汽車行業(yè)變革下 PA6、PA66、PA12 尼龍材料的應(yīng)用征程及阻燃協(xié)同

一、引言

我國汽車行業(yè)產(chǎn)能增長(zhǎng)呈現(xiàn)出迅猛的態(tài)勢(shì)，這為車用工程塑料產(chǎn)業(yè)開辟了廣闊的發(fā)展空間。在汽車制造領(lǐng)域，工程塑料逐漸取代金屬材料已成為一種顯著的趨勢(shì)，并且其應(yīng)用范圍正從單純的裝飾件不斷向結(jié)構(gòu)件與功能件拓展。PA（聚酰胺）作為一種優(yōu)異的工程塑料，化學(xué)性能極為穩(wěn)定，對(duì)潤滑油和汽油表現(xiàn)出優(yōu)秀的抵抗性。在當(dāng)前節(jié)能減排的社會(huì)大背景下，PA 材料由于在輕量化、耐熱性、耐油性、阻燃性等多個(gè)方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，其在汽車行業(yè)中的滲透率正在逐步穩(wěn)步提高，目前已在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等重要系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其中，PA6 和 PA66 的用量在各類 PA 材料總量中占據(jù)了高達(dá) 90% 以上的比例。而 PA11 和 PA12 則憑借良好的柔韌性、耐腐蝕性、耐油性和尺寸穩(wěn)定性，在燃油管、燃料蓋、制動(dòng)管等部件中也獲得了廣泛的應(yīng)用。

二、PA6 材料在汽車中的應(yīng)用

（一）電池箱體應(yīng)用

電池箱體在新能源汽車中承擔(dān)著保護(hù)和支撐動(dòng)力電池模組、電池溫控系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的重任，其對(duì)于保障動(dòng)力電池系統(tǒng)在遭受外界沖擊或者機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)不發(fā)生損壞，從而確保整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的機(jī)械安全具有極為重要的意義。正因如此，電池箱體對(duì)沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能提出了較高的要求。

在當(dāng)前的電池箱體選材中，有部分會(huì)選用 PA 材料，其中又以 PA6 材料最為常見。然而，阻燃性能是新能源汽車電池箱體材料選用時(shí)的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)，未經(jīng)過改性處理的 PA6 材料極限氧指數(shù)一般僅處于 20% - 22% 的范圍，其阻燃等級(jí)僅能達(dá)到 UL94 V - 2 級(jí)，難以滿足新能源汽車極為嚴(yán)苛的阻燃要求，所以必須對(duì)其進(jìn)行阻燃改性。

通常而言，應(yīng)用于 PA6 的阻燃劑涵蓋了鹵系、磷系、氮系等多種不同的類型。其中，鹵系阻燃劑在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生具有腐蝕性的氣體以及致癌煙霧，自 2003 年初歐盟發(fā)布《電子電器設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令》之后，其使用便受到了極大的限制。

近年來，眾多的研究者積極投身于無鹵阻燃性 PA6 材料的研究工作，并取得了一系列令人矚目的成果。許多工程塑料公司也在致力于研發(fā)無鹵阻燃 PA6 材料。例如，朗盛集團(tuán)推出了 3 種以 PA6 為基體的 Tepex 材料。Tepex 材料由于含有較高的纖維量，所以不僅具備極高的剛度、強(qiáng)度和能量吸收水平，還擁有 UL94 V - 0 等級(jí)的阻燃特性。其中，Tepexdynalite102fr - RG600 (x)/47% 采用粗紗玻璃纖維增強(qiáng)，這些纖維呈多軸排列，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)良好的阻燃效果，還可以精確地匹配部件中的負(fù)載路徑，因而可以被應(yīng)用于新能源汽車電池箱體的控制單元外殼、隔板、蓋板等高壓部件。

（二）長(zhǎng)玻纖增強(qiáng) PA6 在汽車結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用

長(zhǎng)玻纖增強(qiáng) PA6 在汽車結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用正逐漸變得普及。玻纖作為增強(qiáng)骨架貫穿于 PA6 基體之中，能夠有效地增強(qiáng)塑料制品的抗沖擊性能、抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性。長(zhǎng)玻纖增強(qiáng) PA6 具備了諸多可與金屬相媲美的優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于制作復(fù)雜的汽車模塊制品。

