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“汽车轻量化”——改性塑料的机遇
最后更新:2016-07-27    浏览:438 字体大小:

  【核心观点】

 
      1. 与全球42%的改性塑料用于汽车行业相比,在我国仅为10%左右,预计未来几年汽车行业将成为工程塑料消费量增速最快的领域。


2. 相对于高强钢、铝镁合金来讲,改性塑料无论在成本还是工艺上均具有较大的优势。


      3. 到2020年我国汽车年产量将达到2840.60万辆,按照300kg/台汽车改性塑料保守使用量,未来5年内汽车改性塑料行业年复合增长率达到25.89%。


4. 随着新能源汽车行业的爆发式增长,由于目前电池技术导致的里程限制问题,轻量化将是解决续航能力的关键因素之一,因此未来汽车制造企业会更加注重汽车轻量化的发展。


 

【汽车轻量化行业简介】


 

进入“十二·五”以后,我国汽车年产销总量已超2000万辆,超越美国成为全球汽车销量第一的大国。连续六年蝉联世界第一汽车产销国。而社会保有量也增至近1.72亿辆。因此汽车轻量化从环保还是商业成本等因素来讲,将成为未来的发展趋势。


 

根据中国汽车业协会统计2016年上半年,汽车产销量分别为1289.2万辆和1283万辆,同比分别增长6.5%和8.1%,业内普遍预期下半年汽车产销量还将保持6%至8%的增长速度,受益于未来汽车行业尤其新能源汽车行业的发展,汽车改性塑料行业也将收益其中。


 

新能源、汽车电子集成和汽车材料轻量化是未来汽车行业发展的三大趋势。汽车设计呈现了轻量化、模块化和电子化,设计效率提升,周期缩短,节能和环保的特色更加鲜明。轻量化材料大规模应用成为全球汽车发展的方向,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6%—8%,而在驾驶方面,汽车轻量化后其加速性能也将得到提高,而在碰撞时由于惯性小,制动距离也将减少。


 

此外,车辆每减轻100公斤,二氧化碳排放可减少约5克/公里。这些数据显示轻量化设计具备这样三个优点:节油、减排、提升驾驶乐趣。


 

材料替代、结构优化设计、先进制造工艺是汽车轻量化的三个重要途径,三个途径是相辅相成的,但新材料的应用及其引起的制造工艺的改变对汽车零部件行业影响巨大,同时也将带来很多机会。先进高强钢、铝镁轻金属、复合材料是主流的轻量化替代材料,在国际上,汽车轻量化已是大势所趋,三类轻量化材料均已取得了产业化应用并获得了不同程度的产业规模。


 
然而,国内汽车在轻量化技术方面与国外先进水平相比存在较大差距,除了基本延续传统制造工艺和技术的先进高强钢以外,铝镁轻金属、复合材料由于制造工艺都在一定程度上不同于原有的汽车零部件制造工艺,甚至是颠覆性的改变,在国内相关产业还未形成较大规模。相对于高强钢、铝镁合金来讲,改性塑料无论在成本还是工艺上均具有较大的优势,因此本文将对三类轻量化材料中的复合材料行业中的改性塑料行业进行深入研究。





 







轻量化同样对电动车(包括插电式混合动力车)有良好的节能效果。减重10%和15%分别可以达到6.3%和9.5%的电能消耗。随着为新能源汽车行业的发展,由于车身重量是目前限制电动汽车续航能力的主要因素之一,因此未来新能源汽车将成为汽车轻量化行业提供新的发展方向。


 

【改性塑料行业概述】


 

1.行业简介


 
塑料化工研究发展至今,已合成出上千种高分子材料,其中具有工业价值的仅百余种,塑料常用的树脂原料90%以上集中在五大通用树脂(PE、PP、PVC、PS、ABS),目前再继续合成大批新的高分子材料难度很大,既不经济也不现实。因此,深入研究聚合物组成、结构和性能的关系,并在此基础上对现有的塑料进行改性,以制造适用的塑料新材料,已成为发展塑料工业的有效途径之一,全球的改性塑料行业也因此在近年内获得了长足的发展。


