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大放“光”彩,亚克力(PMMA)在汽车上的应用
亚克力

即聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate),简称PMMA,是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的一种高分子聚合物,又称作有机玻璃,具有高透明度、高耐候性、高硬度、易加工成型等优点,是经常使用的玻璃替代材料。


  图片 
PMMA分子式
     图片PMMA粒子  图源:盛禧奥


PMMA的相对分子质量大约为200万,而且形成分子的链较为柔软,因此PMMA的强度比较高,抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7~18倍。其作为有机玻璃时,即使破碎,也不会像普通玻璃那样产生迸裂的碎片。
       图片破碎的有机玻璃   图源:网络

PMMA是目前光学性能最优良的透明高分子材料,透光率达到92%,比玻璃及PC的透光率高,这也成为其许多应用的最重要基础特性。   


图片 图片

PMMA透镜  图源:盛禧奥


PMMA的耐候性在常用塑料里也是首屈一指的,其在汽车外饰耐候测试标准SAE J2527下,可满足3500-4000 KJ/m2的耐候性测试,远高于普通PC、PA等塑料。另外,PMMA的铅笔硬度可达到2H,也远高于PC等其他普通塑料,具有很好的表面耐刮擦性。

亚克力的研究开发,距今已有一百多年的历史。


  • 1872年丙烯酸的聚合性被发现;

  • 1880年甲基丙烯酸的聚合性为人知晓;

  • 1901 年丙烯聚丙酸脂的合成法研究完成;

  • 1927年运用前述合成法尝试工业化制造;

  • 1937年甲基酸脂工业制造开发成功,由此进入规模性制造。

  • 二战期间因亚克力具有优异的强度及透光性,首先被应用于飞机的挡风玻璃,坦克司机驾驶室的视野镜。盛禧奥公司旗下的Plexiglas@品牌最早在北美实现商业化生产PMMA板材。

  • 1948年世界第一只亚克力浴缸的诞生,标志着亚克力的应用进入了新的里程碑......


PMMA因其优异的特性,已经在汽车、电子与家电、消费品、照明、建筑与建材、医疗等领域有着广泛的应用。今天我们着重讲讲它在要求比较严苛的汽车领域的应用。

PMMA在汽车领域的应用


总的来说,PMMA在汽车的尾灯、仪表盘面罩、外立柱和装饰件、内饰灯、后视镜外壳等领域都有应用。其主要用于需要透明、半透明以及高光泽度等领域。
       图片PMMA在汽车上的应用   图源:盛禧奥

这些领域的零部件有不同的试验大纲,对材料的性能要求也有所不同。以吉利汽车对纯PMMA材料要求为例,其材料标准部分要求如下。


性能

要求

密度( g/cm3 )

1.18 ± 0.02

拉伸强度( MPa )

≥ 60

简支梁无缺口冲击强度 ( kJ/m2 )

≥ 14

弯曲强度 ( MPa )

≥ 90

弯曲模量 ( MPa )

≥ 3000

维卡软化温度 (°C )

≥ 100

透光率 (%)

≥ 90 (仅针对无色透明材料)

耐热老化性

(100 ± 2) °C * 400  h 样品无分解现象

耐光老化性

满足 Q/JL J160004 的要求

耐刮擦性(仅针对高光免喷涂外饰部件)

ΔL ≤ 2.0



尾灯

汽车车灯分为前灯和尾灯,其灯罩等部件需要使用透明材料。前照灯与雾灯灯罩多使用聚碳酸酯PC类材料,这是因为在行驶过程中前灯使用的时间往往比较长,同时汽车行驶时对灯罩的耐冲击要求较高。例如,在夜晚或者大雾的时候,前照灯或者雾灯就需要长时间开启,对车灯的导光性能和耐热性能要求都较高,PC的Tg达145℃,可满足110-120℃的长期使用。但PC用于前灯也存在着工艺复杂、成本较高、易老化等缺点。
       图片PC用于前灯 图源:智能汽车俱乐部

尾灯则一般是转向灯、刹车灯等,灯光强度较低、使用时间较短,因此对耐热要求相对较低,多采用PMMA材料,PMMA透光率92%,高于PC的90%,折射率1.492 ,耐候性好,表面硬度高,是尾灯的面罩、反射器、光导的理想材料。由于较高的硬度,PMMA有很好的耐刮擦性能,作为外配光镜材料使用时无需进行表面保护,可直接使用。而光散射PMMA具有较高的散射特性,易实现均匀的点亮效果,是当前尾灯应用的重点材料之一。
       图片PMMA用于尾灯   图源:盛禧奥

PC与PMMA性能对比

性能

PC

PMMA

冲击强度

☆☆☆☆

☆☆

透光性

☆☆☆☆

☆☆☆☆☆

耐热性

☆☆☆☆

☆☆☆

耐候性

☆☆☆

☆☆☆☆☆

耐刮擦性

☆☆

☆☆☆☆


仪表盘面罩

仪表盘面罩主要起着保护仪表,准确显示仪表数据的作用。仪表板面罩要有高的透明度,足够的强度、刚度,有良好的尺寸稳定性,在太阳光辐射和发动机余热的高温下不变形,在长期高温下不变形、不失效、不影响各仪表的精确度。
       图片PMMA用于仪表盘面罩   图源:盛禧奥

还要有适当的装饰性,格调幽雅,反光度低,给人以宁静舒适的感觉;耐久性好,使用寿命10年以上;挥发性低,耐汽油、柴油和汗液的腐蚀。仪表板面罩一般是注塑成型,PMMA使用较多。

