近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車應(yīng)用最為成熟的汽車輕量化材料包括改性塑料及其復(fù)合材料和以合金為主的輕質(zhì)合金等材料。在汽車內(nèi)飾材料、承重零部件，以及新能源動(dòng)力電池等零部件中均能看到高分子材料應(yīng)用的身影。但是這些材料在阻燃方面的性能不盡理想，因此，將這些材料應(yīng)用于汽車零部件時(shí)，首要考慮的問題就是安全性。提升這類材料的阻燃性能是當(dāng)前提高汽車安全性的重要手段。
本文將從汽車未來方向講起，介紹各種阻燃高分子材料及其發(fā)展方向。
汽車零部件用阻燃高分子材料未來發(fā)展方向
目前，應(yīng)用于汽車零部件的阻燃高分子材料主要以PP、PU、ABS 及 PC 等材料為主，針對(duì)一些汽車零部件的特殊需求，還同時(shí)開發(fā)出一系列高性能的阻燃高分子材料。環(huán)保、高效以及優(yōu)異的機(jī)械加工性能和力學(xué)性能的阻燃高分子材料，將是汽車零部件用改性塑料的發(fā)展方向。
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(tái)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、PPS、PPO等。充電樁由于較高的使用標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)苛的使用環(huán)境對(duì)工程塑料需求較大，每個(gè)充電樁約需6kg工程塑料，目前常見的主要有PBT、PA和PC等。
將高分子材料應(yīng)用到汽車零部件中，必須保障材料的阻燃防火性能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。大部分高分子材料的阻燃性能不盡理想，因此應(yīng)用于汽車零部件時(shí)均需要對(duì)其進(jìn)行阻燃改性，制備成具有阻燃性能的高分子材料，將其極限氧指數(shù) ( LOI) 提升至 25. 0% ～ 35. 0% ，有效提升汽車安全指數(shù)。
高分子材料燃燒機(jī)理與阻燃機(jī)理
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高分子材料的燃燒機(jī)理
溫度、可燃物，以及氧氣是火災(zāi)發(fā)生的三要素。
當(dāng)溫度上升至一定數(shù)值時(shí)，高分子材料受熱首先降解為大分子化合物，然后繼續(xù)裂解為低分子量化合物。這些低分子量的化合物是具有揮發(fā)性的可燃物質(zhì)，當(dāng)其在空氣中積累到一定濃度時(shí)，就會(huì)發(fā)生燃燒現(xiàn)象，燃燒熱量的釋放又進(jìn)一步促進(jìn)了高分子材料的降解。高分子材料的燃燒分為兩個(gè)過程，即熱氧的降解與燃燒。
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高分子材料的阻燃機(jī)理
從高分子材料燃燒機(jī)理可知，阻燃可通過減緩或阻止一個(gè)或多個(gè)要素來實(shí)現(xiàn)。高分子材料阻燃機(jī)理一般分為氣相阻燃、凝聚相阻燃和中斷熱交換阻燃三種。
1) 氣相阻燃機(jī)理:
阻燃劑受熱分解產(chǎn)生不燃性氣體，降低了體系中可燃?xì)怏w和氧氣的濃度，使得火焰的燃燒過程被終止; 阻燃高分子材料燃燒時(shí)釋放出大量惰性氣體，稀釋了 O2，終止了燃燒過程，此外還可能釋放大量高密度蒸汽，使燃燒窒息，燃燒過程被終止。
2) 凝聚相阻燃機(jī)理:
阻燃劑的添加會(huì)加速高分子材料聚合物中化學(xué)鍵斷裂，阻燃劑熱分解吸熱過程使可燃物表面溫度降低，減緩或終止燃燒; 阻燃劑熱分解過程中會(huì)產(chǎn)生難燃、隔熱的多孔炭層覆蓋在燃燒物的表面，炭層保護(hù)著可燃物內(nèi)部基體，阻斷可燃?xì)怏w和熱量的擴(kuò)散，減緩或終止了高分子材料的燃燒。
3) 中斷熱交換阻燃機(jī)理:
是指將阻燃高分子材料燃燒產(chǎn)生的部分熱量轉(zhuǎn)移走，降低可燃物的溫度使其低于材料熱分解溫度，不能維持產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，燃燒終止，從而達(dá)到阻燃的目的?；诓煌淖钄嗳紵龣C(jī)理，一般將阻燃劑分為添加型阻燃劑和反應(yīng)性阻燃劑兩種類型。對(duì)高分子材料燃燒及阻燃理論的研究，可為尋找新型高性能阻燃劑，確定合適的阻燃方法以及提高阻燃水平提供理論依據(jù)，為汽車零部件用高分子材料提供更加高效的阻燃解決方案。
阻燃高分子材料在汽車零部件中的應(yīng)用
目前，在汽車承重件、新能源車電池組等汽車零部件中，隨處可見高分子材料應(yīng)用的身影。高分子材料在車用零部件中的應(yīng)用，以及提升汽車安全性的需求，促進(jìn)了阻燃型高分子材料的發(fā)展。當(dāng)下應(yīng)用的阻燃高分子材料主要以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(fù)合材料 ( 合金化) 、PA、PBT和PMMA等材料的使用。
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阻燃PP
