聚氨酯弹性体在汽车领域中的应用

中国聚氨酯工业协会弹性体专业委员会２０１３年会论文集

聚氨酯弹性体在汽车领域中的应用

唐苏亚

（温州市瓯海南堡海棉厂，浙江温州３２５０１４）

摘要本文综述了聚氨酯弹性体在汽车领域中的应用，重点论述了在汽车轮胎、安全气囊、汽车内饰以及在汽车零部件中的应用，并对其研究和开发应用现状进行了回顾和展望。

关键词汽车；聚氨酯弹性体；热塑性弹性体；应用

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受油价高涨和消费者信心趋软影响，近几年来欧、美、日等汽车工业增速急剧下降，惟有我国汽车工业在国家采取一系列投资政策鼓励下，继续呈现高速增长态势。２０１２年我国汽车产销分别为１９２７．１８万辆和１９３０．６４万辆，同比增长４．６％和４．３％，比上年分别提高３．８和１．９个百分点。据专家预测，２０１３年全国汽车销售市场增长速度在５％左右，有可能达到２０００万辆水平。随着现代汽车工业向轻量化、节能化、舒适化和安全化方向发展，欧美先进国家对汽车工业用塑料件明确提出了可回收率指标和可利用率，要求汽车塑料可回收率达到９５％以上、可利用率达到９０％以上。我国计划到２０１７年汽车可回收率要求达到９５％以上、可利用率达到８５％。ＴＰＵ是一种可回收弹性体。目前ＴＰＵ在我国汽车工业上的年消费量５万吨左右，我国汽车工业的快速发展无疑将给新型ＴＰＵ弹性体材料提供巨大市场机遇。

２聚氨酯弹性体的特点

２．１硬度范围宽

普通橡胶的硬度范围为邵Ａ２０至邵Ａ９０，塑料的硬度范围约为邵Ａ９５至邵Ｄ１００，而聚氨酯弹性体的硬度范围低至邵Ａ１０，高至邵Ｄ８０，并且不需要填料的帮助。尤其可贵的是弹性体在塑料硬度下仍具有良好的橡胶弹性和伸长率，而普通橡胶只有靠添加大量填料，并以大幅度降低弹性和延伸率作为代价才能获得较高的硬度。２００

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２．２机械强度高

在橡胶硬度下聚氨酯弹性体的拉伸强度和撕裂强度比通用橡胶高得多；在塑料硬度下，其冲击强度和弯曲强度又比塑料高得多。

２．３性能的可调节范围大

多项物理机械性能指标均可通过对原材料的选择和配方的调整，在一定范围内变化，从而满足用户对制品性能的不同。

２．４耐磨性能突出

聚氨酯弹性体的耐磨性能非常突出，测试结果一般在０．０３＂～０．１２ｍｍ３／ｍ范围内，有“耐磨橡胶”的佳称。特别是在有水、油等润湿介质存在的工作条件下，其耐磨性往往是普通橡胶材料的几倍到几十倍。

２．５耐油性能优异

聚氨酯弹性体，特别是聚酯型聚氨酯弹性体，是一种强极性高分子材料。和非极性矿物油的亲和性小，在燃料油和机械油中几乎不受侵蚀，耐油性不低于丁腈橡胶，与聚硫橡胶相当。

２．６耐热和耐氧化性能尚可

聚氨酯弹性体在惰性气体中的耐热性能尚可，常温下耐氧和耐臭氧性能也很好，尤其是聚酯型。一般的聚氨酯弹性体在空气中长时间连续使用的温度上限是８０－－一９０。Ｃ，短时间使用可达到１２０℃。

２．７吸震和抗辐射效果好

聚氨酯弹性体对交变应力的作用表现出明显的滞后现象。在这一过程中外力作用的一部分能量消耗于弹性体的分子的内摩擦，转变成为热能。这种特性叫做材料的吸振性能，也称为能量吸收性能或阻尼性能。此外，在合成高分子材料中，聚氨酯弹性体的耐高能射线的性能比较好。

３聚氨酯弹性体在汽车工业上的应用

３．１聚氨酯轮胎

采用浇注型聚氨酯弹性体制造轮胎是多年来国内外研究的热点。早在１９３７年，法［］Ｂａｙｅｒ博士就开发ＴＣＰＵＥ，其目的是取代ＮＲ、钢材等战略物资。２０世纪６０年代，２０１