随着塑料工业的发展,塑料产业内合理的分工产生了一个位于生产合成树脂的大型石化企业与生产具体塑料制品的塑料加工企业之间的相对独立的行业,这个行业以生产多种用途和特性的中间粒子料为主产品,即改性塑料行业。


 

改性塑料是指在通用塑料和工程塑料的基质中加入合适的改性剂,经过填充、共混、增强等方法加工改性,提高塑料的阻燃性、抗冲击性、强度、拉伸性、韧性等。


 

改性塑料应用比较广泛,主要有汽车行业、家电行业、电子电气行业、建筑行业、医疗行业等众多行业,随着“以塑代钢”和“汽车轻量化、家电轻薄时尚化”等趋势的影响,“新型城镇化”、“建设美丽中国”等政策的逐步推行,该行业的应用产品将进一步拓展,企业技术升级与创新和产品结构的优化与调整,为该行业带来广阔的发展前景。


 

2. 主要改性塑料产品


 

(1)改性ABS塑料


 

ABS为浅黄色粒状或珠状不透明树脂,无毒、无味、吸水率低,具有良好的综合物理机械性能,如优良的电性能、耐磨性,尺寸稳定性、耐化学性和表面光泽等,且易于加工成型。缺点是耐候性,耐热性差,且易燃。


 

ABS/PC合金是为改进ABS阻燃性,具有良好的机械强度、韧性和阻燃性,用于建材,汽车和电子工业,如做电视机、办公自动化设备外壳和电话机。


 

ABS/PC合金中PC贡献耐热性、韧性、冲击强度、强度阻燃性、ABS优点为良好加工性、表观质量和低密度,以汽车工业零部件为应用重点。ABS/PA合金是耐冲击、耐化学品、良好流动性和耐热性材料,用于汽车内件装饰伯,电动工具、运动器具、割草机和吹雪机等工业部件,办公室设备外壳等。


 
ABS/PBT合金有良好的耐热性,强度、耐化学品性和流动性、适于做汽车内饰件,摩托车外垫件等。
 


(2)尼龙(PA)

 

近年来,为了保护自然环境,汽车业着重改善了汽车二氧化碳的排放量和其耗油量,这样就使得汽车业对耐热材料的要求更高。平常使用的塑料在耐久性、耐热性和耐药品性都存在一定的不足,而传统的PA6T、PA9T、PA46等耐高温PA塑料也存在吸湿且耐高温性能不完善的情况。


 

因此,为了满足各大领域对材料耐高温性的要求,开发人员在PA材料耐高温方面作了很大的改进,特别针对半芳香尼龙中共聚改性和新型的半芳香PA的合成方面作了改进。同样,这也是当前耐高温PA材料的研究重点。DSM公司在PA46耐高温材料的生产和研究中始终处于领先地位,其拥有当前唯一的丁二胺工业化方案。丁二胺作为PA46中的重要原料,DSM公司先行研发出了以丁二胺为原料的PA4T。


 

PA4T是21世纪第一个新聚合体材料,它有着超强的无铅焊接兼容性、空间稳定性和高熔点特性,并且在温度升高时还具有相当高的机械强度和硬度,这也是电子产品集中化和市场小型化对材料提出高要求的表现之一。


 

在杜邦公司新开发的耐高温尼龙(HTN)中,有54G、53G、52G、51G4个系列。在这4个系列中,54G、52G、51G是属于PA6T的改性产品,也是属于半芳香族尼龙PPA。然而,53G系列因为中苯环含量因子较少,所以,杜邦则把它划为高性能PA。这些高性能的PA系列都有着高耐热性、低吸水性、高耐化学药品性、高流动性、高韧性、高结晶性和高尺寸稳定性等强大的综合性能,是最具有发展前途的新品种,也是最早应用在汽车零部件和表面贴装技术中的材料。


 

(3)聚丙烯(PP)


 