聚丙烯 (PP)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(xué)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(hù)板、立柱、座椅護(hù)板、保險(xiǎn)杠等。由于未添加阻燃劑前的PP的阻燃型較差，其極限氧指數(shù) ( LOI) 僅為17. 8% ，發(fā)生事故后容易燃燒。目前，國內(nèi)外對(duì)汽車阻燃用 PP 研究主要圍繞對(duì)聚丙烯基體進(jìn)行改性，同時(shí)通過添加低毒、無鹵阻燃劑，開發(fā)具有優(yōu)異力學(xué)性能和阻燃功效的聚丙烯復(fù)合材料，以滿足汽車零部件的阻燃需求。
目前，適用于聚丙烯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 (常用的有溴系阻燃劑或溴－銻協(xié)效阻燃體系) 、無機(jī)填充型阻燃劑 (常用的有氫氧化鎂和氫氧化鋁) 、磷系 (三聚氰胺聚磷酸鹽、三聚氰胺磷酸鹽、聚磷酸銨、磷腈、磷酸酯等) 、氮系 ( MCA、APP、MPP 等) ，以及膨脹型阻燃劑( IFＲ) 。隨著嚴(yán)苛的環(huán)保政策的施行，以及無鹵化推廣，高分子材料用阻燃劑無鹵化已是大勢(shì)所趨。
以聚丙烯為基體，以長玻纖維為填充材料，加入磷氮系無鹵膨脹型阻燃劑、三聚氰胺尿酸鹽、多聚膦酸密胺鹽制備得到長玻纖增強(qiáng)無鹵阻燃聚丙烯電池槽。制備過程中還采用了雙母粒制備法，通過分別制備長玻纖維長玻纖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引起的力學(xué)性能下降問題。
聚丙烯纖維/木纖維/麻纖維三元復(fù)合材料是一種常見的汽車內(nèi)飾件材料。
阻燃PP無鹵化改性技術(shù)中，IFＲ因其對(duì)PP加工流動(dòng)性，低密度優(yōu)勢(shì)影響最小且優(yōu)異的阻燃效率，以及用量少和低煙無毒等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是無鹵阻燃PP中最優(yōu)前景的發(fā)展方向之一。
阻燃PP在我國起步較晚，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(dòng)了阻燃PP需求量的快速增長，國內(nèi)眾多高校、科研機(jī)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(diǎn)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(fù)配型阻燃劑同時(shí)結(jié)合其他助劑，開發(fā)出性能優(yōu)異的阻燃PP材料。
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阻燃ABS
ABS是全球用量最大的家電用高分子材料，我國約 80% 的ABS消費(fèi)量是用于家電生產(chǎn)。ABS 由于具有很強(qiáng)的塑料表面涂裝的耐久性和防腐性，是適合汽車涂裝的典型材料，也將其應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)。由于ABS樹脂只含有C、H、O三種元素，自身不具備阻燃性能，這使得ABS樹脂在高溫階段穩(wěn)定性差，極易燃燒; 在點(diǎn)燃的過程中還伴有異味氣體和黑煙顆粒的產(chǎn)生，將其直接用于車用零部件存有安全隱患。所以在使用前必須對(duì)其進(jìn)行阻燃性能、耐熱性能做改性處理。
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，雖然有著環(huán)保方面的強(qiáng)大壓力，溴系阻燃劑依靠異常突出的阻燃效果和低廉的成本兩大優(yōu)勢(shì)，對(duì)一些阻燃標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格的領(lǐng)域和某些難于阻燃的材料，溴系阻燃劑還是最實(shí)際的選擇。電子電器產(chǎn)品中約有 70% 為溴系阻燃劑，其中十溴二苯乙烷主要用于ABS的阻燃。但環(huán)保無鹵化的推廣，也讓無鹵、磷氮系阻燃劑用于ABS 受到關(guān)注。
ABS與聚碳酸酯 (PC) 熔融共混可得到PC/ABS復(fù)合材料，該材料兼具ABS和 PC的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的熱變形溫度和穩(wěn)定性，改善了加工性能。PC/ABS合金已成為當(dāng)前產(chǎn)量最大、增速最快的樹脂合金，可用于汽車儀表盤、蓄電池組、汽車車身等其他零部件。PC樹脂本身是屬于阻燃自熄材料，UL94 為 V2級(jí)，但與 ABS 共混后，阻燃性能下降，所以在用于汽車零部件前需要進(jìn)行阻燃改性。目前，針對(duì) PC /ABS合金阻燃改性常用的阻燃劑有鹵系阻燃劑、磷系阻燃劑、以及納米阻燃劑等。
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阻燃PC
