汽车用塑料燃油箱_汽车塑料燃油箱排名

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汽车用塑料燃油箱

一、引 言

汽车是陆地上主要的灵活交通运输工具,汽车工业是国民经济中极为重要的基础工业之一.随着汽车的大量生产,由此产生了如何节能省油、提高功能、节约用材、简化生产工序和降低成本等问题[1-3].汽车塑料化是大势所趋,它是基于三个主要理由,一是节能,二是提高功能,三是简化制造工序与工艺.汽车燃油箱是汽车部件中重要的机能件和安全件之一.传统的燃油箱是用金属制作的,由于金属加工的特殊性,成型较困难,且焊接缝处的强度也低,生产合格率较低,在使用中经常出问题.近年来,为了减轻汽车的重量以及降低成本,从金属材料到塑料树脂的转化已引起研究者的广泛兴趣.二、塑料燃油箱的特点

塑料燃油箱则可以较好地解决金属燃油箱出现的问题,因为:

(1)塑料的成型加工性好,易规模生产,简化生产制造工艺,改进了安全工作状况.(2)塑料有极好的耐化学腐蚀性,塑料燃油箱有抵御水、污物及其他介质的侵蚀作用并免去维修的麻烦.(3)塑料燃油箱的重量较金属轻,塑料相对密度仅为金属的1/8～1/7,所以与同体积的金属燃油箱相比较,其重量可大大降低,从而有利于减轻车重,提高车速,节省燃料.据资料统计,车重每减轻1kg,则1L汽油可使汽车多行驶0.1km.(4)塑料燃油箱形状设计自由度大,空间利用率高,可以加工成各种复杂形状,有利于充分利用车体的空间,从而可以增加燃油的载重量,提高汽车的续航力,例如PASSAT塑料燃油箱重3.5kg,容量51L加安全系数7 L,同金属燃油箱相比容量大6L,重量轻1.5kg.(5)塑料燃油箱有较好的热绝缘性,在车辆着火时汽油柴油不会很快升温,可延迟爆炸而使乘员在意外事故中增加生存的希望.(6)塑料燃油箱耐久性能优异,例如用高分子量聚乙烯材料长期稳定性能好,从而可使燃油箱的使用寿命达10年之久.在欧洲,塑料燃油箱首先由德国大众汽车工业公司于1973年开发成功并大规模生产,车种由PASSAT开始,之后,塑料燃油箱在汽车工业发达的国家,从原料到加工生产设备,发展得极为迅速,成为一门专门的加工行业.三、目前汽车塑料燃油箱成型工艺

目前,汽车塑料燃油箱的使用受到广泛关注,进而其加工成型工艺得到广泛的研究和开发.概括起来塑料燃油箱的成型工艺有以下几种.1.回转成型

轻的金属模可安装在回转成型机的机架上进行三维方向旋转,塑料粉加入热模具内,当旋转时,塑料粉不断熔融粘贴在热模具内壁,待完全塑化达到要求厚度后,往模具夹套内注入冷水进行冷却,然后脱模得制品.该法不足之处是很难保证转角处和狭窄断面处壁厚的均匀性.该法所需材料要求受热后在模具内壁形成紧密又均匀的融体.但是具备上述条件的材料却不能符合汽车燃油箱对性能的要求.2.阳离子聚合(单体浇铸)

阳离子聚合法是用己内酰胺单体注入受热回转模具内,阳离子聚合,冷却脱模.其优点是模具造价低,易于喷漆.由于此法只限于浇铸尼龙,不能完全满足汽车燃油箱要求的条件,故通常不采用此法.3.注塑

由于脱模受到限制,采用注塑生产燃油箱需分成两半件,然后再用粘合剂或热熔焊接将两半件粘合成整体.粘合强度往往随材料品种不同而有强弱,又注塑模具要承受高压(60～130MPa)注射,模具结构复杂,制造费用昂贵,以上是缺点.注塑的优点在于获得的成品壁厚易于控制,非常均匀,又在注塑模具内可以装配所需要的嵌件,可将燃油箱箱体与附属零部件注射组熔成一体.4.真空吸塑成型

将塑料板材加热用真空吸塑成型制成燃油箱两半件,然后再用粘合剂或热熔焊接将两半件粘合成一整体.它与注塑不同处:前者不能制成形状结构复杂的箱体,而且无法在成型时装配各种嵌件,又模具多为铝合金材料,强度要求相对低,结构简单,因而造价也低.缺点是也存在粘合问题.5.中空吹塑

探索和比较各种塑料燃油的成型工艺,中空吹塑成型是制造燃油箱最佳成型方法.目前塑料燃油箱主要采用此法.燃油箱中空吹塑成型时,物料连续加热熔融挤出,送进蓄料器中储存,再通过模芯模套由上往下挤出形成型坯,用两半片(哈夫)模具将型坯夹紧,然后往型坯内鼓气吹胀贴牢模腔内成型,经冷却脱模得成品燃油箱.该方法是最佳成型方法,既可以大规模生产,又简化了生产工序,也不存在粘接问题.四、目前常用的阻隔性塑料、塑料燃油 箱用料及加工工艺

