半结构化环氧片状模塑料系列元件， 释放汽车轻量化的潜能

多年来，片状模塑料（SMC）技术一直是一项稳健、快速和经济的制造工艺，用于汽车和多用途运载车系列应用中的非承重部件或半结构部件。除了宽泛的几何设计自由度和功能集成的可能性之外，其优点还在于它是一项适合批量生产的成熟工艺，可以实现规模化生产。如今片状模塑料技术已经越来越多地被用于次结构件及结构件的生产。不过，应用的前提是具备高机械性能的创新材料，且该材料应满足当今更为严格的环保要求，还有助于实现汽车的轻量化。

除了纤维的铺覆方式之外，基体树脂的选择对片状模塑料配方的性能起着极其重要的作用。与传统的不饱和聚酯或乙烯基酯体系相比，环氧树脂基配方已被证明是尤为合适的，可赋予复合材料部件更佳的机械性能。此外，通过使用环氧树脂配方，在制造和加工过程以及在后续材料的铺设过程中（例如在内饰应用中），排放量可能会大大降低。考虑到车辆内部空气质量相关的待定法规，这对于未来在汽车内部件的应用是一个突出优势。到目前为止，虽然环氧固化剂在工艺控制和成本方面比聚酯和乙烯基略有不足，但新一代环氧固化剂将解决这些问题。

图1：Vestalite S片状模塑料配方示意图

新一代环氧片状模塑料

胺基固化系统Vestalite S是赢创的注册商标，如图1所示，在Vestalite S已经完成产品开发及应用，能够为汽车行业生产成本效益高的环氧片状模塑料部件。以下所述的Vestalite S片状模塑料的关键绩效指标和性能数据是材料及工艺研究中的一部分，该项研究是与位于德国芬茨塔尔的弗劳恩霍夫化学技术研究所（Fraunhofer ICT）合作进行的。

Vestalite S片状模塑料在半固化状态具有较高的贮存稳定性，并且缩短了固化时间，这是通过两步反应来实现的。步反应，在室温下与片状模塑料混合，并在化学转化率约60%时停止。然后提高温度至120°C，触发第二步反应。在室温下，处于半固化状态的片状模塑料材料呈固体，因此具有数周的贮存稳定性。固化剂可以有效根据片状模塑料工艺量身定做，使得材料在混料过程中呈现理想的初始粘度，在压制过程中呈现佳的流动特性，同时能在3分钟内完成固化。

成本效益高的工艺链

由于片状模塑料材料在半固化状态下的稳定性，建议对生产工艺进行调整，这样可以减少加工步骤，实现高效益的生产制造。图2展示了Vestalite S片状模塑料的生产工艺，它与传统片状模塑料生产工艺的主要区别在于Vestalite S材料需要熟化到半固化状态。

图2：Vestalite S生产工艺示例（与传统片状模塑料工艺的区别以蓝色部分标出）

Vestalite S的固化体系粘度特别低，这意味着在混炼过程中总配方的混合粘度可达到500-800mPa·s。因此它的纤维浸润性优异，可以实现纤维质量比超过65%的产品。纤维与基质之间良好的粘结性和高纤维体积含量是Vestalite S体系的片状模塑料能够提供优异机械性能的关键。

在混合之后，片状模塑料材料被切割成零件专用片材。通过其他快速熟化工艺可以改善材料的切割性能、加速固化流程，并且降低体系反应放热。通过明确的加温分布图，例如使用加热板或传送炉，让片状模塑料呈现皮革状。快速熟化过程的温度分布和持续时间取决于混合工艺的线速和其它工艺参数。

片状模塑料片材在室温下存放3天后即可成型。片状模塑料的玻璃化温度约为55°C，大约一周后达到后的半固化阶段。为了确保热量快速传递到片状模塑料中，在成型之前需要对片材进行加热。这个可以使用单独的加热过程（如干燥室）来实现，也可以在成型过程的中间步骤实现，在成型过程中，压力机仅闭合到接触点。

由于混合粘度低带来的高生产线速、在线切割和模压时间短，使快速且经济地加工Vestalite S片状模塑料部件成为可能。

工艺流程优势

与传统的环氧树脂片状模塑料相比，Vestalite S固化剂除了具有工艺流程上的优势外，还可以生产制造出机械性能优异的片状模塑料部件。图3显示了与聚酯、乙烯基酯和环氧树脂的传统体系相比，Vestalite S片状模塑料的强度和刚度值。尤其是碳纤维增强型Vestalite S 片状模塑料的高拉伸模量和玻璃纤维增强型Vestalite S 片状模塑料的拉伸强度值，为轻量化设计创造了巨大的潜力。

与所有环氧树脂一样，Vestalite S配方在成分中不存在苯乙烯排放物，挥发性有机化合物（VOC）排放量极低。在根据VDA 278进行的试验，挥发性有机化合物和雾化值在<10μg/g范围内。

