条件上可以更加优化,所以改性塑料在车顶盖、发动机罩、行李舱盖等方面得到广泛应用。福特公司利用SMC制作前方护板、顶盖版、发动机罩;戴勒姆克莱斯勒公司的新型smart车型中,采用了XenoyPC/PBT制作车体面板。在汽车底盘中,由于需要承受的负荷较大,因此塑料化存在较大的难题。目前主要是在传动悬挂系统、转向制动系统的耐磨运动件方面应用改性塑料,例如改性PBT、改性POM等材料。

   2)改性塑料在功能件、结构件上的应用

   保险杠

    汽车保险杠是使用改性材料的主要部件之一,目前市场上大部分的保险杠都是采用塑料制品制作而成,保险杠的面板是PP、PC/ABS、PC/PBT等材料,骨架是木材或者金属等材料,中间部分是PP发泡材料等。这类材料从环保角度看不利于回收,经过不断创新在制作保险杠面板时可以采用TPO、骨架可以用玻纤增强PP材料、中间部分可以使用发泡PP,使用相同属性的材质制作保险杠,在进行回收前只要进行清洁和干燥处理就可以。

    燃油箱

    在制作燃油箱方面,改性塑料也发挥着重要的作用,可以根据一定比例混合树脂、粘合剂、PA等材料,然后吹塑成型。此外,还可以利用超高分子量高密度聚乙烯、共聚PA、EVOH树脂等材料制作燃料箱。

    发动机进气岐管

    汽车中的进气岐管在制作上存在一定难度,主要是因为进气歧管的形状比较复杂,目前改性塑料在发动机进气岐管的制造上大多是使用AIM工艺进行制作,在克莱斯勒、凯迪拉克的一些型号的发动机中,进气歧管就应用了玻纤增强PA。汽车发动机中在运行中温度会不断升高,所以发动机周边的零部件必须在承受220摄氏度高温的同时还能保持超高的强度,如果是在比较寒冷的天气下还要有承受低温的性能,因此一般采用PA66材料来确保塑料化零件的性能。

    离合器执行系统

    离合器因为经常在高温环境下工作并且又受到压力润滑油剂的影响,传统制造工艺中使用金属材料,但是在不断的试验中,改性塑料制作离合器执行系统优势更加明显,在制造离合器执行系统时利用50%长纤维增强黑色尼龙LFRT原材料,稳定性更高,并且节约成本。

   3)纤维增强塑料在汽车中的应用

    纤维增强塑料是树脂和增强纤维复合而成的材料,汽车工业主要使用玻璃纤维增强热塑性塑料,它具有密度小、易成型、设计灵活美观、耐腐蚀、耐冲击、抗振、隔热隔电、易于涂装、强度高、成本低的特点。目前玻璃纤维增强不饱和聚酯片状模塑料(SMC)制造的前翼子板、发动机罩、尾板等在汽车车身上已普遍应用;以玻璃纤维(毡)为增强材料的玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)已在座椅骨架、保险杠、电池托架、仪表板、地板、护板、发动机罩盖、脚踏板、后背门等部件上得到初步运用。

   4)碳纤维复合材料在汽车中的应用

    碳纤维(CarbonFiber)是一种纤维状的碳材料,其直径一般在几个微米,含碳量通常在90%以上。碳纤维具有相当优异的物理性能,其关键力学指标是拉伸强度、拉伸模量,拉伸强度是指材料在拉伸断裂前可承受的最大应力,拉伸模量是指材料拉伸时受到的应力与形变的比值,模量值越高,表示碳纤维的刚度越好,理论上碳纤维的拉伸强度可以达到180GPa,拉伸模量更是在1000GPa左右。 除了有优异的物理性能外,碳纤维还具有优异的化学性能,比如耐腐蚀、耐高温、导电和导热性能良好等,因此碳纤维与各种基体材料经过复合工艺后制成的碳纤维复合材料最先在航空航天和军事领域得到了广泛的应用。碳纤维复合材料相对于金属材料不仅力学指标优异许多,而且密度要小很多,有利于减轻制品的重量,这在航空航天等对重量异常敏感的领域非常重要。近年来随着碳纤维复合材料成型技术的发展和成本的降低,在汽车轻量化上的应用越来越多,甚至可以用来制作汽车车身,它的出现使得基于改性塑料和复合材料的整车轻量化解决方案的实现成为可能。