以儀表臺(tái)橫梁為例，儀表臺(tái)橫梁與車身直接相連，它需要承受并傳遞人機(jī)交互設(shè)備及裝飾部件的載荷，并且與其它安全部件共同構(gòu)成了 cockpit 安全系統(tǒng)，其直接影響著汽車的操控性和安全性。儀表臺(tái)橫梁在汽車正面碰撞時(shí)能夠緩沖前艙傳遞過來的沖擊力，同時(shí)還能為乘客安全氣囊的爆破提供有力的支撐。此外，儀表臺(tái)橫梁與方向盤、轉(zhuǎn)向管柱構(gòu)成的系統(tǒng)需要滿足一定的 NVH 模態(tài)要求，以避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

長(zhǎng)玻纖增強(qiáng) PA6 儀表臺(tái)橫梁已經(jīng)成功開發(fā)并在部分車型上得到了大量的應(yīng)用。在完全滿足儀表臺(tái)橫梁作為承載件所必須具備的剛性和強(qiáng)度要求的同時(shí)，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng) PA6 儀表臺(tái)橫梁還具有優(yōu)秀的抗蠕變性能和耐疲勞性能以及出色的高低溫抗沖擊性能。全塑儀表臺(tái)橫梁的設(shè)計(jì)方案不僅帶來了生產(chǎn)效率的顯著提升，而且還有助于實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化與 NVH 目標(biāo)。

三、PA12 材料在汽車中的應(yīng)用

（一）傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車領(lǐng)域，杜邦、Arkema、Basf 等大型工程塑料公司均開發(fā)出了不同耐溫等級(jí)的 PA12 材料，并將其廣泛應(yīng)用于油箱注油管、燃油輸油管、曲軸箱通風(fēng)管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管、真空制動(dòng)管等油液與氣體管路之中。

然而，由于 PA12 的耐高溫性能并不十分出眾，在工作溫度較高的管路中無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的使用。例如，內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水管通常仍然會(huì)選用金屬或者橡膠管路，而不會(huì)采用 PA12 管路。一般來說，新能源汽車的電機(jī)冷卻系統(tǒng)工作溫度一般低于 80℃，電池冷卻系統(tǒng)工作溫度一般低于 60℃，PA12 材質(zhì)完全可以滿足新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的耐溫要求。

（二）新能源汽車中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

與橡膠管路相比，PA12 管路具有顯著的減重優(yōu)勢(shì)。PA12 的密度為 1.02g/cm3，而傳統(tǒng)汽車管路中經(jīng)常選用的 EPDM 橡膠密度為 1.1 - 1.2g/cm3。同時(shí)，PA12 管路的管壁相對(duì)較薄。以內(nèi)徑 15 - 18mm 的管路為例，PA12 水管僅為 1.25 - 1.5mm，而 EPDM 橡膠管路的壁厚一般為 3.5 - 4mm。綜合計(jì)算可知，選用 PA12 材質(zhì)可以使管路減重高達(dá) 65%。例如，廣州汽車集團(tuán)股份有限公司某車型采用 PA12 管路方案后，相比傳統(tǒng)的金屬和橡膠管路，管路系統(tǒng)質(zhì)量實(shí)際減輕了 56%。

此外，由于 EPDM 橡膠材質(zhì)剛度較小，如果將其用于較長(zhǎng)的管路，則需要設(shè)置較多的固定點(diǎn)。因此在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的冷卻系統(tǒng)中，較長(zhǎng)的管路一般會(huì)選用金屬材質(zhì)，僅在轉(zhuǎn)接部分選用 EPDM 橡膠材質(zhì)。在這種金屬管路與橡膠管路的配合方案中，存在大量的轉(zhuǎn)接部位，這不僅會(huì)大大增加零件的數(shù)量，還會(huì)提高泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

而 PA12 管路剛度較高，可以采用一體成型的方式制造完整的水管，這樣能夠有效降低零件的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。例如，廣州汽車集團(tuán)股份有限公司某車型采用 PA12 管路方案后，相比傳統(tǒng)的金屬和橡膠管路，管路系統(tǒng)中的零件數(shù)量減少了 77%。與金屬管路和橡膠管路相比，PA12 管路重量更輕，剛性更強(qiáng)，空間占用更小，可靠性更高，在新能源汽車中極具推廣價(jià)值。

