A capacidade de produção da indústria automobilística do meu país está crescendo rapidamente, e a indústria de plásticos de engenharia automotiva tem amplo espaço de desenvolvimento. Os plásticos de engenharia estão substituindo materiais metálicos e estão gradualmente se expandindo de peças decorativas para peças estruturais e funcionais.
PA é um excelente plástico de engenharia com propriedades químicas muito estáveis e excelente resistência a lubrificantes e gasolina. No contexto social de conservação de energia e redução de emissões, a taxa de penetração de materiais de PA na indústria automotiva está aumentando gradualmente devido às suas vantagens em leveza, resistência ao calor, resistência a óleo, retardância de chamas e outros aspectos. Atualmente, os materiais de PA são usados em sistemas de motores de automóveis, sistemas elétricos e sistemas de chassis, conforme mostrado na tabela abaixo.
Foto tirada no estande da Arkema
O uso de PA6 e PA66 é responsável por mais de 90% da quantidade total de vários materiais de PA. PA11 e PA12 têm boa flexibilidade, resistência à corrosão, resistência a óleo e estabilidade dimensional, e também são amplamente usados em tubos de combustível, tampas de combustível, tubos de freio e outras peças.
Foto tirada no estande da Arkema
Aplicações típicas de materiais PA6 em automóveis
A caixa da bateria é usada principalmente para proteger e dar suporte a componentes como módulos de bateria de energia, sistemas de controle de temperatura da bateria e sistemas de gerenciamento de bateria para evitar que o sistema de bateria de energia seja danificado por impacto externo ou estresse mecânico. A caixa da bateria é de grande importância para a segurança mecânica do sistema de bateria de energia, por isso tem altos requisitos para propriedades mecânicas, como resistência ao impacto e resistência à tração.
Atualmente, algumas caixas de bateria são feitas de materiais PA, a maioria dos quais são materiais PA6. O desempenho retardante de chamas também é um importante indicador de referência para a seleção de materiais de caixa de bateria para veículos de nova energia. O índice de oxigênio limitante de materiais PA6 não modificados é geralmente de apenas 20% a 22%, e o grau retardante de chamas pode atingir apenas o nível UL94 V-2, o que é difícil de atender aos rigorosos requisitos retardantes de chamas de veículos de nova energia e precisa ser modificado retardante de chamas.
PA6 Foto tirada no estande da Sanfangxiang
Em termos gerais, os retardantes de chama usados para PA6 incluem halogênio, fósforo, nitrogênio e outros tipos. Entre eles, os retardantes de chama de halogênio produzem gases corrosivos e fumaça cancerígena durante a combustão. Seu uso foi restringido após a União Europeia emitir a "Diretiva sobre a Restrição do Uso de Certas Substâncias Perigosas em Equipamentos Elétricos e Eletrônicos" no início de 2003.
Nos últimos anos, muitos pesquisadores conduziram pesquisas sobre materiais PA6 retardantes de chamas e livres de halogênio e obtiveram muitos resultados.
Muitas empresas de plásticos de engenharia também estão comprometidas com a pesquisa e o desenvolvimento de materiais PA6 retardantes de chamas sem halogênio. Por exemplo, o Lanxess Group lançou três materiais Tepex baseados em PA6-. Os materiais Tepex contêm um alto teor de fibras, então eles não só têm níveis extremamente altos de rigidez, resistência e absorção de energia, mas também têm propriedades retardantes de chamas de grau UL94 V-0.
Materiais compostos leves da LANXESS baseados em poliamida 6
Entre eles, o Tepex dynalite 102fr-RG600(x)/47% é reforçado com fibras de vidro de roving grossas. Essas fibras são dispostas de maneira multiaxial, o que pode não apenas atingir bons efeitos retardantes de chamas, mas também corresponder com precisão aos caminhos de carga nos componentes. Pode ser aplicado a componentes de alta tensão, como carcaças de unidades de controle, divisórias e tampas de caixas de baterias de veículos de nova energia.
