一文掌握聚丙烯发泡粒子在汽车轻量化上的应用

  随着汽车轻量化和可回收利用慢慢的受到重视，设计研发人员不但关注汽车零部件本身的环保特性，还越来越关心零部件在工艺流程中的环保特性。聚丙烯发泡材料因其独特的性能，在车辆的不一样的部位都有应用。

  聚丙烯发泡材料是把聚丙烯颗粒使用发泡介质，经过一定的工艺手段进行发泡而形成的粒子。普通的聚丙烯是无法达到发泡要求的，因为其发泡温度的范围太小，从它的熔点到微孔开始破裂的温差是有4 ℃，况且黏度低、溶体度差，无法保持发泡剂分解产生的气体。因此，聚丙烯发泡材料一定要使用一种高熔体强度聚丙烯粒子进行发泡。

  目前市场上有很多种发泡材料，包括聚氨酯发泡（PU）、聚苯乙烯发泡（EPE）、聚乙烯发泡（EPS）,聚苯乙烯和聚乙烯结合发泡（EPO），与这些发泡材料比起来，聚丙烯发泡材料具备优越的性能特点：①高能量吸收，重量轻；②在静态和动态载荷下，拥有非常良好的回弹性；③经过反复载荷冲击后，吸收能量的能力基本上没有衰减；④在不破坏粒子情况下，基本不吸水；⑤即使温度变化范围很大，性能仍然可靠；⑥良好的耐化学性和抗油性；⑦产品密度可调节，选择范围很广，同一产品可以具备不同密度，能够完全满足不同的性能要求；⑧良好的隔热能力；⑨容易清洁和消毒；⑩能够最终靠多种方法重复回收利用, 可以自然降解，不会造成白色污染；⑪不含各种化学发泡剂；⑫整个制作的完整过程非常环保，不会产生任何有毒物质。

  正因为聚丙烯发泡材料具备如此多的应用特点，它在汽车轻量化开发中扮演着逐渐重要的角色。

  遮阳板目前基本上有两种设计的具体方案：一种是整体式设计，另一种是分片式设计。整体式设计针对的是结构相对比较简单、没有多余功能的遮阳板。分片式设计主要考虑有复杂的结构，需要装配。整体式结构遮阳板很常用的设计的具体方案是使用聚氨酯半硬泡。

  这种设计，零部件较重，而且气味、甲醛、总碳及冷凝值都严重超标。目前使用聚丙烯材料替代聚氨酯发泡，在同级别性能条件下，不但重量显而易见地下降，各类排放指标都符合国家和各主机厂标准的要求。

  分片式结构设计以前很常用的是注塑件，这种材质生产的零部件比较重和硬，手感差，外面包覆的表皮要厚和软，才能提高手感。使用聚丙烯发泡材料代替后，外面只要包覆一层很薄的PVC单革就能够达到同样的手感效果（图1）。

  设计师根据不同车型的设计的基本要求，灵活选用材料的密度。依照结构和性能要求的不同，一般密度设计在60～100 kg/m3。这种材料设计的遮阳板总成，重量比注塑件明显降低，用户使用手感明显优于注塑件。

  为什么需要在保险杠总成里加一个缓冲零部件从而增加成本呢？在保险杠总成设计时除了考虑驾驶员和乘客的安全外，还一定要考虑对于行人的安全，保证车辆在行驶时如和行人发生碰撞时能有效地保护行人。因此，设计时要考虑在保险杠蒙皮和保险杠骨架之间增加有一定缓冲吸能功能的结构。聚丙烯发泡材料是目前所有发泡材料中性价比最理想的材料。考虑行人保护法规要求，在保险杠骨架和蒙皮之间采用聚丙烯发泡的设计，聚丙烯发泡件的位置与行人膝盖位置相对应。选用的密度一般为20 ～40 kg/m3，广泛使用的是30 kg/m3，具体根据车型的结构可以进行CAE分析再决定需要的密度。

  聚丙烯发泡缓冲件在保险杠中的固定方式：①使用双面胶带和丁基胶条固定在保险杠骨架上；②零部件本身设计倒扣结构，把缓冲件固定在保险杠骨架上；③用注塑卡扣固定在保险杠蒙皮上。聚丙烯发泡材料除了因行人保护法规要求使用在前保险杠的设计上，设计师为了降本，在后保险杠的设计上也考虑用这种材料。目前有一种趋势是直接去掉后保险杠骨架，把聚丙烯发泡缓冲件使用孔柱配合的结构加丁基橡胶条固定在车身上，在外面套上保险杠蒙皮。