碳纤维复合材料与其他材料的物理性能对比

   5)汽车轻量化解决方案

    综上所述,随着纤维增强塑料技术的发展,特别是碳纤维复合材料技术的发展,基于改性塑料和复合材料的汽车整体轻量化解决方案成为可能。目前的主要障碍是碳纤维价格还过高,用于汽车工业的大丝束碳纤维目前价格在15美元/公斤以上,只有当价格降到10美元/公斤或以下时,售价30万人民币左右的中级车才可能大规模使用。

4、车用改性塑料市场分析

   1)全球车用改性塑料市场

    目前改性塑料使用量最高的是德系车单车,其改性塑料的使用率达到了22%为300-360千克,欧美国家的平均水平也达到了16%为210-260千克,我国乘用车单车的改性塑料使用率只有8%为100-130千克。2016年欧美共生产了2186万辆乘用车,而中国生产了乘用车2424万辆,由此计算的全球乘用车单车改性塑料加权平均用量为152-191千克,取中间值为171千克。2016年全球乘用车产量为7210万辆,需要的改性塑料为1233万吨,按着单价1.8万/吨来计算,2016年全球车用改性塑料市场空间为2219亿人民币。

    根据预测到2020年全球乘用车产量将达到8148万辆左右,以及考虑汽车轻量化趋势下单车消耗改性塑料量的增加,假设到2020年全球单车改性塑料用量增加至200千克,这一市场空间将接近3000亿人民币,2017-2020年年平均增速为7%左右。全球车用改性塑料市场的主要参与者都是大型化工企业,比如巴斯夫、普立万(PolyOne)、陶氏杜邦、科思创(Covestro)等。

   2)中国车用改性塑料市场

    目前中国有上千家企业从事改性塑料生产的企业,但规模以上企业(产能超过3000吨)只有70余家,从产能上看,国内企业占据73%左右,国外或合资企业占比约为27%,但从市场占有率情况来看,国内企业市场占有率仅为30%,而国外企业市场占有率高达70%。目前已经在国内设立改性塑料生产基地的国外大企业有SABIC公司、杜邦公司、SOLVAY公司、陶氏公司、德国BASF公司、LANXESS、BAYER、Celanese公司、日本旭化成公司、宝理塑料公司,韩国三星公司、LG公司、锦湖公司,荷兰DSM公司等。

    进一步具体到车用改性塑料领域,按着2016年国内乘用车产量2424万辆以及单车改性塑料用量115千克来计算,国内车用改性塑料需求量为278万吨,市场空间在400亿以上(按着每吨1.5万元计算)。但是相比全球40%的改性塑料用于汽车行业,中国仅10%左右,此外国内乘用车增速远大于全球乘用车增速,根据盖世汽车研究院的预测,到2020年中国乘用车生产量将达到2865万辆(2017年增速6.95%、2018年增速5.15%、2019年增速3.01%、2020年增速4.75%)左右,国内车用改性塑料发展潜力巨大。

    另一方面,2016年10月中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》指出,到2020年、2025年、2030年,整车质量需比2015年分别减重10%、20%、35%。此外中国也是全球最大的新能源汽车市场,2016年新能源乘用车销量占到全球的43.7%,未来几年将以每年40%左右的速度增长,到2020年产量将达到200万辆,新能源汽车对轻量化技术的依赖更大,因此国内单车改性塑料用量将会出现大幅增长。保守测算即使到2020年国内乘用车单车改性塑料用量只达到150kg,市场空间也将接近650亿人民币,2017-2020年的年平均增速将达到11%左右;如果到2020年单车用量达到现在全球平均值170kg,市场空间将超过700亿元,2017-2020年的年平均增速将达到15%左右;如果到2020年单车用量追上全球平均值200kg,市场空间将超过850亿元,2017-2020年的年平均增速将接近20%。

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