LANXESS lança suporte de bateria feito de compósitos termoplásticos reforçados com fibra contínua Tepex
A aplicação de PA6 reforçado com fibra de vidro longa em peças estruturais automotivas também está se popularizando gradualmente. A fibra de vidro atravessa a matriz de PA6 como um esqueleto de reforço, o que pode efetivamente aumentar a resistência ao impacto, resistência à fluência e estabilidade dimensional de produtos plásticos. O PA6 reforçado com fibra de vidro longa tem muitas vantagens comparáveis aos metais e é adequado para fazer produtos complexos de módulos automotivos.
Tome a travessa do painel de instrumentos como exemplo. A travessa do painel de instrumentos é conectada diretamente à carroceria, suporta e transmite a carga do equipamento de interação homem-máquina e peças decorativas, e forma um sistema de segurança do cockpit com outros componentes de segurança, o que afeta diretamente o manuseio e a segurança do carro. A travessa do painel de instrumentos pode amortecer a força de impacto transmitida pela cabine frontal durante uma colisão frontal e fornecer suporte para a explosão do airbag do passageiro.
Além disso, o sistema composto pela travessa do painel de instrumentos, volante e coluna de direção precisa atender a certos requisitos modais de NVH para evitar ressonância.
A longa travessa do painel de instrumentos PA6 reforçada com fibra de vidro foi desenvolvida com sucesso e amplamente usada em alguns modelos. Ao mesmo tempo em que atende totalmente à rigidez e resistência que a longa travessa do painel de instrumentos deve ter como um componente de suporte de carga, a longa travessa do painel de instrumentos PA6 reforçada com fibra de vidro tem excelente resistência à fluência e à fadiga, bem como excelente resistência ao impacto em altas e baixas temperaturas. O design da longa travessa do painel de instrumentos totalmente de plástico não apenas melhora a eficiência da produção, mas também ajuda a atingir as metas de leveza e NVH.
Aplicações típicas de materiais PA12 em automóveis
No campo de veículos tradicionais com motor de combustão interna, grandes empresas de plásticos de engenharia, como DuPont, Arkema e Basf, desenvolveram materiais PA12 com diferentes graus de resistência à temperatura, que são amplamente utilizados em oleodutos e gasodutos, como tubos de enchimento de tanques de combustível, tubos de distribuição de combustível, tubos de ventilação do cárter, tubos de admissão do motor e tubos de freio a vácuo.
Foto tirada no estande da BASF
Foto tirada no estande da Evonik
No entanto, como a resistência a altas temperaturas do PA12 não é excelente, ele não pode ser usado por muito tempo em tubos com altas temperaturas de trabalho. Por exemplo, os tubos de água de resfriamento do motor de veículos com motor de combustão interna geralmente ainda usam tubos de metal ou borracha em vez de tubos de PA12. Em geral, a temperatura operacional do sistema de resfriamento do motor de veículos de nova energia é geralmente menor que 80 graus, e a temperatura operacional do sistema de resfriamento da bateria é geralmente menor que 60 graus. O material PA12 pode atender totalmente aos requisitos de resistência à temperatura do sistema de resfriamento de veículos de nova energia.
Comparados com tubos de borracha, os tubos PA12 podem efetivamente reduzir a qualidade do sistema. A densidade do PA12 é de 1,02 g/cm3, enquanto a densidade da borracha EPDM frequentemente usada em tubos automotivos tradicionais é de 1,1~1,2 g/cm3. Ao mesmo tempo, a parede dos tubos PA12 é relativamente fina. Tomando o tubo com um diâmetro interno de 15~18 mm como exemplo, o tubo de água PA12 tem apenas 1,25~1,5 mm, enquanto a espessura da parede dos tubos de borracha EPDM é geralmente de 3,5~4 mm.
Foto tirada no estande da UBE Mangueira UBE PA12
Cálculos abrangentes mostram que o uso do material PA12 pode reduzir o peso do oleoduto em 65%. Por exemplo, um certo modelo da Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. adota a solução de oleoduto PA12. Comparado com oleodutos tradicionais de metal e borracha, a massa do sistema de oleoduto é realmente reduzida em 56%.