  后保险杠缓冲块使用聚丙烯发泡材料一般有两种设计理念：如果蒙皮里面空间足够大，就使用30 kg/m3的密度。如果空间不大，提高聚丙烯发泡的密度，可以从40 ～200 kg/m3的范围内做出合理的选择。后保险杠使用聚丙烯发泡材料，能大大降低车身重量，如果后车追尾，对后车的驾驶员有很好的缓冲保护作用。

  工具盒主要是未解决随车工具的固定、存放问题。这个工具包括千斤顶、扳手、螺丝刀、拖钩及警告标牌等。最早工具盒大多使用注塑件，设计自由度不高，零部件较重，工具固定不理想，用户使用不方便。设计时如果固定松弛，容易有异响，用户抱怨。固定太紧，拿取需要很大的力，造成用户抱怨。

  我们使用聚丙烯发泡代替注塑材料设计，因为聚丙烯发泡比较软，有弹性，设计时可优先考虑一定的变形量，密度能够准确的通过结构和承受力的要求从30～80 kg/m3的范围内选择。这样能大大降低零部件重量，能很好地固定各类工具，不损害工具，提取使用和放回都十分便捷。我们设计时有多种选择方式，根据整车的布局方式能放在备胎下面或备胎左右两侧。根据空间大小可以设计为整体式结构或上下两层叠合结构（图2）。

  设计聚丙烯发泡的工具盒，在进行整体工具布局时，需要仔细考虑工具使用的先后顺序、工具盒总成的重量平稳及提取工具时手指抓取空间等因素。

  这里主要介绍在后排坐垫的设计思路。传统的设计的具体方案是使用PU发泡里面嵌入钢丝，外面薄覆的结构，再固定在车身上。例如，大众的POLO、SANTANA等车型采用的是这种结构。有些车型因为涉及翻转机构，比如，途锐和卡宴等大型SUV，在原来基础上加金属结构，整体设计更加复杂。

  这种方案设计成本很高，装配复杂，整个后排座椅较重，乘座舒适性较差。如果聚氨酯发泡设计过软，人体就会像陷入一个“凹槽”里，在颠簸时容易碰到金属。如果聚氨酯发泡设计过硬，座椅舒适性较差。若使用聚丙烯发泡在金属和聚氨酯发泡之间设计缓冲层（图3），能起到一种缓冲作用。整体的结构简单化，开发成本、制造成本和材料成本等明显降低，更关键的是提高了安全级别。使用聚丙烯发泡设计的后排座椅能有效起到防滑作用。在发生碰撞时，减少人体前移量。无聚丙烯发泡的碰撞后结果，人体完全前移，膝盖容易撞击在前排座椅造成了严重的伤害（图4）。目前在宝马、奔驰和奥迪等高端车型比较倾向采用聚丙烯发泡材料的设计方案。

  这种方案除了在座椅上使用，也逐渐应用于头枕，成型格外的简单，整个头枕可以是一体成型，减少了装配工序，简化工艺，减少相关成本。它在缓冲性能上比纯聚氨酯发泡或者聚氨酯发泡加注塑件表现更优。

  对于带备胎的设计的具体方案，基本是在行李箱盖板下面中间放备胎，为了能够更好的保证对于备胎盖板的支持，在备胎的两侧需要做一个支撑结构，最早的选择都是注塑件。随着聚丙烯发泡材料的推广，为了达到轻量化目的，使用聚丙烯发泡进行替换，降重非常可观。对于有些车型，在取消了后面的备胎以后，整个后行李舱空间较大，若使用聚丙烯发泡材料，可以明显降低重量，而且设计自由度较大。可以设计放折叠式自行车；工具整合在一起，可以放各类工具；如有空间，可以留一部分给用户储物使用等，这些方案很实用，开发成本较低，开发周期较短。对于有些结构较为复杂的混合动力汽车，使用聚丙烯发泡设计不但能起到轻量化效果，更重要的是，还能够更好的起到保护电池包的作用，如图5所示。

  聚丙烯发泡除了上面介绍的几个应用案例，还应用在汽车里很多部位：①在地毯下面的应用，采用的是空心结构的EPP，能够更好的起到降低噪声的效果；②在门板上的应用，它能选用不同的颜色，可以做门板结构件和外观件；③在发动机舱里的应用，有隔声和固定作用；④在电池包上的应用，能够有限保护电池元器件（图6）。

  图6 聚丙烯发泡材料在电池包上的应用我们目前在尝试聚丙烯发泡材料在ABC柱、汽车顶棚、衣帽架和后行李舱盖板上的应用推广。

  随着空心聚丙烯发泡材料、高阻燃聚丙烯发泡材料、吸波聚丙烯材料和防静电聚丙烯材料等原料级别的研发，以及使用粉末冶金模具技术、表面塑化技术和表面皮纹技术、多密度成型技术等工艺的一直在优化，聚丙烯发泡材料在汽车上的应用将越来越广。

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