（三）特定場(chǎng)景需求的 PA12 管路研究

眾多研究者還開展了滿足其他特定場(chǎng)景需求的 PA12 管路研究。例如，日本 Toray 公司和 Polyplastics - Evonik 公司合作研發(fā)了一種三層擠壓管，這種擠壓管的外層 PA12 材料和內(nèi)層的聚苯硫醚 PPS 樹脂材料通過一種特殊的黏結(jié)劑粘合在一起，其不僅可以承受 130℃的高溫，還具有良好的耐水解性和耐熱性，能夠應(yīng)用于對(duì)溫度要求較高的汽車?yán)鋮s管路系統(tǒng)中。

由于 PA12 對(duì)汽油具有良好的耐滲透性能，已經(jīng)被驗(yàn)證是一種安全可靠的燃油管路材質(zhì)。然而，隨著添加甲醇或者乙醇的混合燃油的出現(xiàn)和使用，對(duì)燃油管路的耐滲透性提出了更高的要求?；旌先加椭械募状蓟蛞掖季哂休^強(qiáng)的滲透性和溶解性，容易造成碳?xì)浠衔餄B出從而無法滿足相關(guān)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

張穎開展了低滲透、低析出汽車燃油管材的研發(fā)工作。通過深入剖析各種原料的物性，對(duì)可應(yīng)用于燃油管路的材料進(jìn)行開發(fā)，最終研發(fā)出了滿足燃油管路低滲透標(biāo)準(zhǔn)要求的 PA12 對(duì)稱結(jié)構(gòu)五層管復(fù)合管材以及由復(fù)合管材所組成的燃油管路總成系統(tǒng)。

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四、PA66 材料在汽車中的應(yīng)用

（一）在汽車輕量化中的貢獻(xiàn)

在 “以塑代鋼” 的汽車輕量化大趨勢(shì)下，PA66 在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和新能源汽車領(lǐng)域都發(fā)揮了極為突出的價(jià)值，直接或間接地助力實(shí)現(xiàn)了低碳排放的社會(huì)愿景。在零部件生產(chǎn)過程中，憑借著十倍于 PA6 的結(jié)晶速度，PA66 可以在模具中實(shí)現(xiàn)快速成型，這大大提高了生產(chǎn)效率。

PA66 的性能與 PA6 相比也極為出色，具有更高的尺寸穩(wěn)定性、更低的吸水率和更高的熔點(diǎn)。PA66 廣泛應(yīng)用于汽車各系統(tǒng)，其目的在于在保持或超越現(xiàn)有動(dòng)力輸出的同時(shí)，提高車輛經(jīng)濟(jì)性、降低有害氣體排放。

（二）進(jìn)氣歧管應(yīng)用

以進(jìn)氣歧管為例，早期的內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)氣歧管主要選用 PA6 材料，但是隨著集成增壓器的應(yīng)用以及發(fā)動(dòng)機(jī)的緊湊化發(fā)展，進(jìn)氣歧管的耐溫要求從 130℃大幅上升到 200℃，在這種情況下，主機(jī)廠逐漸傾向于選擇更高熔點(diǎn)的 PA66 來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣歧管的性能升級(jí)。

（三）發(fā)動(dòng)機(jī)支架或驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架應(yīng)用

PA66 的另一個(gè)典型應(yīng)用是發(fā)動(dòng)機(jī)支架或者驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架，該類結(jié)構(gòu)件在早期一般選用鋼鐵或者鋁合金材質(zhì)。由于 PA 材料本身具有阻尼減振效果，所以 PA66 玻纖增強(qiáng)產(chǎn)品在發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架中的應(yīng)用，能夠有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

此外，由于 PA66 可以耐受 160 - 180℃的烤漆溫度，將其集成于汽車白車身內(nèi)部，不僅有助于增強(qiáng)車身力學(xué)性能，而且在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，PA66 增強(qiáng)材料能夠有效地吸收碰撞能量，最大限度地保護(hù)司乘人員和動(dòng)力電池，同時(shí)還可以使車身獲得超過 30% 的減重，從而提高車輛的操控性和續(xù)航里程。

