热塑性弹性体在汽车安全气囊系统中的应用及性能特征

随着汽车工业的飞速发展 ,在谋求高质量、高性能与独特性的同时 ,汽车的安全性得到越来越高的关注 ,安全气囊正成为新型汽车的一个标准特征。第一个汽车安全气囊在 20世纪 70年代出现于美国的通用公司的汽车上 ,随后 ,安全气囊装备的速度在世界范围内迅速增长。安全气囊从开始只为驾驶员装备的前排气囊发展到现在的乘客前排气囊、

胸侧安全气囊、窗帘式安全气囊、膝气囊等。在北美洲 ,最新的丰田汽车最多共装有 12个安全气囊。由此可见 ,汽车的安全气囊系统已进入一个全新的发展时期。

汽车安全气囊系统除了传感器、微处理器、气体发生器和气囊等主要部件外 ,气囊盖

也是十分重要的一个部件。热塑性弹性体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 600 g,至少需 200g。按国内年产 600 万辆车计算 ,仅这一项 ,每年需要该类材料 1 200 t～3 600 t。

1 汽车安全气囊盖板材料种类及性能特征

目前 ,汽车安全气囊盖板一般采用热塑性弹性体 ,主要有 TPV ( TPO ) 、TPU、TPEE。三者由于分子组成及结构的差别 ,使之具有不同的性能。

1. 1 TPV ( TPO ) 、TPU、TPEE的结构特征

热塑性弹性体的共同结构特征是必然含有分子间作用力足够大的物理交联段 (或在高

温下能够解离的化学键 ) 和自由旋转能力较大的高弹性链 段 。物理交联段起着分子间化学或物理的交联作用和补强效应。材料兼具橡胶的弹性和塑料的可加工性[聚烯烃共混型热塑性弹性体是一种动态硫化型的热塑性弹性体( TPE) , 是橡胶[二元乙丙橡胶

(EPM) 、三元乙丙橡胶( EPDM) 、丁腈橡胶(NBR)等]与聚烯烃树脂(主要为PP和PE)共混,在共混过程中使橡胶与交联剂产生化学交联形成只有几微米的橡胶粒子分散于聚烯烃连续相中。部分交联的共混物称为TPO,完全动态硫化时,橡胶粒子的凝胶量大于97% ,其动态硫化共混物称为TPV。

TPU是一类由与异氰酸酯反应而生成的氨基甲酸酯硬段与聚酯或聚醚软段相互嵌段结合的热塑性橡胶。分子间的氢键交联和偶极作用或高分子链间的轻度交联是材料具有热塑性能的主要原因。随着温度的升高或下降, TPU的上述两种交联形式具有

可逆性[

TPEE是一类含有芳香族聚酯硬段(结晶相)和脂肪族聚酯或聚醚软段(连续相)的嵌段共聚物,也称聚酯橡胶。TPEE是线性嵌段共聚物,其强度产生于结晶相的聚酯嵌段,或称“硬段”,分散于作为连续相的无定形软段中。连续相由软段和未能结晶的其它聚酯嵌段构成。整个弹性体是一个连续的无定形网络和部分连续的晶态网络结构叠加而成。当弹性体经受外力时,应力首先通过连接分子传至结晶相。当微晶受力而开始取向时,应力传至共聚物网络结构部分,最终弹性区域承担全部应力,共聚物就像交联弹性体那样产生弹性应变[

这三种弹性体的结构特征及约束模式归纳于表

1. 2 TPV ( TPO) 、TPU、TPEE的性能特点[,对TPV (TPO) 、TPU、TPEE的主要性能进行比

较,可以看出三者之间的优劣及各自的特点,结果见表

种 类

硬 段

软 段

结构特点

约束模式

TPV ( TPO )

PE、PP

EPM、EPDM

共混

结晶相

NBR

合金

TPU

氨基甲酸酯

聚酯、聚醚

嵌段共聚

结晶相氢键

TPEE

芳香族聚酯

脂肪族聚

嵌段共聚

结晶相

醚、聚酯

表 2 TPV ( TPO ) 、TPU、TPEE的主要性能比较

项 目

TPV ( TPO )

TPU

TPEE

密度

较小

较大

适中

柔软性

一般 - 良

一般 - 较差

一般

力学强度

一般

优

最优

耐压缩变形性

一般 - 良

优

良

耐热性

良

一般

优

低温特性

优

一般 - 良

优

使用温度范围

- 50 ～150 ℃

- 35 ～150 ℃

- 70～180 ℃

耐溶剂性

较差

较优

较优

耐寒性

优

一般

较优

耐候性

优

一般

优良

耐化学药品性

良

一般

优

耐热水性

良

较差

较差

加工性

良

一般

优良

价格

较低

中等

较高

由表 可以看出 , TPV ( TPO ) 、TPU 的综合性能明显不如 TPEE。特别值得一提的是 , TPEE 的高低温性能特别突出 ,有很好的耐热性 ,在 110 ～140℃连续加热 10 h 基本不失重; 低温柔顺性好 ,低温冲击强度高。在低应变条件下 , TPEE 的弹性模量比相同硬度的其它热塑性弹性体高 ,具有优异的耐疲劳性;压缩弹性模量与拉伸弹性模量比 TPU 高得多 ,在室温以上 , TPEE 弯曲弹性模量很高 , 而低温时又不像 TPU 那样过于坚硬; 耐酸碱性优于 TPV( TPO ) ; 就弹性而言 , TPEE 的弹性高于 TPU 约20%。而 TPEE最大的问题是柔软性不足 ,耐热水性差 ,价格较高。

国内市场中低档车型的汽车安全气囊盖板主要采用 TPO、TPV 和 TPU。TPEE由于性优价

高而主要在中高档车型上使用。国内 TPEE 的工业规模很小 ,且停留在中低档产品的水平上。像汽车部件这种高性能要求的应用领域几乎都采用国外品牌的产品。而国外产品的高价使得一些中低档汽车只能采用性能一般的其它产品替代。随着我国近年来汽车工业爆炸式增长、安全环保意识的日益加强、成本竞争压力的日益加大,汽车零部件厂家对低价位高品质TPV的需求发出了强烈的信号,。因此,“十一五”期间规模化地开发价格合理、性能优异的TPV系列产品,.