在汽车塑料使用中,聚丙烯(PP)塑料是用量最大的一种材料,几乎占据了汽车塑料总用量的55%。如今,汽车业所用的聚丙烯(PP)塑料也正在快速向专用材料的高性能、多样化的方向发展,并且有逐步取代聚氯乙烯(PVC)、丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS)和相关工程塑料的趋势。


 

聚丙烯(PP)改性主要是加入一定比例的弹性体和橡胶材料、色母粒、无机填料等材料之后,再混炼加工而成的。当前,汽车业中聚丙烯(PP)材料的主要研究方向是低散发、抗刮擦和长玻纤等,而已经开发出来的新PP产品主要有低挥发性有机化合物(VOC)、低密度玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)和长玻纤增强聚丙烯(LGFPP)等。


 

(4)聚碳酸酯(PC)


 

聚碳酸酯(PC)是塑料产品中具有透明性能的改性产品,其还有相对较好的耐热性能、机械强度、耐紫外线辐射等。同时,其性价比较好,具有用化学修饰物理改性的潜力,是其综合能力最好的体现。因为其具有独特的隔音性、轻量化、抗冲击性、隔热性、透光度和强度高等特性,所以,聚碳酸酯(PC)被广泛应用于汽车车灯、车窗、内外饰、新型薄层车顶原型和车身等方面。


 

当前,PC塑料正在向高功能化和合金化的方向发展。在发展过程中,PC/ABS合金是发展速度最快、应用范围最广的,很多公司都相继推出了可电镀、耐紫外线、阻燃和玻纤增强等多个PC/ABS合金新品种。其中,PC/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)合金有着很好的透明性,完全能够代替玻璃材料。


 

(5)聚甲醛(POM)


 

POM在汽车行业中有很大的潜在市场。POM具有生产成本低廉、加工成型简便、质轻、材料性能与金属性能相接近等优点。但是,因为其具有缺口敏感性太大、抗冲击强度不好和低温过脆等原因,所以,不能被广泛应用。改性后的POM则具有刚性强、耐磨系数低等特点,所以,其适用于把手、汽车泵、安全带扣、万向节轴承、输油管、汽化器部件、仪表板、动力阀、曲柄、汽车窗升降机装置和电开关等的制造中,它是制造齿轮、轴套等耐磨零件的最佳选择。因为POM的抗磨性高,很大程度上减少了润滑油的用量,增加了零部件的使用寿命,所以,可以用其代替锌、铜等金属,进而降低生产成本。


 

【改性塑料在汽车行业中的应用】


 

工程塑料优势众多,深受欧美汽车企业重视,且应用广泛。据悉,在发达国家,每辆汽车塑料用量从上世纪90年代的100~130kg上升到2004年的152kg和2006年的174kg,现在用量是230kg。国外汽车品牌现在已经大规模使用塑料复合材料(主要是玻纤增强复合材料如:长纤维增强热塑性材料(LFT)等)和高性能的工程塑料等,而国内自主品牌汽车在塑料复合材料上的应用(重量占比)却相对较少。这也反映了我们整车轻量化技术水平的差距。


 

我国目前平均每辆汽车塑料用量占汽车比重的5%-10%,预计到2020年,汽车平均塑料用量将可能达到500kg/辆以上,约占整车用料的1/3以上。


 

随着新能源汽车的广泛使用,加之铝合金、镁合金的成本过高,且以进口为主。未来汽车的车顶、车门、座椅部件、轮毂以及汽车周边结构件,甚至车身都有可能改用工程塑料,因此汽车用改性塑料行业的未来发展空间巨大。


 
改性塑料作为最重要的汽车轻质材料,不仅可以减轻零部件约40%的质量,还可以使采购成本降低40%左右,因此,近年来改性塑料在汽车上的用量迅速上升。主要品种有PP、PS、ABS、PU、PVC、PE、SAN、SMA等。


 




 


