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長纖維增強熱塑性復合材料在汽車零配件上的應用進展
摘 要:介紹了20世紀80年代初期長纖維增強熱塑性復合材料(LFT)理論設計概念的提出以及20世紀90年代后LFT的快速發展,同時對其應用范圍、性能優點、制備和生產方法以及在汽車多種零配件的應用進展狀況以及目前我國國內的發展現狀進行了詳細介紹。LFT主要應用與開發方向為對力學性能、尺寸穩定性要求較高的汽車制造工業中采廠訂的半結構、結構零配件,國內LFT復合材料于LFT粒料的初步研發與使用,暫無國家標準,更沒有成熟的產品與制件設計與應用經驗,市場基本上被國外產品壟斷,因而LFT是我國目前發展潛力的復合材料品種之一。
關 鍵 詞:長玻璃纖維;增強;熱塑性塑料;汽車零配件
高性能的LFT是近年來取得突破進展的纖維增強復合材料,具有高強度、高剛度、高尺寸穩定性、低翹曲度、使用壽命長、耐蠕變等顯著特點,可以彌補或取代常用的短纖維增強熱塑性塑料(Short fiber rein-forced thermoplastics,SFT、或SFRT)的不足。目前,采用長纖維增強技術是實現通用塑料和工程塑料高性能化的重要技術途徑,己引起同內外塑料復合材料研究部門與工業界的高度重視,并且對其開發和生產進行了廣泛深人的研究。
LFT、具有優異的性能和廣闊的應用前景,對其開展深入和系統的研究、開發與生產,無論是在理論研究意義上,還是具體到工程應用以提升國內汽車(零配件)T.業制造用熱塑性復合材料的設計、生產與應用水平,均具有十分重要的學術研究意義與巨大的經濟價值。
LFT、屬于高技術新材料產業,預計在未來20 a,LFT將在國內外得到快速發展與廣泛應用,并將成為高性能纖維增強塑料和成型制件(品)中增長速度zui快的產業之一。
1 LFT的發展
20世紀80年代初期,美國聚合物復合材料公司(PCI)zui早提出LFT、的理論設計概念,并進行了制備研究與產品開發,但由于涉及到連續長纖維浸漬與分散的核心關鍵技術沒有很好地解決,以及LFT的特殊注射、模壓成型工藝及生產設備還相對落后,再加上當時SFT、填充塑料及工程塑料改性技術的研制成功且工業化生產已得到普遍應用,從而導致LFT、新技術的研究與開發進程十分緩慢。
1 9 85年,英國復合材料公司(ICI)首先成功開發出商品名為Verton的LFT、顆粒。20世紀90年代后,隨著汽車工業快速發展以及人類自身環保節能意識的普遍增強,尤其是不斷呈現的能源危機、石油*、汽車駕駛安全性等諸多因素,促使汽車輕量化成為汽車工業發展的必然趨勢。因此,可循環使用的環保型LFT的研究、開發與應用再次引起業內的高度重視。1 9 9 3年,德國Hoechst Celanese公司引進美國PCI公司開發的可注射成型LFT粒子,商品名為Celstran,并同時進行了產品設計與市場開發。
近年來,國外科研單位、應用部門和工業公司對LFT進行了大量的研究、開發與工業化生產。“環保、節能、汽車輕量化”成為LFT制備、制件設計與應用快速發展的主要推動力。目前,美國GE公司、美國RTP公司、美國Tieona公司、英國ICI公司、英國Imhotep公司、日本Daical公司、日本Chisso公司、北歐化工公司、美國歐文斯科寧公司、美國DSM復合材料公司、法國圣戈班公司、法國Arjomari公司、韓國三博公司、沙特石化公司等世界塑料企業都已對LFT、粒料進行了工業化生產。
