塑料用于汽车时,汽车工业已经诞生了大约50年,从那时起,对于汽车来说,塑料同钢材一样重要。20世纪50年代,OEM汽车公司首先重视在汽车上使用塑料。塑料在汽车上的早期应用大多是汽车简单零部件。自60年代开始为达到汽车轻量化从而降低制造成本与节省燃油费用的目的,汽车塑料化得到了重视,其技术也迅速发展。目前,国外轿车用塑料占车重的5%~12%。日本轿车塑料用量90~110 kg/辆,约占车重的10%;美国140 kg/辆,约占车重的13%;欧洲80~120 kg/辆,约占车重的11%。 油箱塑料化是汽车塑料化的一个重要方面。由于塑料油箱具有金属油箱不可替代的优点,因而世界各国和地区对其研究和应用已越来越多。据加拿大Kautex发展公司统计,1995年北美60%~70%的小汽车和轻型卡车使用了塑料油箱,美国的塑料油箱产量达500万只。1997年以后福特汽车公司生产的汽车塑料油箱使用率达100%。 1塑料油箱的历史〔1,2〕
由于HDPE具有优异的综合性能,本世纪中叶受到了人们的重视。50年代西德人开发出了塑料燃油箱的雏形,即用HDPE制成的汽车燃油贮罐。并且在1963年,用5 L容器进行了应用试验,1966年,已经有部分汽车装上了这种HDPE燃油贮罐。
HDPE塑料油箱的研制工作始于1967年,由西德的Porsche公司进行。1969年制造出了赛车Porsche 911用的100 L聚乙烯油箱,并且还用到了Pkw小型车上。1972年德国大众(VW)汽车制造厂还把塑料油箱限量成套装配到VW甲壳虫中型汽车上,这为应用到大型汽车积累了生产和实践经验。1973年,西德大众汽车公司和Kautex塑料机械厂及BASF公司联合研制,Passat车批量装备了55 L HDPE塑料油箱。
从那时起,不仅解决了塑料油箱燃油渗透,还解决了输油管路等的渗油问题,消除了之前人们对塑料油箱的种种偏见。塑料油箱代替金属油箱不断地取得进展。
在美国,1973年Bronson公司开始生产塑料油箱。福特汽车公司从1974卫星电视解码器年开始进行汽车塑料油箱的应用试验,它制造的Aerostar车成功地使用了塑料油箱,其它几个美国汽车制造厂也将塑料油箱用到了轻型车上。从1984年开始,德国大众汽车公司将塑料油箱安装在该公司在美国装配的大轿车上,1996年北美洲生产的汽车中约有1/4采用了塑料油箱。
在日本,1977年日本运输省颁布了最初的塑料燃油容器标准,允许在日本国内汽车上使用塑料油箱。在此之前,1976年丰田汽车公司向欧洲出口的“セリガ”和“ガリ ナ”汽车上使用了EHMW-HDPE汽油箱。1984年日产汽车公司根据与VW的合同开始生产销售Santana汽车,
其上使用了HDPE汽油箱。另外,在日本市场上还出现了从西德进口、并装有HDPE油箱的汽车,这些汽车均通过了日本运输省的检验标准。
今天塑料油箱的使用越来越多,应用前景越来越广阔。
2 国外研究现状及趋势
与金属油箱相比,塑料燃油箱具有以下优点:重量轻40%~50%;形状有更大的自由度,可最大限度地利用汽车座位底下的有效空间,增加了油箱的体积,提高了汽车空间利用性;模具研制周期短,约为金属油箱的1/3;安全可靠性不亚于金属油箱。VW汽车公司曾用Raddit牌(金属油箱)和New Golf牌(HDPE油箱)小轿车进行对比试验。当以55 km/h速度进行撞车试验时,HDPE油箱因塑性好而表现出更好的适应能力。把两者装满水从7.8 m工业合成氨高处进行自由落下试验时,金属油箱从焊缝处开裂,而塑料油箱不裂。在-18℃用重锤以120 N·m的冲击能进行落锤冲击试验时,两者呈现相当的结果〔2〕。塑料的传热性低,着火可软化,燃油常压流出,不会象金属油箱那样发生爆炸,另外,其耐腐蚀性好。金属油箱内表面需要镀耐腐蚀合金。否则易被含乙醇等的燃油腐蚀而降低力学性能和阻透性能。