聚碳酸酯 (PC) 作為五大工程塑料之一，因其具有高強(qiáng)度、高抗沖以及耐熱等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)。例如，汽車儀表板、照明系統(tǒng)、加熱板、除霜器及聚碳酸酯合金制的保險(xiǎn)杠等。伴隨著消費(fèi)升級(jí)，新能源車及輕量化發(fā)展，國內(nèi)對(duì) PC 的需求也在不斷增長，2019 年全球PC產(chǎn)能增至640萬噸，中國占比 72% ，達(dá)到460萬噸，2015－2019 年全球產(chǎn)能年均增速 24. 8% 。PC 本身具有一定阻燃性，相較于其他普通高分子材料 ( 如 PE、PP 等) 擁有一定優(yōu)越性，LOI 可到 21% ～ 24% ，UL94 為V2級(jí)。然而對(duì)汽車零部件阻燃要求相對(duì)較高的應(yīng)用領(lǐng)域，其阻燃性能還是難以勝任，仍還需要對(duì)其進(jìn)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，生會(huì)使汽車零部件受損。此外，溴系阻燃劑的添加會(huì)嚴(yán)重影響 PC 的透明性，同時(shí)也不符合歐盟無鹵化、環(huán)保政策的要求。當(dāng)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 ( 膦酸三苯酯) 、ＲDP ( 二苯基磷酸酯) 和 BDP。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(shí)發(fā)揮氣相和固相阻燃作用，同時(shí) 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 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(duì)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(shí)也在向無鹵環(huán)?？拷?，通過添加多種助劑或者制備復(fù)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(fù)合材料也是提升PC加工性能和阻燃性能的不二選擇。
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其他阻燃高分子材料
PP、PU、ABS和PC是目前主要應(yīng)用于汽車零部件生產(chǎn)的阻燃高分子材料，此外，將兩種或以上高分子材料熔融共混制備的復(fù)合材料也是目前使用較多的一種 材 料，如 PC/ABS，PC/PBT，PC/FＲ復(fù)合材料等。Polymaker 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Polymaker PC－ABS、Polymaker PC－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)。Polymaker PC－PBT 在科思創(chuàng) Makroblend 系列產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提升了材料綜合性能。同樣 PolyMaxPC－FＲ是在科思創(chuàng) Makrolon 產(chǎn)品上對(duì)阻燃性能做了較大改進(jìn)，使材料UL94 達(dá)到 V0 級(jí)，將該材料用于新能源汽車電池外殼。
綜上分析，研究的重點(diǎn)：
1) 汽車零部件用高分子材料阻燃理論研究。
相關(guān)研究人員應(yīng)根據(jù)汽車零部件應(yīng)用領(lǐng)域的特性，把分子材料阻燃研究的方法、機(jī)理以及標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到車用高分子材料阻燃性能研究上來，探索如何提升汽車零部件用高分子材料的阻燃性能。
2) 開發(fā)高性能高分子材料用阻燃劑。
配套汽車零部件高分子材料用的阻燃劑，未來應(yīng)是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(diǎn)將朝著復(fù)配協(xié)效阻燃技術(shù)，無鹵化阻燃，膨脹型阻燃，超細(xì)化、納米化技術(shù)，高效表面化學(xué)修飾技術(shù)以及多功能化技術(shù)等方向發(fā)展。
3) 汽車零部件用高分子材料改性優(yōu)化。
目前國內(nèi)改性塑料仍有較高的技術(shù)門檻，不僅僅在強(qiáng)度、硬度、韌性等基礎(chǔ)要求的標(biāo)準(zhǔn)在提高，同時(shí)在電學(xué)性能、衛(wèi)生安全性能以及環(huán)境友好性能等方面也不斷提出新的要求，汽車零部件用高分子材料也將向著性能高端化、功能定制化方向發(fā)展。光有高性能阻燃劑還不夠，還需要在各項(xiàng)特殊性能上有所提高，才能提升汽車零部件用阻燃高分子的綜合性能。
4) 加強(qiáng)汽車零部件用阻燃高分子材料制品立法工作。
目前，還沒有比較健全的汽車阻燃領(lǐng)域的法律法規(guī)以及測試方法，為更好地服務(wù)及推動(dòng)汽車零部件阻燃行業(yè)的發(fā)展，制定出更有效的汽車零部件用阻燃高分子材料測試方法和產(chǎn)品法規(guī)將有重要意義。
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