概要：汽車輕量化已成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢，熱塑性彈性體作為汽車輕量化的關(guān)鍵材料，在汽車領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。文章通過詳細(xì)介紹苯乙烯類、聚烯烴類、聚氨酯類、聚酯類等熱塑性彈性體的性能及在汽車零部件領(lǐng)域的應(yīng)用等，體現(xiàn)了熱塑性彈性體對汽車輕量化的積極促進(jìn)作用，并指出了熱塑性彈性體的未來發(fā)展方向。
1.汽車輕量化
隨著人們對汽車的動力性、舒適性、多功能性等配置要求越來越高，汽車承載的裝備也隨之增加，導(dǎo)致汽車重量及油耗不斷上升。目前，世界多個國家和地區(qū)對汽車的二氧化碳排放量進(jìn)行了嚴(yán)格限制；我國頒布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》中要求，到2020年乘用車平均燃料消耗量降至5.0L/百公里，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5L/百公里以下。近年來，減少汽車燃油用量已成為改善全球氣候問題的重要組成部分，汽車輕量化迫在眉睫。
汽車輕量化是在滿足汽車使用要求、安全性能和成本控制的前提下，將結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及制造技術(shù)與多種輕量化材料應(yīng)用集成，實現(xiàn)汽車整備質(zhì)量減重。實驗數(shù)據(jù)表明：當(dāng)汽車的整備質(zhì)量降低10%，可使燃油效率提高6%-8%；整車每減少100kg，可使百公里油耗降低0.3~0.6L，CO2排放減少5.0g/公里。此外，由于汽車碰撞時的沖擊能量與汽車質(zhì)量成正比，同等條件下汽車越輕則碰撞時的沖擊能量、乘員所受的沖擊加速度和車身結(jié)構(gòu)的變形就越小，對乘員安全的保護(hù)性能越高。因此，汽車輕量化由于可減少燃料消耗、降低排氣污染、保護(hù)乘員安全，已成為世界汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢。其中，熱塑性彈性體作為汽車輕量化的關(guān)鍵材料，在汽車領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
2.熱塑性彈性體
根據(jù)彈性體是否可塑化，將彈性體分為熱固性和熱塑性兩類。熱固性彈性體即傳統(tǒng)意義的橡膠；熱塑性彈性體（TPE）兼具塑料的可塑性和橡膠的彈性，是最近發(fā)展較快的一種新型高分子材料。熱塑性彈性體可回收利用、機(jī)械性能好、加工便捷、耐候性及耐老化性優(yōu)異，按化學(xué)組成可分為苯乙烯類、聚烯烴類、聚氨酯類、聚酯類、聚酰胺類等。
近年來，采用共混、填充、增容、共交聯(lián)、嵌段共聚、化學(xué)接枝、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)等合成與加工改性技術(shù)，既可保持聚合物本身的優(yōu)點又可利用復(fù)合效應(yīng)改善某些原有缺陷，材料的綜合性能得到大幅提高，為開發(fā)更多的TPE產(chǎn)品奠定了良好基礎(chǔ)。例如：環(huán)氧化天然橡膠/聚氯乙烯/蒙脫土共混型TPE材料可提升拉伸強(qiáng)度及邵氏硬度；將炭黑、納米氧化硅和微米氧化鈣添加入聚醚二醇/聚苯乙烯/丁苯橡膠TPE材料，可起到明顯的補(bǔ)強(qiáng)作用；采用動態(tài)硫化法制備的聚氨酯/硅橡膠聚烯烴合金熱塑性彈性體，相比簡單二元共混體系可將拉伸強(qiáng)度提高10倍；將雙（γ-三甲氧基甲硅烷丙基）胺接枝乙烯-醋酸乙烯酯共聚物作為增容劑后，可提高聚氨酯/硅橡膠過氧化物硫化的TPE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率；采用多功能復(fù)合改性劑YY-503，可顯著改善PP/SEBS復(fù)合材料的MFR和表面光澤度；以天然橡膠和甲基丙烯酸甲酯為主要原材料制備的NR/PMMA互穿網(wǎng)絡(luò)共混物，隨著硫化劑過氧化二異丙苯和雙烯交聯(lián)劑用量的增大，可提高NR/PMMA共混物的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度。
3.車用熱塑性彈性體