（四）新能源汽車高壓部件應(yīng)用

在新型 PA66 材料的研究方面，眾多研究者也開發(fā)出了適用于特定汽車部件的 PA66 材料。例如，在新能源汽車中，車載充電機(jī)、DC/DC 控制器、PTC 加熱器、高壓接線盒均屬于高壓部件。高壓部件與高壓線束之間的高壓連接器多選用無鹵阻燃增強(qiáng) PA66，尤其是有機(jī)磷阻燃 PA66。

無鹵阻燃增強(qiáng) PA66 具有良好的阻燃性能和力學(xué)性能，但是受到上游原材料供應(yīng)的影響，其價(jià)格波動(dòng)較大。而 PA6 原材料供應(yīng)充足，價(jià)格相對(duì)較低。因此無鹵阻燃增強(qiáng) PA66/PA6 合金成為了一種具有前景的替代技術(shù)方案。

葉士兵等研究了在阻燃增強(qiáng) PA66/PA6 合金中，當(dāng) PA66 和 PA6 比例不同時(shí)合金的阻燃性能、電學(xué)性能、力學(xué)性能、耐熱性能的變化，研究發(fā)現(xiàn)隨著 PA6 比例的升高，合金的韌性指標(biāo)略有上升，但是阻燃性能和力學(xué)強(qiáng)度略有下降。隨著 PA6 比例的降低，拉伸強(qiáng)度有所降低，但是韌性顯著提高。

（五）電池箱體應(yīng)用

PA66 在新能源汽車電池箱體中也有應(yīng)用。劉穎等開展了不同纖維含量的短切碳纖維增強(qiáng) PA66 力學(xué)性能研究，并進(jìn)行了該材料應(yīng)用于輕量化電池箱的性能評(píng)價(jià)和仿真分析。研究結(jié)果顯示，相對(duì)于金屬電池箱體，短切碳纖維增強(qiáng) PA66 材料箱體在質(zhì)量上減輕了 84%，在顛簸路面和急轉(zhuǎn)彎工況下箱體最大應(yīng)力減小了 30% - 50%，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)碳纖維含量對(duì)電池箱體的最大位移影響較大，在顛簸路面和急轉(zhuǎn)彎工況下碳纖維含量的增加可以顯著減少箱體位移。

（六）汽車軋帶應(yīng)用

目前汽車上所使用的 30cm 以上的軋帶，多數(shù)使用 PA66 材質(zhì)。然而，PA66 在低溫條件下韌性較差，需要進(jìn)行耐寒增韌改性。

陸大光等采用雙螺桿共混法，通過選用不同類型的增韌劑和不同黏度的 PA66 原料，制備了適用于汽車軋帶使用的耐寒增韌改性 PA66 材料。

（七）汽車水管應(yīng)用

PA66 具有較好的耐熱性、耐腐蝕性和韌性，可以替代長(zhǎng)鏈 PA 成為車用 PA 水管的選擇材質(zhì)。但是由于 PA66 分子鏈中存在強(qiáng)極性的酰胺基團(tuán)，使得 PA66 與冷卻液接觸時(shí)容易發(fā)生變形和水解反應(yīng)。

針對(duì)該問題，張松峰等首先通過添加增韌劑和耐水解劑對(duì) PA66 材料進(jìn)行共混改性，提高了其耐水解性和韌性，然后使用常規(guī)軟管擠出工藝對(duì)改性材料進(jìn)行軟管擠出試制，成功開發(fā)了以 PA66 為主體的汽車用冷卻水管。通過測(cè)試，共混改性后的 PA66 軟管的爆破強(qiáng)度大于 2.6MPa，并且其材料成本降低了 40%，解決了長(zhǎng)鏈 PA 軟管生產(chǎn)工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴的問題。