Além disso, como o material de borracha EPDM tem baixa rigidez, se for usado para tubulações mais longas, mais pontos fixos precisam ser definidos. Portanto, no sistema de resfriamento de veículos tradicionais com motor de combustão interna, tubulações mais longas são geralmente feitas de materiais metálicos, e materiais de borracha EPDM são usados apenas na parte de transição. No esquema de correspondência de tubulações de metal e tubulações de borracha, há um grande número de peças de transição, o que não apenas aumenta muito o número de peças, mas também aumenta o risco de vazamento.
O gasoduto PA12 tem alta rigidez, e um cano de água completo pode ser fabricado em um método de moldagem integrado, o que reduz efetivamente o número de peças e melhora a confiabilidade do sistema. Por exemplo, um certo modelo da Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. adota a solução de gasoduto PA12. Comparado com gasodutos tradicionais de metal e borracha, o número de peças no sistema de gasoduto é reduzido em 77%. Comparado com gasodutos de metal e gasodutos de borracha, os gasodutos PA12 são mais leves, mais rígidos, ocupam menos espaço e têm maior confiabilidade, o que é de grande valor de promoção em veículos de nova energia.
Além disso, muitos pesquisadores conduziram pesquisas sobre tubulações PA12 que atendem às necessidades de outros cenários específicos. Por exemplo, a Toray Company do Japão e a Polyplastics-Evonik desenvolveram em conjunto um tubo extrudado de três camadas. A camada externa do material PA12 e a camada interna do material de resina PPS de sulfeto de polifenileno deste tubo extrudado são unidas com um adesivo especial. Ele não só pode suportar uma alta temperatura de 130 graus, mas também tem boa resistência à hidrólise e resistência ao calor. Ele pode ser usado em sistemas de tubulação de resfriamento automotivo com requisitos de temperatura mais altos.
Como o PA12 tem boa resistência à permeabilidade à gasolina, ele foi verificado como um material seguro e confiável para oleodutos de combustível. No entanto, com o surgimento e o uso de combustíveis mistos com metanol ou etanol, requisitos mais altos foram colocados na resistência à permeabilidade dos oleodutos de combustível. O metanol ou etanol em combustíveis mistos tem forte permeabilidade e solubilidade, o que pode facilmente fazer com que os hidrocarbonetos vazem e, portanto, não atendam aos padrões ambientais relevantes.
Zhang Ying realizou trabalho de pesquisa e desenvolvimento em tubos de combustível automotivos de baixa permeabilidade e baixa precipitação. Por meio de análise aprofundada das propriedades físicas de várias matérias-primas, desenvolvemos materiais que podem ser usados em linhas de combustível e desenvolvemos tubos compostos de cinco camadas de estrutura simétrica PA12 que atendem aos padrões de baixa permeabilidade de linhas de combustível, bem como um sistema de montagem de linha de combustível composto de tubos compostos.
Aplicações típicas de materiais PA66 em automóveis
Sob a tendência geral de "substituir aço por plástico" na redução de peso de automóveis, o PA66 contribuiu com valor excepcional tanto em veículos tradicionais com motor de combustão interna quanto em veículos de nova energia, realizando direta ou indiretamente a visão social de baixas emissões de carbono. No processo de produção de peças, o PA66 pode ser rapidamente formado no molde com uma velocidade de cristalização dez vezes maior que a do PA6, melhorando muito a eficiência da produção.
PA66 Foto tirada no estande da Sanfangxiang
Comparado com o PA6, o desempenho do PA66 também é extremamente notável, com maior estabilidade dimensional, menor absorção de água e maior ponto de fusão. O PA66 é amplamente usado em vários sistemas automotivos para melhorar a economia do veículo e reduzir as emissões de gases nocivos, mantendo ou excedendo a saída de energia existente.