美国首先形成了聚氨酯材料工业体系，并取得了一定的成果。１９７４，．－－，１９７５年，美国空军飞行动力试验室曾与Ｚｅｄｒｏｎ公司合作，对浇注轮胎和活胎面浇注轮胎在美国空军飞机上使用的可行性进行研究。据透露，该研究采用的材料是热塑性聚氨酯弹性体（杜邦公司制造，商品名为Ｈｙｔｒｅｌ），胎体和胎圈均无补强层材料。２０世纪８０年代，奥地利ＬＩＭ公司投资数千万美元进行全浇注轮胎的开发，轮胎试验结果表明：与同规格的全钢子午线轮胎相比，聚氨酯轮胎的车辆节油９．９５％，磨耗降低５１％，质量减轻２２％，轮胎内生热下降５４％，操纵性能满足使用要求。美ｌ雪Ａｍｅｆｉｔｙｒｅ公司在２００１年开发成功含增强材料的聚氨酯轮胎，并成功通过了美国联邦机动车辆安全标准ＮＯ．１０９标准测试，轮胎也具有滚动阻力低４５％，负载强度高和生热度低的特点。

有报道称美国艾美莱轮胎公司已研制出一种特殊的聚氨酯材料，克服了以前不耐热的缺点。这种材料由多羟基化合物、二苯甲烷二异氰酸酯和四种添加剂组成，艾美莱轮胎公司已经为这种材料申请了专利。目前，固特异轮胎橡胶公司已经得到了艾美莱轮胎公司允许，利用上述材料试制新一代聚氨酯轮胎。经试验证明，采用这种材料试制的聚氨酯轮胎，安全性、均匀性和耐磨性均比橡胶轮胎好，而且不易产生胎面剥离和爆胎。

２０世纪８０年代，我国开始对聚氨酯轮胎进行探讨，包括北京橡胶工业研究院和华南理工大学等单位。华南理工大学研制成功了一种集子午线轮胎和浇注型聚氨酯轮胎优点于一身的新型“绿色轮胎”，这是一种由子午线胎体与聚氨酯胎面组成的新型复合轮胎。它既具有子午线轮胎滚动阻力小、安全性好、舒适性高的优点，又具有聚氨酯弹性体高耐磨性等优点，并克服了聚氨酯弹性体内生热高的缺点。９０年代，青岛科技大学曾在国家项目支持下作了大量研究工作，并制备出聚氨酯充气轮胎样品。２１世纪初，广州华工百川科技股份有限公司在预聚体合成、材料的相对分子质量分布、浇注工艺技术及装备等方面开展了大量研究，并与杭州悍马公司合作，试制成功了以聚氨酯材料为胎面与普通橡胶轮胎胎体复合的轮胎。目前采用这种聚氨酯材料作为胎面，用普通橡胶胎体复合结构的轮胎，已在我国建成了年产１０万条不同类型轮胎的生产线，产品性能达到国家标准的要求，并在路试中获得理想的结果，但大量工作仍然处于开发研究阶段。

尽管聚氨酯弹性体轮胎的研制工作已经多年，并取得了一定的成果，但是尚未能２０２

生产出真正意义上的可供行驶的汽车轮胎，实际中使用的只是还处于试验阶段且速度低于５０ｋｍ／ｈ的低速轮胎。目前聚氨酯轮胎研究中仍然存在一些要解决的问题，如提高聚氨酯轮胎的牵引制动性能、提高耐水解性能、改进载重汽车轮胎的多次注射成型工艺等。在开发聚氨酯轮胎过程中，耐高温性能是影响聚氨酯轮胎实用化的主要因素。现在国外研制出由三聚异氰酸酯作原料制得的聚氨酯弹性体耐高温性能非常好，通常可耐１７０℃的高温，最高可达２１０℃。但要真正实现聚氨酯轮胎的商业化生产可能还需要多年的努力，轮胎作为橡胶最大的消费者，却是弹性体较难进入的市场，但通过不断的开发研究，大规模生产聚氨酯轮胎在不久的将来会成为现实。