1.方向盘


 
方向盘一般采用自结皮硬质PU泡沫材料高压或低压发泡而成。方向盘结构要求挺拔、坚固、轻便、外韧内软,并能耐热、耐寒、耐光、耐磨。因此,包覆物多用改性PP、PVC、PU、ABS等树脂,骨架一般选用钢骨架与铝压注而成,考虑到轻量化,现在也有用玻璃纤维增强PA替代铁芯的趋势。为了追求豪华、舒适、手感好,现在的方向盘表面部分增加了桃木饰纹或真皮包皮等。
 


2. 仪表板




欧洲汽车的仪表板一般以ABS/PC及增强PP为主要材料;美国汽车的仪表板多用苯乙烯/顺丁烯二酸酐SMA,这类材料价格低,耐热、耐冲击,具有良好的综合性能;日本汽车的仪表板曾采用过ABS和增强PP材料,目前则以玻璃纤维增强的SAN为主,有时也采用耐热性更好的改性PPE。随着电子技术的应用,高度的控制技术、发动机前置前轮驱动汽车操纵系统以及其它中央控制系统等将被集中在仪表板周围,因此,由纺织物来取代目前在聚氨酯发泡体表面覆盖的聚乙烯表皮将成为可能。


 
目前,我国使用的硬仪表板常被用在轻、小型货车、大货车和客车上,一般采用PP、PC、ABS、ABS/PC等一次性注射成型。这种仪表板表面有花纹,尺寸很大,无蒙皮,对表面质量要求很高,对材料的要求是耐湿、耐热、刚性好、不易变形。但由于这种仪表板通常采用多点注射成型,易形成流痕和粘接痕,同时添加色母不均,容易产生色差,因此表面需经涂装后才能使用,且最好选用亚光漆涂装。另外,由于高档仪表板追求质感,所以在仪表板表面做一部分桃木饰纹将是一种发展方向。
 

 


3. 座椅


 






软质PU发泡材料可用热硫化层和冷硫化法生产,但从设备投资和材料性能考虑,目前座椅缓冲垫多用冷硫化法生产。考虑到座椅的舒适性,缓冲垫的密度可以改变,从而使软硬度随之改变。如奥迪A6轿车靠背上的缓冲垫可使用天然纤维(如椰子壳)浸胶材料,其特点是透气性好;骨架材料可用GMT(玻璃纤维毡片)取代钢铁材料。
 

 


4. 车门内板


 




车门内板的构造基本上类似于仪表板,由骨架、发泡和表皮革构成。以红旗轿车和奥迪轿车为例,车门内板的骨架部分由ABS注塑而成,再采用真空成形的方法,将衬有PU发泡材料的针织涤纶表皮复合在骨架上形成一体。


 

在美国,门内装饰板用ABS或PP注塑成形的居多,现在我国国产的卡车——斯太尔王也使用同类板。近年来,车门内饰板为满足耐候性和柔软性,已开始使用热塑性弹性体与PP泡沫板相叠合的结构。日本开发了一种冲压成形、连续生产全PP车门内饰板的技术,门板包括PP内衬板、PP泡沫衬热层和PP/EPDM皮层结构。


 

最近开发成功的低压注射—压缩成型方法,是把表皮材料放在还未凝固的聚丙烯毛坯上,经过压缩,压成为门内板。表皮材料为衬有PP软泡层的TPO,这类门板易回收再生。中低档轿车的门内板,可采用木粉填充改性PP板材或废纤维层压板表面复合针织物的简单结构,即没有发泡缓冲结构,有些货车上甚至使用直接贴一层PVC人造革的门内板。


 
5. 顶棚及后围





车内顶棚、后围(后围主要对重型车而言)是内饰件中材料和品种花样最多的一种复合层压制品,它的作用除了起装饰功能外,还起着隔热、隔音等特殊功能。顶棚、后围一般由基材和表皮构成,基材需要具有轻量、刚性高、尺寸稳定,易成形等特点,为此一般使用热塑性聚氨酯发泡内材、PP发泡内材、热塑性毡类内材、玻璃纤维瓦楞纸、蜂窝状塑料带等。