图3：实验在Fraunhofer ICT进行。根据材料分类，用Vestalite S系数比较不同片状模塑料系统的机械性能

拉伸模量【GPa】

*纤维类型：OC ME 1510 | 纤维含量：67 wt.-%

**纤维类型：T700 SC-12000-50C | 纤维含量：68 wt.-%

在汽车零部件方面的潜力

在欧洲研究项目联盟的开放创新挑战赛中，展示了Vestalite S碳纤维-片状模塑料应用于在汽车零部件原型中的潜力。参考部件为钢制尾门，根据项目的特定目标，尾门的内板由Vestalite S碳纤维-片状模塑料代替。对于片状模塑料部件的设计，德国亚琛工业大学汽车工程研究所（IKA）定义了特定负载情况下的刚度值要求。作为IKA模拟的一部分，对片状模塑料部件的肋部和面板强度进行了调整，以符合刚度要求。图4中的模拟结果显示，各种负载情况下的刚度值与钢材参考值相匹配，同时可以将部件重量减轻近50%。使用Vestalite S片状模塑料材料，在初步设计中可以将尾门内部结构的重量从原来的3.96kg（钢基）减少到2.01kg。展望未来，可以得出这样的结论：使用片状模塑料适当设计整个尾门，实现功能和部件的集成，可以进一步减轻产品重量，这将有利于制造业的发展，提高成本效益。

图4：作为IKA模拟试验一部分的尾门刚度试验结果

通过功能整合降低成本

此处所示的概念，是把钢材参考值与碳纤维复合材料相比较，旨在展示轻量化设计的潜在机会，而不是商业化的优化概念。在考虑产品成本时，如果纤维原材料的成本非常高，即使在技术工艺上有优势，终部件成本显然会大幅增加。因此，后续概念的目标将是利用整体观念来验证其经济潜力。在对尾门概念的初步评估中，假定部件减少50%，总重量减少3kg，尾门的轻量化设计成本低于10欧元/kg。如果考虑整个部件的生命周期，减重能进一步实现成本优势，即二次减重或降低总拥有成本（TCO）。

生命周期评估

除了节省成本外，减轻重量还对汽车整体的生态平衡有着重要影响。在生命周期评估（LCA）中，环境对部件的影响贯穿部件的整个生命周期。在Vestalite的研究框架内，将各部件的CO2当量排放视为环境影响，分别说明了片状模塑料部分和钢材部分对全球升温潜能值的影响。生命周期的各个阶段包括了材料加工、零件制造、运行阶段和报废阶段。图5是生命周期评估的结果，能源相关环境污染基于德国能源结构设定。由于碳纤维的能源密集型制造，以及由于片状模塑料尾门生产中的能源需求的增加，在生命周期的开始时存在二氧化碳排放过量的现象。然而在部件的整个寿命期间，由于重量减少，对全球变暖的影响可以减少15%以上。

在生命周期评估中，只考虑了重量对部件的影响，而未进一步考虑空气动力学的影响。虽然考虑的因素经过简化，而钢材也有额外的产品寿命优势（因为材料二次加工的所需能量较少），但结果显示，片状模塑料具有显著的优势。有关片状模塑料部件的潜在利益可以通过回收过程来实现，特别是碳纤维生产过程中的高能耗可以得到部分补偿。在本案例研究中，没有考虑片状模塑料的回收及再利用，因为回收的碳纤维的机械性能会比原纤维有一定的损耗，从而影响纤维的可比性。

图5 ：项目中钢材和Vestalite S片状模塑料尾门的生命周期评估结果

总结

作为联盟项目开放创新挑战赛的一部分，利用案例研究有可能证明环氧树脂片状模塑料在尾门应用中的潜力。胺基固化剂Vestalite S使环氧化合物在片状模塑料中的技术、经济和生态应用成为可能。

与传统的片状模塑料配方相比，Vestalite S固化剂在材料加工和车辆使用中具有优异的机械性能和较低的排放值。通过合适且优化的工艺控制，加之具有竞争力的环氧片状模塑料配方，可以实现快速、经济、高效的零件制造。目前正在对客户项目中展现的潜在应用进行验证。

作者

DR.-ING. LEIF ICKERT，德国慕尼黑Vestaro GmbH公司常务董事兼赢创德国汽车复合材料营销经理

Jan Bochinger , 德国慕尼黑Vestaro GmbH公司的轻质复合材料项目工程师，兼Vestalite S生产线项目负责人

Sebastian de Nardo,赢创德国赢创交联剂业务部门应用技术实验室主管

Dinesh Thirunavukkarasu， 德国亚琛工业大学（ika）汽车工程学院车身构造领域研究助理

赢创和Forward Engineering与2016年共同成立合资企业Vestaro，旨在将高度专业化的化学品与工程领域知识相结合。

关于赢创

赢创是全球领先的特种化学品公司。专注特种化工业务、以客户为导向的创新能力以及倡导信任和绩效的企业文化构成了赢创的战略核心，推动其不断提升盈利性增长，实现更高的公司价值。此外，赢创的发展还特别得益于其紧密的客户关系与市场领先地位。赢创的业务遍及全球100 多个国家和地区，员工数量超过32,000名。2018 财年，赢创持续运营业务创造了约133亿欧元的销售额，营业利润（调整后税息折旧及摊销前利润）达21.5亿欧元。

赢创的国际业务分为六个大区，其中北亚区总部位于中国上海。2018年，赢创在北亚区持续运营的业务销售额达19.7亿欧元。赢创视中国为推动全球经济发展的主要驱动力之一，并为实现业务在中国的持续增长而不断努力。目前，我们在中国有超过2500名员工和10个生产基地。

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