在國內,上海華東理工大學、浙江大學、上海杰事杰公司、廣州金發科技公司等也開展了LFT粒料的研發與產業化開發。但目前仍處于技術水平較低、設備落后的狀態,同時產量小、品種少,性能與國外同類產品相比還有差距,特別是在LFT、成型加工方面的理論與工程應用上還存在明顯不足。LFT在國內汽車零配部件上的開發、設計與應用也只有少量制品,總體上還屬于剛起步階段。
在過去的10 a中,LFT以30%的年增長率上升,即使在經濟不景氣時期也未受影響。目前,歐洲LFT的產量與應用已經超過玻纖氈增強熱塑性塑料(Glassmat reinforeed therrnoplastics,GMT)復合材料的產量與應用。據美國Townsend聚合物咨詢公司分析,LFT的市場正在強勁增長,并將逐漸進人成熟階段。該公司有關LFT工業的研究報告預計,2006~2011年間,世界LFT的年平均增長率呈現相對穩定狀態,但不會低于12%。基于目前LFT的平均銷售價格,其在汽車用熱塑性塑料市場上的新增營業收人超過4億美元。分析報告同時認為,LFT的市場已從賣方轉向買方,并且在今后5~1 0 a內,逐步轉為相對成熟并得到廣泛的應用。從地區分布看,歐美的用量目LFT總用量的9 2%,并保持30%以上的增長率200 6年,歐洲地區LFT、的用量接近700 kt/a,增長率超過3 2%。經過近年的快速發展,亞州地區LFT用量所占的比重也有明顯提高,日本現在的LFT消費量占世界的11%。但目前看來,國內仍存在很大的發展空間,2006年我國LFT的消費量僅占世界LFT總消費量的5%,排在歐洲、北美和日本之后,預計到2011年,我國LFT、消費量將會超過日本。
以聚丙烯(PP)為基體的LFT(LFT-PP)在汽車工業終端制件中占有很大應用份額。有數據表明,有80%的LFT、需求來自汽車工業(零配件),目前已在歐洲品牌汽車中得到廣泛的應用,其統計分析見表1 。T0wnserld公司認為,在今后5 a內,LFT—PP在汽車上用量的加將主要來自于5部分:前端模塊、儀表板、門模塊、汽車車身底板和非汽車行業的常用物品/工業商品。業內人士預計,LFT、復合材料還有5~1 0 a的高速增長發展,特別是在汽車零配件的設計、應用與制造領域將會得到快速增長。
關 鍵 詞:長玻璃纖維;增強;熱塑性塑料;汽車零配件
高性能的LFT是近年來取得突破進展的纖維增強復合材料,具有高強度、高剛度、高尺寸穩定性、低翹曲度、使用壽命長、耐蠕變等顯著特點,可以彌補或取代常用的短纖維增強熱塑性塑料(Short fiber rein-forced thermoplastics,SFT、或SFRT)的不足。目前,采用長纖維增強技術是實現通用塑料和工程塑料高性能化的重要技術途徑,己引起同內外塑料復合材料研究部門與工業界的高度重視,并且對其開發和生產進行了廣泛深人的研究。
LFT、具有優異的性能和廣闊的應用前景,對其開展深入和系統的研究、開發與生產,無論是在理論研究意義上,還是具體到工程應用以提升國內汽車(零配件)T.業制造用熱塑性復合材料的設計、生產與應用水平,均具有十分重要的學術研究意義與巨大的經濟價值。
LFT、屬于高技術新材料產業,預計在未來20 a,LFT將在國內外得到快速發展與廣泛應用,并將成為高性能纖維增強塑料和成型制件(品)中增長速度zui快的產業之一。
1 LFT的發展
20世紀80年代初期,美國聚合物復合材料公司(PCI)zui早提出LFT、的理論設計概念,并進行了制備研究與產品開發,但由于涉及到連續長纖維浸漬與分散的核心關鍵技術沒有很好地解決,以及LFT的特殊注射、模壓成型工藝及生產設備還相對落后,再加上當時SFT、填充塑料及工程塑料改性技術的研制成功且工業化生產已得到普遍應用,從而導致LFT、新技術的研究與開發進程十分緩慢。
