汽車塑膠材料的開發動向

降低燃料的消耗是汽車產業的重要發展方向之一，目前面對如何降低燃料的使用、提升燃料使用效率，汽車輕量化是降低油耗最直接且有效的途徑。根據經濟 部能源局發布的2009年油耗指南，最省油的車款為SMART車款，車重925公斤，平均油耗22.7(Km/L)，而DAIHATSU的SIRION總 重量為1,138，平均油耗17.3(Km/L)，兩款汽車總重量相差213公斤，每公升燃料可行走的距離相差5.2公里。汽車重量與燃料使用效率具有一 定關係，根據經濟部能源局的統計數據，同款汽油小客車每增加100公斤載重，約降低其燃油效率1-5%。因此，汽車輕量化可降低燃油消耗，而塑膠材料是扮 演汽車輕量化重要的角色。

目前汽車零件採用的塑膠材料仍以泛用塑膠居多，由於汽車對日常生活的重要性，加上人類對汽車功能的要求 逐年提高，因此對塑膠材料的特性要求亦日趨複雜。隨著燃料系統、電子控制系統等功能零組件，以及重要的安全零組件開始採用塑膠材料，為了符合材料特性的要 求，工程塑膠在汽車的應用將逐漸增加。本文分析目前車用塑膠零件之具體的開發動向。 一、燃料系統零配件的開發 燃料系統以油箱為代表，另外包括配管零件、燃料供應系統零件等，也使用諸多塑膠材料。 1.油箱 以歐美車廠為核心，逐漸將金屬製油箱改為塑膠製，中國大陸塑膠油箱的市場正快速增長中，如圖一所示。現在塑膠油箱的主流，係由阻氣層：乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、接著層：無水馬來酸改性PE、及耐藥性佳的高密度聚乙烯(HDPE)所構成之多層的成品。 資料來源：中國工程塑膠研討會(2010/06) 圖一　2005~2016年北美/西歐/中國塑膠油箱佔市場比率 今後，油箱將朝更輕、更薄，以及縮短成型加工流程、因應燃料揮發法規的方向發展，如何兼顧EVOH的成型加工性與氣體阻絕性，以及控制HDPE的結晶化特性，是一大課題。除了多層結構的塑膠油箱，奈米複合材料的聚醯胺(PA)油箱，亦是塑膠油箱發展的方向之一。 奈 米PA油箱是以PA6為基材，以奈米尺寸分散的層狀黏土薄片(platelet)為分散相，組合而成的一種新一代複合材料。當奈米黏土添加量低於5%時即 可大幅改善PA的機械性質與提高熱變形溫度，而傳統複合材料如玻纖、碳纖及礦粉等則需添加30%才能達到相同剛性、熱穩定性及阻氣性。奈米PA可使產品達 到輕量化的結果，另外黏土之層狀分散結構可有效阻礙氣體分子滲透，因此奈米PA具有提升阻氣性與助於阻燃效果，可應用於汽車的塑膠油箱。不過目前價格的因 素，限制奈米PA油箱的發展。 2.燃料管、配管零件 汽 車工業考慮裝配時的加工性，各式管類必須具備柔軟性與耐燃料性。過去，塑膠製燃料管材料主要以PA為主；北美因為制定更嚴格的燃料揮發法規，則採用氣阻層 為氟系樹脂的多層管。另外，有些車廠基於氣阻性與耐燃料性的考量，也開發以超級工程塑膠PPS為氣阻層的多層管。最近，日產汽車採聚酯工程塑膠為主體的材 料開發。 3.汽油幫浦模組 汽油幫浦模組設置在油箱內，為將燃料輸送至引擎的零件，除幫浦本身外，尚包括燃料過濾器、測量油箱內燃料存量的浮筒與計量器、壓力調節閥等，其結構體係使用耐燃料性佳的聚縮醛(POM)。在油箱內的模組除了耐燃料性以外，也被要求須具備可以因應幫浦壓力的耐潛變特性。 二、提高安全性之目標 有 關汽車的安全裝置，感測器類、電子控制零件等，廣泛使用聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)與聚苯硫醚(PPS)等。使用PBT的原因是因為價格穩定，材料供 應充足、同時PBT的機械強度、穩定性、安定性都好，價格相對其他工程塑膠較低，因此在符合材料特性要求之下，PBT往往是首選材料。越來越多車種會加裝 胎壓感測器，感測器的外殼需要耐高溫，增加PBT在車體應用的機會。隨著汽車使用的電子監控裝置比例的提升，引擎室內需要更耐溫的材料，因此更耐高溫的 LCP亦有發展機會。 三、引擎室塑膠零件的發展 進 氣歧管是近年開發成功的塑膠汽車零件範例，塑膠進氣歧管不僅重量較輕，而且由於內壁光滑，提高氣體流動性速率，隔熱效果好，進氣效率高，因而提高引擎性能 和燃料利用率。使用於進氣歧管的材料需要符合：耐高溫、機械強度高、尺寸穩定性、耐化性、耐候性等，因此對塑膠材料的選擇更為嚴苛。目前進氣歧管主要材料 是PA6、PA66與更耐溫的PPA。美國初期選用PA66，採用去芯成型(Lost Core Process)技術製造，此技術複雜、成本高、生產效率低，逐漸被其他新技術替代，目前已轉向先注塑兩片PA零件，然後靠振動焊接法連接。汽車大廠奧迪 (Audi)公司已經使用BASF公司生產的UltramidR BGWG6的PA6材料，生產塑膠進氣歧管底部和內部零件。 四、結論 汽 車朝向輕量化的發展趨勢，而塑膠材料是扮演汽車輕量化重要的角色。汽車塑膠材料的發展動向為：燃料系統零配件的開發、提高安全性、發展引擎室塑膠零件。這 些發展使得汽車對塑膠材料的性能要求更嚴苛，包括：耐高溫、耐油氣、耐化學藥品、耐候、和高機械強度等特性。聚醯胺(PA)因為具有優異的特性，經過玻璃 纖維補強後，大幅提高PA的性能，因此較能滿足汽車對材料的需求，同時，相對其他超級工程塑膠而言，PA具有價格優勢，因此PA在汽車塑膠材料的應用上具 有發展潛力，目前在燃料系統以及引擎室零件，都可以發現PA的應用。 作者：范振誠　石化高分子 (本文摘自ITIS產業資訊服務網2010/10/07) 　作者：范振誠