 

表皮材料可用织物、无纺布、TPO、PVC等。我国的轿车顶棚一般使用TPO发泡片材、玻璃纤维、无纺涤纶布材料层压成型。顶棚的种类有成型顶棚、粘接顶棚和吊装顶棚,其中成形顶棚占70%以上。卡车主要用成型顶棚,基材采用热固性或热塑性毡类,压制成型,表皮材料选用针织面料、无纺布、PVC等。


 

6. 发动机罩及地垫


 

发动机罩及地垫属中、重型汽车及客车的重要内饰件。现在,发动机罩一般是将PVC皮革吸塑后与聚醚多元醇和异氰酸酯发泡填充而成,主要起到吸音、隔热、减震和美化车内环境等作用。轿车中的地垫一般都采用美观、漂亮的复合成型垫(如橡胶、PVC、毛、麻类)制成。


 

7. 保险杠


 

PP是目前使用最多的保险杠材料,也是综合性能优良的一种通用塑料。但PP本身低温性能及抗冲击性能差,耐老化性及尺寸稳定性差,难以满足汽车保险杠对材料性能的苛刻要求。因此在汽车保险杠中使用的PP材料均为改性PP。


 

与普通轿车相比,高端车的保险杠尺寸稳定性要求很高,保险杠和汽车贴合度要很好,同时不能随着气温而缩胀;保险杠的韧性要好,如果受到轻度撞击挤压,还要能自动回弹、恢复原状;对油漆的附着度要高,不易掉漆。


 

由于要求严苛,长期以来高档汽车用专用塑料的国产化程度很低,奔驰、宝马、奥迪等高端汽车的保险杠材料均选用进口改性塑料。但近年来,随着一批国产企业的崛起,在汽车保险杠领域颇有与国外企业一较高下的雄心,特别是在高档汽车保险杠领域,国产企业已经开始发力。


 

综述:我国改性塑料行业虽然起步较晚,但发展迅速,已逐步形成了具有树脂合成、塑料改性与合金、加工应用等相关配套能力的完整产业链。从下游应用方面来看,工程塑料主要应用于电子电器、机械、汽车、建材、轻工等领域。


 

与全球42%的改性塑料用于汽车行业相比,在我国仅为10%左右,预计未来几年汽车行业将成为工程塑料消费量增速最快的领域。


 

【汽车改性塑料行业发展综述】


 

近年来,节能降耗的市场需求不断向汽车轻量化设计施加压力。为更好地适应日趋严格的市场监管条例,众多汽车零部件生产商一直在寻找环境友好型材料来取代传统塑料。受其影响,汽车用高性能塑料备受瞩目。业内人士称,当前车用塑料行业正在历经发展高峰期。


 

未来的车用高性能塑料质量将会更加轻便,抗冲击性及耐热性能也会更加强大。与传统金属材料相比,车用塑料不但能最大限度满足汽车制造商对零部件的特殊需求,还能降低加工成本,减少油量消耗。除拥有极高的环境可持续性外,高性能车用塑料还具备极强的设计灵活性和操作安全性。


 

目前,车用改性塑料在保险杠、发动机罩盖、安全气囊以及安全带等零部件中均有广泛应用。高性能塑料的融入不但能减轻车重,还能起到减震、耐磨的作用,从而更好地延长汽车使用寿命。


 

我国改性塑料产业仅有20多年的历史,目前我国有上千家企业从事改性塑料生产,但规模以上企业(产能超过3000吨)只有70余家,总产能超过了200万吨。从产能上看,国内企业占73%左右,国外或合资企业占比约为27%,但从市场占有率情况来看,国内企业市场占有率仅为30%,而国外企业市场占有率高达70%。


 

本土材料供应商的产品主要应用于保险杠、挡泥板、车轮罩等部件,在转向节、底盘悬挂等核心件的轻质化材料供应上,基本由拜耳、巴斯夫、杜邦等外资企业所“垄断”。比如拜耳的聚氨酯复合材料、聚碳酸酯塑料可以为车窗、新能源锂电池提供材料,巴斯夫的长玻纤材料则主要用于发动机悬置、车内抗冲击性组件等部件上。