汽油化学结构与HDPE类似。这样,采用普通聚乙烯容器存储这类溶剂时,其有效成分会湿润HDPE油箱表面,逐渐扩散到容器内部并渗透到外界而气化损失掉。这也是HDPE燃油箱的缺点,即其对燃油有效成分的阻透性能较低。世界各国关于塑料油箱的研究焦点也主要集中在解决这个问题上。
随着各国环保和安全要求的不断提高,对油箱阻透性能的要求越来越苛刻。关于油箱燃油渗漏各地区的法规也不断改进。如:在欧洲,主要根据ECE规则34·5章。据此,油箱40℃、8周内平均燃油损失不得超过20 g/d。而美国、日本和澳大利亚对油箱阻透规定又严格了一些。如在美国,测量的不仅是油箱的燃油质量损失,而且是整个燃油系统燃油损失,包括油箱、油管、接头等,测量方法为气相谱法,即所谓SHED试验(Sealed Housing for Evaporating Determina-tion),要求不超过2 g/2 h。1995年美国加州又提出2 g/d的CARB法规。实际上一些汽车制造商的目标是渗漏率0.2 g/d。现在，塑料油箱最苛刻的标准是美国环保署的标准要求。许多工业国家也在不断提高阻透要求。
制造塑料油箱的塑料以HDPE综合性能为最好〔3〕。但普通的一种HDPE制成的油箱的阻透性能有限,为满足更高阻透要求,出现了改性HDPE油箱、多层油箱、表面处理油箱。除此
之外,为满足和提高塑料油箱耐温性、耐火性及耐冲击性能的要求,也出现了一些相应方法和措施的油箱。下面就此作一介绍。
2·1 单层油箱
生产单层塑料油箱的原料主要有高密度聚乙烯和聚乙烯混合物两种。
高密度聚乙烯是指EHMW-HDPE,分子质量一般在20万以上,熔体流动速率为4~12 g/10min(21.6 kgf/cm2≈2.16 MPa),密度0.945 g/cm3左右。著名牌号有德国BASF公司的4261 A和Hoechst公司的GM7746;美国Phillips公司的HXM 50100;日本Showa Denko(昭和电工)的4551 Z和东燃油化的B 5742。另外,还有德国Huls的AX4013。
聚乙烯混合物可分为层状掺混物[4~8]和非层状掺混物。
美国Du Pont公司砂浆回收80年代初研究成功Selar RB层状掺混技术。即阻透聚合物(如改性PA认证机构管理系统或非结晶PA)与聚烯烃(如HDPE)、少量相容剂干混,用混炼适度的挤吹机挤出吹胀,在容器壁内形成层状结构,使阻透物呈许多非连续阻透薄片(厚一般为0.5~50μm),分布在塑料围嘴HDPE基料中。
该技术的要点是共混物在挤出机内的混炼程度。当混炼不足时,通柜阻透物的伸展不够充分,阻透性能改善小。若混炼过于强烈,阻透物全被粉碎成小微粒分散在基料中,也不能有效地提高阻透性能。因此,生产时应采用低混炼的挤出机。
该技术对卤代烃、芳香烃和脂肪烃的阻透性能有极大的提高(可达140倍);对酮、酯、醚甚至气态氧等含氧溶剂的阻透性能也有一定提高(达10倍左右);但对极性、低分子量的溶剂(如水和某些醇)的阻透性能没有提高。
从图1可看出,在HDPE中加入18%Selar RB 214后,油箱的阻汽油渗透性有明显提高。通常对盛烃类燃油的油箱,采用PA作阻透物;对盛含甲醇燃油的油箱,则采用EVOH。
Solvay公司开发的类似技术是使用聚亚烷基亚酰胺,其中,HDPE为连续相,聚亚烷基亚酰胺为分散相,也呈微片分布,起阻透作用〔9〕。
Showa Denko公司用高腈树脂作分散相,使高腈树脂微片分布阻透,开发了耐乙醇溶胀和高度阻透含乙醇燃油的系列塑料油箱专用料〔10,11〕。
非层状掺混物由多种聚合物混合而成。如Showa Denko公司开发的专用料为HDPE、不饱
合羧酸改性HDPE、ULLDPE的三元混合物。齐鲁石化公司树脂加工应用研究所的专用料是HDPE(A)、HDPE(B)、LLDPE、添加剂和填料的多元混合物。