不是所有的塑料都适宜于制造汽车燃油箱,首先材料必须能长时间承受高温与低温交变负荷,甚至能承受-40℃下的骤然变形,经测试必须符合安全技术条件和政府颁布的标准,还要有非常好的阻渗性.按照国际标准,现在汽车油箱的渗油量每天不超过2g,以后逐年减少,所以必须选用有阻隔性的塑料来作汽车燃油箱.常见的阻隔性树脂[4-7]有:聚偏氯乙烯(PVDC)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺(PA)、聚酯(PET)、新型尼龙(MXD6)、液晶(LCP)和含氟塑料等,其中液晶和含氟塑料不仅成本高而且加工也比较困难;聚偏氯乙烯虽然具有高度的阻气性、耐蒸煮性、透明性、耐化学腐蚀性,热收缩性小,安全卫生和成本低等优点,但其熔点(200℃)与分解温度(210℃)相近,成型加工十分困难,经济价值不大;EVOH虽然在干态和常温下有比PA和PVDC好的阻隔性,但是由于其韧性不够而不具备单独作为包装材料或容器的物性,必须与其他塑料复合;尼龙和其他阻隔性聚合物相比,具有低温和高温使用性能优异、力学性能好,在高温、高湿度下其阻隔性优于EVOH和PVDC的特点,因此作为高分子阻隔材料越来越得到广泛应用.考虑阻隔性、加工性及成本,通过一系列试验与尝试,高分子量、高密度聚乙烯非常适宜于制造汽车燃油箱,但其阻隔性不好,渗油率比尼龙高得多.其优点是:在低温甚至-40℃下仍不失其韧性,易于吹塑成型,易于摩擦焊接、热元件焊接、高频焊接、以及热空气焊接,由于密度小,所以塑料燃油箱重量远轻于金属.但是聚乙烯的阻油性差,使其受到了限制.目前,常用的聚乙烯塑料燃油箱主要采用以下生产方法[8-10]来提高和改善中空容器阻隔性:(1)内壁进行表面处理的单层塑料燃油箱的方法,常用方法: ① 环氧喷涂法,此法较落后,效果也差,现已基本被淘汰;② 磺化(SO2气体)处理法,该法较成熟,美国、日本等国家迄今仍在使用;③ 氟气(F2)处理法,该方法是在吹塑成型过程中,同时向油箱内部吹入含有1%氟的氮气,使其油箱内层形成防燃油渗透的含氟层.氟化处理是在整个正常吹塑成型周期内实施的,通过由氟原子取代聚合物链上的氢而使容器的内表面发生化学变化,即在极性、内聚能、密度和表面张力方面发生变化,这种变化降低了湿润、扩散和最终的非极性液体的挥发.由于这种变化仅发生在表面(深度为5～10nm),所以抗张、冲击强度均没有发生明显变化.经氟化处理后,油箱的渗透汽油量降低效果比较显著,可由16g/24h降至0.5g/24h.但是,上述三种方法中的后两种方法,均要造成公害,引起环境污染,不宜采用.(2)聚乙烯与阻隔树脂共混改性使阻隔树脂在基体树脂中形成层状的方法.一般认为层状共混阻隔改性的机理是:起阻隔作用的阻隔树脂(尼龙或乙烯-乙烯醇共聚物即EVOH)分散相呈层状分布于连续相机体树脂中,阻隔层与基体组成多层结构,使得容器中溶剂分子穿透途径变得迂回曲折,增加了途径的长度,因而增加了容器的阻隔性能,为了得到这种层状结构,原料必须满足下列条件: ① 基体树脂必须易于加工,并在特定的设备内加工,它必须具有较低的流动活化能,其粘弹特性应与阻隔树脂相匹配;② 阻隔树脂应与基体树脂不相容,它在加工温度下有较高的熔点和粘度,并应具有足够的熔体拉伸性,以至受到剪切而形成大的片状;③ 必须加一定量的相容剂,控制阻隔树脂与基体树脂间的界面张力.为了使阻隔树脂能以层状分散于基体树脂中,还必须选择合适的加工工艺条件.在加工过程中,如果流场较弱,阻隔树脂没有被足够拉伸,而以较大颗粒状分布于基体树脂中,共混物的阻隔性能不好;反之,流场过度,阻隔树脂由于受到过强的剪切而被破裂成微粒,不形成片状,共混物的阻隔效果同样得不到改善.例如在高密度聚乙烯中加入7%阻隔尼龙片,可以使材料对燃油的渗透性比纯HDPE燃油箱减少97%,该产品已用于LousElan车上,但制备工艺复杂,成本高.(3)另一种途径是采用多层共挤技术,即HDPE层、粘结层、阻隔层(PA或EVOH)、粘结层、HDPE层5层共挤出成型,其中阻隔层用的是具有阻隔性的树脂如尼龙或乙烯-乙烯醇共聚物等;粘结层用的粘结剂对阻隔材料和HDPE有较强的粘结力、良好的粘结耐久性能和加工性能;HDPE作为内层和外层,起成型、强度、骨架等作用.该方法的优点是:成品质量优良,特别是抗燃油渗透性能优异.但这一方法对设备要求高,工艺控制困难,要求专用的多层中空吹塑成型机.现在,塑料燃油箱已广泛用于汽车上,国产与国外同类产品的性能比较见表1.五、目前塑料燃油箱的检测