Tomando o coletor de admissão como exemplo, os primeiros coletores de admissão de veículos com motor de combustão interna usavam principalmente materiais PA6. Com a aplicação de superchargers integrados e a compactação dos motores, os requisitos de resistência à temperatura dos coletores de admissão aumentaram de 130 graus para 200 graus, e os OEMs gradualmente tenderam a escolher PA66 com um ponto de fusão mais alto para obter atualizações de desempenho.
Outra aplicação típica do PA66 é o suporte do motor ou suporte do motor de acionamento. Nos primeiros dias, essas peças estruturais eram geralmente feitas de aço ou liga de alumínio. Como o próprio material PA tem um efeito de amortecimento e redução de vibração, a aplicação de produtos reforçados com fibra de vidro PA66 em suportes de motor e motor de acionamento pode reduzir efetivamente a vibração e o ruído do motor ou motor de acionamento.
Suporte do motor Asahi Kasei PA66 Fonte: Asahi Kasei
Além disso, como o PA66 pode suportar temperaturas de cozimento de tinta de 160 a 180 graus, integrá-lo à carroceria do carro em branco não só ajuda a melhorar as propriedades mecânicas da carroceria do veículo, mas também, quando o veículo colide, o material reforçado com PA66 pode absorver efetivamente a energia da colisão, maximizando a proteção do motorista e dos passageiros e da bateria de energia. Ele também pode reduzir o peso da carroceria do veículo em mais de 30%, melhorando o manuseio e o alcance do veículo.
Sensor de resolução de motor de nylon 66 e sensor de velocidade, tirados no estande da BASF
Em termos de pesquisa sobre novos materiais PA66, muitos pesquisadores também desenvolveram materiais PA66 adequados para peças automotivas específicas. Por exemplo, carregadores de bordo, controladores DC/DC, aquecedores PTC e caixas de junção de alta tensão em veículos de nova energia são todos componentes de alta tensão. Conectores de alta tensão entre componentes de alta tensão e chicotes de fios de alta tensão geralmente usam PA66 reforçado com retardante de chamas sem halogênio, especialmente PA66 retardante de chamas organofosforado.
O PA66 reforçado com retardante de chamas sem halogênio tem boas propriedades retardantes de chamas e propriedades mecânicas, mas seu preço flutua muito devido ao fornecimento de matérias-primas upstream. O fornecimento de matérias-primas PA6 é suficiente e o preço é relativamente baixo. Portanto, a liga PA66/PA6 reforçada com retardante de chamas sem halogênio se tornou uma solução tecnológica alternativa promissora.
Ye Bingbing et al. estudaram as mudanças nas propriedades retardantes de chama, propriedades elétricas, propriedades mecânicas e resistência ao calor da liga PA66/PA6 reforçada com retardante de chama quando as proporções de PA66 e PA6 eram diferentes. Eles descobriram que, à medida que a proporção de PA6 aumentava, a liga O índice de tenacidade aumentava ligeiramente, mas o desempenho retardante de chama e a resistência mecânica diminuíam ligeiramente. À medida que a proporção de PA6 diminui, a resistência à tração diminui, mas a tenacidade aumenta significativamente.
O PA66 também é usado em caixas de baterias de veículos de nova energia. Liu Ying et al. conduziram pesquisas sobre as propriedades mecânicas do PA66 reforçado com fibra de carbono picada com diferentes teores de fibra e conduziram avaliações de desempenho e análises de simulação da aplicação do material em caixas de bateria leves. Os resultados da pesquisa mostram que, em comparação com a caixa de bateria de metal, a caixa de material PA66 reforçado com fibra de carbono picada é 84% mais leve em massa, e o estresse máximo da caixa é reduzido em 30% a 50% em estradas esburacadas e curvas fechadas. Ao mesmo tempo, também foi descoberto que o teor de fibra de carbono tem um impacto maior no deslocamento máximo da caixa da bateria. O aumento no teor de fibra de carbono pode reduzir significativamente o deslocamento da caixa em estradas esburacadas e curvas fechadas.