汽車零部件采用TPE材料不僅可以減少重量、提高零部件性能及整車回收利用率，還能改善外觀，自20世紀(jì)90年代以來，TPE在汽車領(lǐng)域的用量增長很快并逐步取代了傳統(tǒng)橡膠材料。汽車輕量化及全球范圍內(nèi)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)的愈發(fā)嚴(yán)格，是推動全球TPE需求量增長的主要因素。相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，未來5年內(nèi)TPE將有平均5.5%的綜合增長率，而作為全球最大TPE市場的亞太地區(qū)在2022年價值有望達(dá)到78.2億美元。
3.1苯乙烯類熱塑性彈性體
苯乙烯類熱塑性彈性體（TPS）是TPE的鼻祖，其硬端由苯乙烯類組成，軟端由聚丁二烯等組成，是目前世界上產(chǎn)量最大、發(fā)展最快的一種熱塑性彈性體。TPS的最初產(chǎn)品被稱為SBS（聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物），是在常溫下表觀性狀最接近于橡膠的TPE材料。TPS具有優(yōu)異的耐摩擦和抗疲勞性能、良好的拉伸強(qiáng)度和彈性且價格低廉，經(jīng)飽和加氫所制成的TPS-SEBS等具有優(yōu)異的耐臭氧、耐氧化、耐紫外線和戶外耐候性能。由于在非動態(tài)用途方面可與乙丙橡膠媲美，該類熱塑性彈性體可用于密封條、裝飾條、制動手柄、換檔手柄手球等汽車部件。
3.2熱塑性聚烯烴彈性體
熱塑性聚烯烴彈性體由橡膠和聚烯烴構(gòu)成，橡膠組分為三元乙丙橡膠、丁腈橡膠和丁基橡膠，聚烯烴組分主要為聚丙烯和聚乙烯；聚丙烯-乙丙橡膠的配比一般為（5-60）/100，最好為（20-35）/100。動態(tài)部分硫化熱塑性聚烯烴彈性體（TPV）是三元乙丙無規(guī)共聚物與聚烯烴樹脂加入硫化劑（有機(jī)過氧化物或與硫黃硫化體系并用）后，于密煉機(jī)中共混并借助硫化劑部分交聯(lián)而得。TPV的相態(tài)結(jié)構(gòu)是由橡膠和聚烯烴兩相分離的共混物，且共混物的性能會隨著相態(tài)變化而發(fā)生改變，當(dāng)橡膠為連續(xù)相時TPV性能類似硫化膠，當(dāng)樹脂為連續(xù)相時則性能類似塑料。使用TPV材料后則無需硫化階段，可使用更簡單的加工設(shè)備以降低能耗，還可減少后續(xù)的去除毛邊工序，從而縮短制造周期。
TPO/TPV具有耐磨、耐候、耐撕裂、耐沖擊、耐臭氧、耐紫外、耐酸堿等優(yōu)異性能，最大應(yīng)用領(lǐng)域為汽車配件制造行業(yè)，其中用量最多的有EPDM/PP和NBR/PP兩類。可以通過注射、擠出、熱成型、吹塑成型、壓延機(jī)加工等多種手段，將TPO/TPV制造成形狀復(fù)雜的制品；也可根據(jù)需要添加各種顏料，將成品調(diào)成不同顏色；還可加入抗氧劑、軟化劑、填充劑等配合劑，改善TPO/TPV的加工性能和使用性能并降低成本。
隨著汽車向高性能、長壽及輕量化發(fā)展，汽車部件采用TPO/TPV取代傳統(tǒng)熱固性硫化膠的速度越來越快，功能化開發(fā)進(jìn)一步拓展了TPO/TPV在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。汽車外飾件系統(tǒng)中，可將TPO/TPV應(yīng)用于保險杠、車身外板、車輪護(hù)罩、擋泥板、車門檻板、散熱器格柵、車牌照板、車側(cè)鑲條等；汽車內(nèi)飾件系統(tǒng)中，TPO/TPV主要用于儀表板、扶手、內(nèi)飾板蒙皮、安全氣囊外皮等；汽車密封系統(tǒng)中，TPO/TPV的應(yīng)用包括雨刮條、玻璃導(dǎo)槽、大燈密封圈、擋風(fēng)玻璃密封條、三角窗密封條、油箱蓋密封圈等；汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中，TPO/TPV可用于空氣導(dǎo)管、電氣接線套、燃料管防護(hù)罩等；此外，TPO/TPV還可在底盤及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用于等速萬向節(jié)保護(hù)罩、軸架懸置防護(hù)罩、齒條和小齒輪防護(hù)罩等。
3.3聚氨酯類熱塑性彈性體
聚氨酯類熱塑性彈性體（TPU）是由異氰酸酯、聚醚（或聚酯）大分子多元醇與小分子擴(kuò)鏈劑構(gòu)成的嵌段共聚體；一般由異氰酸酯及擴(kuò)鏈劑構(gòu)成硬段，由低聚物多元醇柔性長鏈構(gòu)成軟段，硬段和軟段交替排列形成重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。除了含有氨酯基團(tuán)以外，TPU分子內(nèi)及分子間可形成氫鍵，硬段和軟段可形成微相區(qū)并產(chǎn)生微觀相分離，獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)使TPU成了一種既保持橡膠高彈性又具有塑料的高硬度和高強(qiáng)度的高分子合成材料。卓越的耐磨性使TPU獲得了“耐磨橡膠之王”的美譽(yù)，TPU還具有隔音、耐油、耐水、耐溶劑、耐屈撓、耐老化、機(jī)械強(qiáng)度高、濾震性好、黏接力強(qiáng)、硬度范圍廣等優(yōu)異性能，但耐熱性和耐壓縮性較差，外觀易變黃且易粘模具。通過采用不同種類的固化劑、多元醇和擴(kuò)鏈劑等原料，可以合成出性能各異的多種TPU產(chǎn)品。相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，由歐洲、亞太和美國主導(dǎo)的全球TPU市場到2020年價值有望超過730億美元。