 

2014年全球改性塑料需求量为1.3亿吨。预计2015年该数值将增至1.44亿吨。2014-2020年期间,全球改性塑料需求复合年增长率将达4.6%。2015年行业规范,新政策出台进一步调整改性塑料产业结构,行业规模有望进一步扩大,工业总产值将超过1500亿元,“十三五”时期是我国改性塑料行业发展的关键时刻。


 

预计未来行业“十三五”主要发展目标:改性塑料制品产量年均增长15%左右,工业总产值年均增长12%左右,利润总额、利税总额年均增长16%左右,进出口贸易额年均增长10%左右,新产品产值率和科技进步贡献率分别提高到10%和40%。


 

【汽车改性塑料行业上游原材料市场分析】


 

汽车改性塑料的主要原料是各类合成树脂PP、ABS、PC等,主要来源于石化体系,因此原油价格波动将对改性塑料行业的持续发展具有一定的影响。


从2014年开始国际油价持续下跌,跌幅达50%之多,因此从最上游的原材料来讲,石油价格的下跌,对改性塑料企业的盈利能力有较大幅度的提升作用。


 
我们以国内较为纯正的中高端汽车改性塑料企业普利特的理念成本和产品单位售价以及其他企业的成本及售价为例,来反应整个行业的下游成本以及产品盈利情况。


从上表中可以看出虽然从2014年开始汽车改性塑料行业上游原材料以及下游产品价格由于原油的下跌均呈现下降态势,但平均单位产品的毛利水平明显提升。


 

【汽车改性塑料行业下游市场需求分析】


 

汽车改性塑料行业的下游主要为汽车零部件厂商,我国目前平均每辆汽车塑料用量占汽车比重的5%-10%,预计到2020年,汽车平均塑料用量将可能达到500kg/辆以上,约占整车用料的1/3以上。另外由于新能源汽车行业的爆发式增长,未来汽车轻量化更加受到汽车制造企业的关注。


 

2004-2015年,我国塑料总产量从1791万吨上2015年年度报告10/206升至7560万吨,与此同时,改性化率也逐年提高。2004年,我国塑料改性化率仅为8%,到2015年,我国塑料改性化率上升为19%。年复合增长率达到23.31%,行业总体增速可观。


 

而对于汽车改性塑料行业来讲,按照目前国内汽车改性塑料平均用量为110kg/台,而国外汽车达到150kg/台。


 

2015年我国汽车产量达到2450.33万辆,按照3%的年复合增长率保守计算,到2020年我国汽车年产量将达到2840.60万辆,按照300kg/台汽车改性塑料保守使用量,未来5年内汽车改性塑料行业年复合增长率达到25.89%。


 

在我国,各大汽车品牌开始提升合金、超强度钢、工程塑料等多种轻质化材料在汽车产品中的应用比例。2016年初,福特宣布推出首款采用轻量化车身的F150,整车减重318公斤,紧接着又宣布旗下SUV车型探险者将成为首款采用这一轻量化设计的量产车型,随后锐界、林肯MKX等车型也将采用相关设计。


 

但与外资品牌相比,国内自主品牌在轻量化道路上遇到了不小的挑战。由于外资材料供应商在一些核心部件方面几乎垄断了技术,自主品牌的采购价格居高不下。


 

部分轻质材料虽然降低重量效果明显,但是成本高昂。对于经济型产品来说,车重降低一公斤的成本控制在20元以内才是一个可接受的范围。目前在合成塑料上,相较本土材料商,外资材料商的价格平均每吨贵几千元,算下来平均每公斤增加成本几十元。


 
因此,我们可以看到未来车企对汽车轻量化的重视程度将逐步加强,另外一些技术含量颇高的中高端汽车用改性塑料产品将成为未来国内汽车改性塑料行业增长的主要动力。
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