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)能增長呈現(xiàn)出迅猛的態(tài)勢，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，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、阻燃性等多個方面具備顯著優(yōu)勢，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)動機系統(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 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)著保護和支撐動力電池模組、電池溫控系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的重任，其對于保障動力電池系統(tǒng)在遭受外界沖擊或者機械應(yīng)力作用時不發(fā)生損壞，從而確保整個動力電池系統(tǒng)的機械安全具有極為重要的意義。正因如此，電池箱體對沖擊強度、拉伸強度等力學(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的一項重要參考指標(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，其阻燃等級僅能達到 UL94 V - 2 級，難以滿足新能源汽車極為嚴(yán)苛的阻燃要求，所以必須對其進行阻燃改性。

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、強度和能量吸收水平，還擁有 UL94 V - 0 等級的阻燃特性。其中，Tepexdynalite102fr - RG600 (x)/47% 采用粗紗玻璃纖維增強，這些纖維呈多軸排列，這種獨特的結(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）長玻纖增強 PA6 在汽車結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用

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

以儀表臺橫梁為例，儀表臺橫梁與車身直接相連，它需要承受并傳遞人機交互設(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。儀表臺橫梁在汽車正面碰撞時能夠緩沖前艙傳遞過來的沖擊力，同時還能為乘客安全氣囊的爆破提供有力的支撐。此外，儀表臺橫梁與方向盤、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。

長玻纖增強 PA6 儀表臺橫梁已經(jīng)成功開發(fā)并在部分車型上得到了大量的應(yīng)用。在完全滿足儀表臺橫梁作為承載件所必須具備的剛性和強度要求的同時，長玻纖增強 PA6 儀表臺橫梁還具有優(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。全塑儀表臺橫梁的設(shè)計方案不僅帶來了生產(chǎn)效率的顯著提升，而且還有助于實現(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)燃機汽車中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車領(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)動機進氣管、真空制動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現(xiàn)長期穩(wěn)定的使用。例如，內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機冷卻水管通常仍然會選用金屬或者橡膠管路，而不會采用 PA12 管路。一般來說，新能源汽車的電機冷卻系統(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

與橡膠管路相比，PA12 管路具有顯著的減重優(yōu)勢。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，PA12 管路的管壁相對較薄。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。綜合計算可知，選用 PA12 材質(zhì)可以使管路減重高達 65%。例如，廣州汽車集團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，如果將其用于較長的管路，則需要設(shè)置較多的固定點。因此在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的冷卻系統(tǒng)中，較長的管路一般會選用金屬材質(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，這不僅會大大增加零件的數(shù)量，還會提高泄漏的風(fēng)險。

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，空間占用更小，可靠性更高，在新能源汽車中極具推廣價值。

（三）特定場景需求的 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)用于對溫度要求較高的汽車?yán)鋮s管路系統(tǒng)中。

由于 PA12 對汽油具有良好的耐滲透性能，已經(jīng)被驗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^強的滲透性和溶解性，容易造成碳氫化合物滲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，對可應(yīng)用于燃油管路的材料進行開發(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

在 “以塑代鋼” 的汽車輕量化大趨勢下，PA66 在傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和新能源汽車領(lǐng)域都發(fā)揮了極為突出的價值，直接或間接地助力實現(xiàn)了低碳排放的社會愿景。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。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)有動力輸出的同時，提高車輛經(jīng)濟性、降低有害氣體排放。

（二）進氣歧管應(yīng)用

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

（三）發(fā)動機支架或驅(qū)動電機支架應(yīng)用

PA66 的另一個典型應(yīng)用是發(fā)動機支架或者驅(qū)動電機支架，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 玻纖增強產(chǎn)品在發(fā)動機、驅(qū)動電機支架中的應(yīng)用，能夠有效地降低發(fā)動機或驅(qū)動電機的振動和噪聲。

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，不僅有助于增強車身力學(xué)性能，而且在車輛發(fā)生碰撞時，PA66 增強材料能夠有效地吸收碰撞能量，最大限度地保護司乘人員和動力電池，同時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、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 PA66，尤其是有機磷阻燃 PA66。

無鹵阻燃增強 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，其價格波動較大。而 PA6 原材料供應(yīng)充足，價格相對較低。因此無鹵阻燃增強 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 PA66/PA6 合金中，當(dāng) PA66 和 PA6 比例不同時合金的阻燃性能、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)強度略有下降。隨著 PA6 比例的降低，拉伸強度有所降低，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 PA66 力學(xué)性能研究，并進行了該材料應(yīng)用于輕量化電池箱的性能評價和仿真分析。研究結(jié)果顯示，相對于金屬電池箱體，短切碳纖維增強 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%，同時還發(fā)現(xiàn)碳纖維含量對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 分子鏈中存在強極性的酰胺基團，使得 PA66 與冷卻液接觸時容易發(fā)生變形和水解反應(yīng)。

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

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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)計與制造水平高低的重要標(biāo)志之一。目前發(fā)達國家內(nèi)燃機汽車單臺塑料用量約為 150kg，其中 PA 所占比例約為 20%。當(dāng)前國內(nèi)內(nèi)燃機汽車單臺 PA 用量約為 8kg，預(yù)計到 2025 年將達到 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 PA 用量可以達到 50kg。

中國乘用車市場信息聯(lián)席會數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2022 年全國內(nèi)燃機汽車銷量為 1486.8 萬輛，同比減少了 230.2 萬輛，內(nèi)燃機汽車正在以驚人的速度失去市場份額。國內(nèi)外車企公布的停止研發(fā)內(nèi)燃機汽車的時間節(jié)點一般在 2030 年左右，在此之后內(nèi)燃機汽車將逐漸退出歷史舞臺。

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

總之，發(fā)動機技術(shù)的進步、汽車新能源化轉(zhuǎn)型和汽車輕量化發(fā)展在有效促進節(jié)能減排水平和社會運行效率提升的同時，也為 PA 等工程塑料的應(yīng)用帶來了巨大的增量市場。在可以預(yù)見的未來，汽車行業(yè)對 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)展時期。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和研發(fā)的深入推進，PA 材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用將會更加廣泛和深入，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)展提供更為堅實的支撐。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)動機等高溫部件周圍的應(yīng)用范圍；在耐腐蝕性方面，不斷增強 PA 材料對各種冷卻液、燃油以及特殊工況下介質(zhì)的耐受性，延長汽車部件的使用壽命。同時，隨著汽車智能化和電動化的發(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、擴大生產(chǎn)規(guī)模以及尋找更加廉價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)中的性價比，從而進一步推動其在汽車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

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銀塑阻燃在專門針對PA材料研發(fā)的阻燃劑領(lǐng)域有著諸多獨特的產(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，在面對對阻燃性能有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場景時，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。