汽車塑料件的發(fā)展趨勢是不斷推出高性價比且可回收再生的材料，促進(jìn)了TPU廣泛應(yīng)用于汽車的多種部件，包括輪胎、座椅、地墊、頭枕、門板、氣囊、軸套、儀表盤、遮陽板、減震墊、換檔拉桿手柄手球、隔音降噪及密封材料等；采用玻璃纖維增強(qiáng)的增強(qiáng)型聚氨酯彈性體，可顯著提高材料的剛性和沖擊性，用于制作汽車保險杠等大型部件。
3.4聚酯類熱塑性彈性體
聚酯類熱塑性彈性體（TPEE）屬于線型嵌段共聚物，除了具有硫化橡膠所特有的性能外，還兼具熱塑性塑料的加工特性。由于TPEE的模量比相同硬度的其他熱塑性彈性體要高，當(dāng)以模量為重要的設(shè)計條件時，采用TPEE材料可縮小制品的橫截面積以減少材料用量；通過改變軟硬段比例，可調(diào)節(jié)TPEE的硬度范圍；TPEE的耐熱性能優(yōu)異，且硬度越高耐熱性越好，在140℃連續(xù)加熱10h基本不失重，180℃高溫下加熱10h失重僅為0.1％；TPEE的耐寒性能也很出色，且硬度越低耐寒性越好，可在-40℃的低溫下長期保持性能不變。此外，TPEE的機(jī)械強(qiáng)度高且耐疲勞、耐油、耐耗、耐化學(xué)介質(zhì)等性能優(yōu)異，但耐熱水性較差。在汽車零部件領(lǐng)域，TPEE常用于油管、門鎖、密封圈、前照燈、進(jìn)氣軟管、安全氣囊、齒輪齒帶、安全帶部件、轉(zhuǎn)向節(jié)防塵罩、門把手密封環(huán)、衛(wèi)星天線卡箍等。
4.存在的問題
雖然熱塑性彈性體具有無毒、環(huán)保、易回收、質(zhì)感柔軟、硬度可調(diào)、著色便捷、物理化學(xué)性能好、適應(yīng)多種加工工藝等顯著優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用過程中，TPE材料也存在一些不足之處：（1）物理性能會隨溫度上升而下降，塑性形變增大；（2）當(dāng)纏結(jié)點不足或纏結(jié)點不是結(jié)晶相時，耐溶劑性較差；（3）某些TPE材料在加工前需要進(jìn)行干燥處理；（4）制品價格較高。基于熱塑性彈性體的以上缺陷，相關(guān)技術(shù)人員仍在不斷研發(fā)及改進(jìn)。
5.熱塑性彈性體前景展望
隨著我國對環(huán)境保護(hù)越來越重視，橡膠材料污染大、難回收、加工過程能耗高，勢必將被無污染且易回收的材料所替代。目前，熱塑性彈性體已取代部分天然橡膠、合成橡膠及塑料，為汽車各部件制造提供了重要的材料支撐，大力促進(jìn)了汽車輕量化的發(fā)展進(jìn)程。近年來，TPS，TPV，TPU等熱塑性彈性體的國產(chǎn)化進(jìn)程正在加快，國產(chǎn)TPE材料用量比例逐漸增大，車用熱塑性彈性體的需求量也持續(xù)上升。采用澆注型TPU制造的輪胎相比于普通橡膠而言滾動阻力低，可減少汽車的燃油消耗；使用壽命長，可減少輪胎的使用數(shù)量和翻新次數(shù)；生產(chǎn)過程中可減少炭黑和芳烴油的使用量，使用過程中不會產(chǎn)生污染環(huán)境的廢塵和廢料，還可實現(xiàn)生物降解提高回收利用率。汽車密封條和進(jìn)氣軟管等以前主要使用EPDM材料，近幾年很多已被TPV取代。
6.結(jié)語
然而，現(xiàn)有TPE材料的某些性能無法達(dá)到汽車零部件實際應(yīng)用中的高要求，如耐熱性、耐壓縮性、耐久性等，這激勵了全球技術(shù)人員對TPE材料的功能性研究持續(xù)活躍，新品種TPE及其復(fù)合材料不斷涌現(xiàn)并應(yīng)用于各領(lǐng)域。從合成技術(shù)和加工工藝方面考慮，TPE材料的未來發(fā)展方向包括：（1）研究對TPE進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)改性的新方法。（2）開發(fā)不同材質(zhì)TPE材料的復(fù)合成型技術(shù)。（3）將納米技術(shù)與TPE材料應(yīng)用相結(jié)合。（4）開發(fā)可回收再利用的新型TPE材料等。隨著輕量化材料的不斷開發(fā)及改進(jìn)，熱塑性彈性體在汽車領(lǐng)域的使用將進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本、提高部件性能、減輕整備質(zhì)量等，為汽車輕量化營造輝煌未來。