把原料吹塑成型制成塑料燃油箱成品,根据实物对燃油箱进行检测,美国和欧洲对汽车塑料油箱制订了严格的技术标准.目前常用的检测项目如表2.表1 国产塑料燃油箱材料与国外同类产品的性能比较

项 目单 位齐鲁石化DMDY1158德国GM7746中科院化学所OXU-1中科院化学所OXU-2中科院化学所OXU-3MI(190℃,2.16kg)g/10min 0.0170.0210.050.060.06熔融温度℃138.7136.2137138138拉伸强度MPa47.528.828.827.628.3断裂伸长率%2850809493弯曲强度MPa24.122.623.024.725.0弯曲模量MPa689.5603715724862.0缺口冲击强度J/m***燃油渗透量g/24h 2.65 2.30 2.06 1.75

表2 常用的汽车燃油箱检测项目

检测项目要 求 指 标

坠落试验箱体内注满冷冻液,在-40℃环境中和常温放置12h,由10m高度自由落下,箱体不破裂,不泄漏摆锤冲击箱体内注满冷冻液,在-35℃环境中放置12h,用1t重的摆锤,冲击能量为4kJ,冲击后箱体不出现裂纹,不泄漏尖锤冲击箱体内注满冷冻液,在-40℃环境中放置12h,用14.7N尖锤,冲击能量为30J,冲击后箱体不出现裂纹,不泄漏燃烧试验箱体内注满50%燃油,置于直接、间接火焰上120s,箱体不破裂和爆炸耐热性试验在95℃的环境中加热1h,无泄漏变形耐冷热交变循环试验按80℃(16h)→室温(1h)→-40℃(6h)→室温(1h)为一个循环,共14个循环后无泄漏变形耐老化性试验大气中暴露一年半后,性能无显著下降耐压试验箱体内注满液体,在0.03MPa的压力,53℃下,加压5h,箱体不破裂、不泄漏耐振动性试验常温、振动加速度28.4m/s2、振动频率33.3Hz,振动方向和时间:上下(4h),左右(2h),前后(2h),不破裂、不泄漏气密性试验常温,充以0.03MPa(表压)的气压,持续30s不得有任何渗漏现象产生渗透试验箱体内注入50%含芳香烃的燃油,在+40℃温度环境中8周,按西欧、日本标准平均泄漏

六、汽车用塑料燃油箱的现状及前景

汽车用塑料燃油箱始于20世纪70年代的欧洲,开发得最早的国家当属德国和美国,多用于轿车中,但客车和载货车上的用量也不断扩大.国外,塑料燃油箱已步入成批规模化生产.近年来,由于我国汽车的迅速发展,引进了多项整车及零部件制造技术,大大地促进了我国汽车工业的发展和轿车制造技术的进步,缩短了同世界先进国家汽车工业的差距.就塑料燃油箱而言,均已逐渐采用塑料燃油箱代替金属燃油箱,并在国产化的工作中取得了较好的成就.但是,同国外先进水平相比,我们的汽车用塑料燃油箱还存在较大差距.为了适应汽车国际市场的竞争,大力开发和推广塑料燃油箱的技术,已成为我国汽车工业发展中必须引起重视和亟待解决的课题.随着世界汽车的迅猛发展,以及防止大气污染等,美国环保局提供了新的严格的对烃的渗透极限,要求碳氢化合物的排放量低于0.2g/24h,预达此要求必须采用具有高阻隔性的燃油箱,鉴于油箱的生产情况,多层共挤出的塑料燃油箱比较好.展望未来,塑料燃油箱在汽车上的应用有着广阔的前景,广泛使用多层复合塑料燃油箱替代金属燃油箱和单层塑料燃油箱将成为21世纪世界汽车工业发展的趋势.1 丁浩.塑料工业实用手册,1996:859-913 2 我国汽车用材料的现状及发展(国家教委蓝皮书)3 颜发清.汽车研究与开发,1999;5:36-43 4 何祚云,熊远凡,杨月辉.中国塑料,1996;10:17-24 5 陈鸣才.高分子材料科学与工程,1987;3:46-49 6 杜强国.高分子材料科学与工程,1991;7:28-30 7 雷景新,徐僖.高分子材料科学与工程,1998;14:97-99 8 J.P.62201956 9 J.P.58181642 10 J.P.63238756