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五、PA 材料在汽車行業(yè)的發(fā)展展望

車輛塑料用量在某種程度上可以作為衡量汽車設(shè)計(jì)與制造水平高低的重要標(biāo)志之一。目前發(fā)達(dá)國家內(nèi)燃機(jī)汽車單臺(tái)塑料用量約為 150kg，其中 PA 所占比例約為 20%。當(dāng)前國內(nèi)內(nèi)燃機(jī)汽車單臺(tái) PA 用量約為 8kg，預(yù)計(jì)到 2025 年將達(dá)到 15kg，到 2030 年有望增至 30kg。關(guān)于新能源汽車的 PA 用量，參考特斯拉 Model 3 等車型，預(yù)估 2030 年新能源汽車單臺(tái) PA 用量可以達(dá)到 50kg。

中國乘用車市場(chǎng)信息聯(lián)席會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2022 年全國內(nèi)燃機(jī)汽車銷量為 1486.8 萬輛，同比減少了 230.2 萬輛，內(nèi)燃機(jī)汽車正在以驚人的速度失去市場(chǎng)份額。國內(nèi)外車企公布的停止研發(fā)內(nèi)燃機(jī)汽車的時(shí)間節(jié)點(diǎn)一般在 2030 年左右，在此之后內(nèi)燃機(jī)汽車將逐漸退出歷史舞臺(tái)。

與此同時(shí)，新能源汽車市場(chǎng)迎來了高歌猛進(jìn)的發(fā)展。在中國電動(dòng)汽車百人會(huì)上，中國科學(xué)院院士歐陽明高預(yù)計(jì)，2025 年全國新能源汽車銷量將達(dá)到 700 萬 - 900 萬輛，2030 年將達(dá)到 1700 萬 - 1900 萬輛。華安證券研究所預(yù)估，2030 年車用 PA 材料用量將達(dá)到 144 萬噸。

總之，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步、汽車新能源化轉(zhuǎn)型和汽車輕量化發(fā)展在有效促進(jìn)節(jié)能減排水平和社會(huì)運(yùn)行效率提升的同時(shí)，也為 PA 等工程塑料的應(yīng)用帶來了巨大的增量市場(chǎng)。在可以預(yù)見的未來，汽車行業(yè)對(duì) PA 材料的需求將持續(xù)增加，PA 材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入了高速發(fā)展時(shí)期。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和研發(fā)的深入推進(jìn)，PA 材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深入，其性能也將不斷得到優(yōu)化和提升，從而為汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更為堅(jiān)實(shí)的支撐。例如，在阻燃性能方面，未來有望開發(fā)出更加高效、環(huán)保的阻燃劑或阻燃體系，進(jìn)一步提高 PA 材料在汽車關(guān)鍵部件中的安全性；在耐高溫性能上，通過材料的復(fù)合、改性等手段，使 PA 材料能夠適應(yīng)更高溫度的工作環(huán)境，拓展其在發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫部件周圍的應(yīng)用范圍；在耐腐蝕性方面，不斷增強(qiáng) PA 材料對(duì)各種冷卻液、燃油以及特殊工況下介質(zhì)的耐受性，延長(zhǎng)汽車部件的使用壽命。同時(shí)，隨著汽車智能化和電動(dòng)化的發(fā)展，PA 材料在汽車電子電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用也將面臨新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，需要不斷開發(fā)出具有良好電磁屏蔽性能、高絕緣性等特殊性能的 PA 材料，以滿足汽車電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的需求。此外，在材料成本控制方面，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝、擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以及尋找更加廉價(jià)的原材料來源等方式，降低 PA 材料的生產(chǎn)成本，提高其在汽車行業(yè)中的性價(jià)比，從而進(jìn)一步推動(dòng)其在汽車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

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銀塑阻燃在專門針對(duì)PA材料研發(fā)的阻燃劑領(lǐng)域有著諸多獨(dú)特的產(chǎn)品，例如紅磷阻燃劑FRP-950-1、FRP-750A、PA-50以及FRP-603H，還有溴銻替代劑XT-30M等。這些產(chǎn)品均具備出色的阻燃性能，低的阻燃成本，廣泛應(yīng)用于尼龍材料之中，為尼龍材料在諸如汽車行業(yè)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠的阻燃保障。無論是PA6、PA66還是PA12等尼龍材料，在面對(duì)對(duì)阻燃性能有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，這些來自銀塑阻燃的阻燃劑都能發(fā)揮重要作用，助力尼龍材料更好地契合各行業(yè)的使用標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)在追求安全性與高性能的發(fā)展道路上增添了有力的支撐。