Conceito de pacote de bateria de estado sólido, tirado no estande da BASF
Atualmente, a maioria das tiras laminadas com mais de 30 cm usadas em automóveis são feitas de PA66. O PA66 tem baixa tenacidade sob condições de baixa temperatura e precisa ser temperado e modificado para resistência ao frio.
Lu Daguang et al. usaram um método de mistura de parafuso duplo para selecionar diferentes tipos de agentes de endurecimento e matérias-primas de PA66 com diferentes viscosidades para preparar materiais de PA66 endurecidos e resistentes ao frio, adequados para tiras laminadas de automóveis.
O PA66 tem boa resistência ao calor, resistência à corrosão e tenacidade, e pode substituir o PA de cadeia longa como o material de escolha para tubos de água de PA automotivos. No entanto, devido à presença de grupos amida fortemente polares na cadeia molecular do PA66, o PA66 é propenso à deformação e hidrólise quando em contato com o líquido de arrefecimento.
Em resposta a esse problema, Zhang Songfeng et al. primeiro misturaram e modificaram o material PA66 adicionando agentes de endurecimento e agentes resistentes à hidrólise para melhorar sua resistência à hidrólise e tenacidade, e então usaram processos convencionais de extrusão de mangueira para testar os materiais modificados para extrusão de mangueira, e desenvolveram com sucesso tubos de água de resfriamento automotivos com PA66 como corpo principal. Por meio de testes, a resistência à ruptura da mangueira PA66 modificada misturada é maior que 2,6 MPa, e seu custo de material é reduzido em 40%, resolvendo o problema do processo de produção complexo e alto preço da mangueira PA de cadeia longa.
Em resumo, a quantidade de plástico usada em veículos pode ser usada como um dos indicadores para medir o nível de design e fabricação de automóveis até certo ponto. Atualmente, a quantidade de plástico usada por unidade de veículos com motor de combustão interna em países desenvolvidos é de cerca de 150 kg, dos quais PA representa cerca de 20%. A quantidade atual de PA usada por unidade de veículos com motor de combustão interna doméstico é de cerca de 8 kg, que deve chegar a 15 kg em 2025 e deve aumentar para 30 kg em 2030. Em relação à quantidade de PA usada em veículos de nova energia, referindo-se ao Tesla Model 3 e outros modelos, estima-se que a quantidade de PA usada por unidade de veículos de nova energia em 2030 pode chegar a 50 kg.
De acordo com estatísticas da China Passenger Car Market Information Joint Conference, as vendas nacionais de veículos com motor de combustão interna em 2022 serão de 14,868 milhões de veículos, uma redução anual de 2,302 milhões de veículos, e os veículos com motor de combustão interna estão perdendo participação de mercado a uma taxa alarmante. As montadoras nacionais e estrangeiras geralmente anunciam que deixarão de desenvolver veículos com motor de combustão interna por volta de 2030, após o que os veículos com motor de combustão interna gradualmente se retirarão do palco da história.
Ao mesmo tempo, o mercado de veículos de nova energia inaugurou um rápido desenvolvimento. Na China Electric Vehicle Hundred People Conference, Ouyang Minggao, um acadêmico da Academia Chinesa de Ciências, previu que as vendas nacionais de veículos de nova energia atingirão de 7 a 9 milhões em 2025 e de 17 a 19 milhões em 2030. O Huaan Securities Research Institute estima que o uso de materiais de PA automotivos atingirá 1,44 milhão de toneladas em 2030.
Em suma, o avanço da tecnologia de motores, a transformação de automóveis para novas energias e o desenvolvimento de automóveis leves promoveram efetivamente a melhoria dos níveis de conservação de energia e redução de emissões e eficiência operacional social, ao mesmo tempo em que trouxeram enormes mercados incrementais para a aplicação de plásticos de engenharia, como PA. No futuro previsível, a demanda da indústria automotiva por materiais de PA continuará a aumentar, e a indústria de materiais de PA entrou em um período de rápido desenvolvimento.