1 9 85年,英國復合材料公司(ICI)首先成功開發出商品名為Verton的LFT、顆粒。20世紀90年代后,隨著汽車工業快速發展以及人類自身環保節能意識的普遍增強,尤其是不斷呈現的能源危機、石油*、汽車駕駛安全性等諸多因素,促使汽車輕量化成為汽車工業發展的必然趨勢。因此,可循環使用的環保型LFT的研究、開發與應用再次引起業內的高度重視。1 9 9 3年,德國Hoechst Celanese公司引進美國PCI公司開發的可注射成型LFT粒子,商品名為Celstran,并同時進行了產品設計與市場開發。
近年來,國外科研單位、應用部門和工業公司對LFT進行了大量的研究、開發與工業化生產。“環保、節能、汽車輕量化”成為LFT制備、制件設計與應用快速發展的主要推動力。目前,美國GE公司、美國RTP公司、美國Tieona公司、英國ICI公司、英國Imhotep公司、日本Daical公司、日本Chisso公司、北歐化工公司、美國歐文斯科寧公司、美國DSM復合材料公司、法國圣戈班公司、法國Arjomari公司、韓國三博公司、沙特石化公司等世界塑料企業都已對LFT、粒料進行了工業化生產。
在國內,上海華東理工大學、浙江大學、上海杰事杰公司、廣州金發科技公司等也開展了LFT粒料的研發與產業化開發。但目前仍處于技術水平較低、設備落后的狀態,同時產量小、品種少,性能與國外同類產品相比還有差距,特別是在LFT、成型加工方面的理論與工程應用上還存在明顯不足。LFT在國內汽車零配部件上的開發、設計與應用也只有少量制品,總體上還屬于剛起步階段。
在過去的10 a中,LFT以30%的年增長率上升,即使在經濟不景氣時期也未受影響。目前,歐洲LFT的產量與應用已經超過玻纖氈增強熱塑性塑料(Glassmat reinforeed therrnoplastics,GMT)復合材料的產量與應用。據美國Townsend聚合物咨詢公司分析,LFT的市場正在強勁增長,并將逐漸進人成熟階段。該公司有關LFT工業的研究報告預計,2006~2011年間,世界LFT的年平均增長率呈現相對穩定狀態,但不會低于12%。基于目前LFT的平均銷售價格,其在汽車用熱塑性塑料市場上的新增營業收人超過4億美元。分析報告同時認為,LFT的市場已從賣方轉向買方,并且在今后5~1 0 a內,逐步轉為相對成熟并得到廣泛的應用。從地區分布看,歐美的用量目LFT總用量的9 2%,并保持30%以上的增長率200 6年,歐洲地區LFT、的用量接近700 kt/a,增長率超過3 2%。經過近年的快速發展,亞州地區LFT用量所占的比重也有明顯提高,日本現在的LFT消費量占世界的11%。但目前看來,國內仍存在很大的發展空間,2006年我國LFT的消費量僅占世界LFT總消費量的5%,排在歐洲、北美和日本之后,預計到2011年,我國LFT、消費量將會超過日本。
以聚丙烯(PP)為基體的LFT(LFT-PP)在汽車工業終端制件中占有很大應用份額。有數據表明,有80%的LFT、需求來自汽車工業(零配件),目前已在歐洲品牌汽車中得到廣泛的應用,其統計分析見表1 。T0wnserld公司認為,在今后5 a內,LFT—PP在汽車上用量的加將主要來自于5部分:前端模塊、儀表板、門模塊、汽車車身底板和非汽車行業的常用物品/工業商品。業內人士預計,LFT、復合材料還有5~1 0 a的高速增長發展,特別是在汽車零配件的設計、應用與制造領域將會得到快速增長。
表l LFT在歐洲品牌汽車中的應用情況
Tab.1 Application of LFT in the brand autos in Europe
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