３．２安全气囊

汽车安全气囊系统除了传感器、微处理器和气体发生器等主要部件外，气囊也是十分重要的一个部件。气囊必须具有一定的强度，能够承受高速冲击，还要求有较好的低温柔韧性，因此，气囊的皮层通常选用聚氨酯弹性体，背面衬以聚氨酯泡沫。此外，热塑性弹性体也是汽车安全气囊盖板的主要使用材料。用作安全气囊盖板的热塑性弹性体主要有聚烯烃共混型热塑性弹性体（ＴＰＯ、ＴＰＶ）、聚氨酯型热塑性弹性体（ＴＰＵ）、聚酯型热塑性弹性体（ＴＰＥＥ）。不同级别的车型，安全气囊系统的配置是不同的。从低档车的只配主驾气囊到高档车的多个气囊甚至十多个气囊，每台车气囊盖板材料的使用量差别很大。从目前市场来说，单台车的标准配置（驾驶员气囊和附驾气囊）约需６００９，至少需２００９。按国内年产２０００万辆车计算，仅这一项，每年需要该类材料４０００ｔ，、，１２０００ｔ。

３．３在汽车零部件中的应用

由于聚氨酯弹性体综合性能突出又有卓越的耐磨和缓冲减震功能，汽车制造业中许多零部件都可以采用它来制造，如汽车保险杠、仪表板、挡泥板、空气导管、轴承、电缆护套、软管、挡风玻璃密封条、防护罩、防震座垫、管件、各种联轴节的轴套和垫圈、各种线束的接插件、螺旋伸缩电线等。聚氨酯弹性体在汽车中的应用还有不少新运用，特别是在聚氨酯弹性体中加入反应性成分，在热塑成形之后通过后熟化产生局部交联，形成不完全ＩＰＮ（聚氨酯一丙烯酸酯互穿网络聚合物），从而达到提高聚氨酯弹性体的物理机械性能。

用微孔聚氨酯弹性体制作的减振缓冲块具有优异的抗冲击性能，在汽车底盘上主２０３

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要作为弹簧辅助件，安装在振动吸收器的活塞杆上，与钢圈弹簧相结合构成汽车的减振系统，产生总体的“渐进性”弹性，满足汽车行驶的平稳性和乘座的舒适性要求，大大提高减振器的使用寿命。目前，超过９０％的轿车都采用微孔聚氨酯弹性体减振缓冲块，与橡胶减振缓冲块相比，具有非常高的可压缩性和变形能力、优良的力学性能以及突出的耐动态疲劳性。

随着汽车技术不断进步，要求相关行业的配套技术越来越精密、复杂，扁形电线凭借其众多的优点被广泛应用。巴斯夫在北美市场推出一种挤出级Ｅｌａｓｔｏｌｌａｎ热塑性聚氨酯弹性体，用于生产汽车配线用扁形电缆（线），比标准的圆形电缆（线）轻便、节省空间，并且性能和安全性有所提高。

聚氨酯弹性体联轴节与普通橡胶联轴节，不仅具有优异的耐磨、耐油和减振缓冲性能，而且还有噪声小、传动扭矩大、运转平稳、强度高、使用寿命长等特点，在汽车上已获得日益广泛的应用。

４结语

随着我国近年来汽车工业的飞速发展，安全环保意识的日益加强，汽车的轻型化和低油耗要求是当前汽车市场发展的重要途径，聚氨酯弹性体的应用能够对汽车减重、节能、减少碳排放及提高耐用性起到重要作用。预计２０１３年对聚氨酯弹性体的需求量将达到５万ｔ／ａ以上。因此，“十二五”期间规模化开发价格合理、性能优越的聚氨酯弹性体系列产品，将成为国内高分子新材料开发的热点之一，这对提升我国高分子新材料的国产化水平及推动汽车等制造业的发展皆具有重大的意义。

参考文献

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作者简介唐苏亚，（１９５８一），男，高级工程师。通讯地址：浙江省温州市瓯海经济开发区蛟风北路１号温州市瓯海南堡海棉厂；电话：０５７７—８６７３５５５８；邮编：３２５０１４；Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｓｙ２００４＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ

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ＴａｎｇＳｕｙａ

（ＷｅｎｚｈｏｕＯｕｈａｉＮａｎｂａｏＳｐｏｎｇｅＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｅｎｚｈｏｕ３２５０１４，Ｃｈｉｎａ）

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏ；ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅｅｌａｓｔｏｍｅｒ；ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