外立柱和装饰件

汽车外立柱分为ABC柱,其性能要求主要是高光泽(一般为钢琴黑),高耐候,高耐热,耐刮擦,常用方案有ABS+喷漆,PP+喷漆及PMMA+ABS双层挤出方案,以及增韧PMMA方案。PMMA相比于喷漆方案,可以免去喷涂流程,更环保,成本更低,逐渐成为主流方案。
       图片 
PMMA用于外立柱  图源:汽车之家
       图片车前装饰件  图源:汽车之家

内饰灯

内饰灯包括阅读灯和氛围灯。阅读灯是汽车内部照明系统的一部分,通常安装在前车顶或后车顶上。为防止光污染,阅读灯一般要对光线进行散射处理,可使用哑光或者磨砂的PMMA或者PC方案。
       图片阅读灯 图源:bing

氛围灯是一种能够营造舒适氛围、提升整车质感的起到装饰作用的照明灯。氛围灯使用的导光条按照其质地分为软质与硬质两种。硬质导光条质地偏硬,无法弯曲,一般通过注塑或挤塑成型,材质以PMMA、PC等具备透明性的材料为主。
       图片PMMA导光条  图源:智能汽车俱乐部

这里需要提出的是,针对超长导光条及散射光需求,盛禧奥专门推出了

AltuglasTM V825T-LPL (普通耐热级别超长导光规格)和AltuglasTM Diffuse 502 (光扩散规格)两个PMMA牌号。其中V825T-LPL具有比普通PMMA更好的导光性,更低的黄化指数和光吸收性,同样厚度或者同样长度时导光率明显高于普通PMMA。


              AltuglasTM V825T-LPL和普通PMMA
导光性对比 

图片


AltuglasTM V825T-LPL适合用于超长导光条应用,既可用于内饰,也可用于外饰。

       图片   AltuglasTM V825T-LPL 用于内饰氛围灯 

图源:盛禧奥

    图片   AltuglasTM V825T-LPL 用于外饰导光条 

图源:盛禧奥


AltuglasTM Diffuse 502是具有光散射效果的PMMA材料,可营造柔和、质感、轻松的光学氛围。

       图片AltuglasTM Diffuse 502 用于顶部控制板 

图源:盛禧奥

后视镜外壳

后视镜外壳主要要求较高的光泽度和黑亮度,同时要求较高的抗冲击强度、耐刮擦性能和耐候性能。由于镜壳形状一般为曲面,容易产生应力,因此对加工性能和韧性要求比较高。常规方案有ABS喷漆,但工艺污染严重,工序多,采用PMMA方案可实现免喷涂,不过一般此处要采用增韧级别的PMMA材料,以满足其试验大纲中的跌落实验等项目。

       图片PMMA免喷涂材料用于后视镜外壳  

图源:汽车之家


以上是PMMA在汽车中的一些常规应用,都是与光学或者外观有关,要么需要透光,要么需要钢琴黑等高光黑效果,可以说PMMA为汽车增加了很多“光彩”。

由于PMMA的耐热相对PC较低,难以满足前灯使用中高耐热的要求,所以一般在前灯应用相对较少。但是,来自盛禧奥的高耐热PMMA材料克服了相关缺陷,越来越多地在汽车前灯系统的部件中被采用!

PMMA在前灯透镜的应用


前文讲过,PC用于汽车前灯的主要优势在于高耐热及高抗冲击性,可以满足110℃以上的使用温度,但是PC的光学性能并不及PMMA,比如透光率低于PMMA,长导光条的光线损失率也高于PMMA,长期使用后的黄变也比PMMA更严重。那么,PMMA在前灯如何找到用武之地呢?

        

图片

光线在长导光条中的传播      

图源:盛禧奥

前灯灯罩由于耐冲击要求高、使用时间长、聚集热量多等因素,一般还是使用PC材料。而前灯透镜则要求温度相对较低,特别是LED大灯的流行,为PMMA在前灯透镜的应用开创了条件。2014年后,汽车全LED大灯流行,玻璃透镜慢慢退出市场,逐渐被PMMA替代。

       图片高耐热AltuglasTM HT121用于前灯透镜 

图源:盛禧奥


在透镜中,PMMA替代玻璃的优势有:
1. 容易造型设计、加工成型,特别一些特殊的光学设计;用玻璃只能是圆的,还要进行抛光等操作;

2. 生产效率高,现在一些车灯厂在做透镜标准化,比如聚光器和透镜一体化,大批量生产的话,PMMA注塑生产更可保证供货稳定性;

3. 轻量化,PMMA密度是玻璃的近一半;

4. 玻璃不可回收,PMMA可回收使用。


一般来说,根据汽车的定位等级和前灯透镜设计不同,前灯透镜要求不同使用温度等级。要求温度在85-90℃时,常规PMMA即可满足使用要求,可直接替代玻璃,如盛禧奥耐热AltuglasTM V825, AltuglasTM V825T。

使用温度较高,在95-105℃时,可采用高耐热PMMA方案,如盛禧奥高耐热AltuglasTM HT121,可满足汽车公司的长期点灯实验,而常规PMMA不到24小时就会发生变形。当使用温度要求在110℃以上时,仍需使用玻璃或其他高耐热材料。

       图片高耐热AltuglasTM HT121用于前灯透镜 

图源:盛禧奥


盛禧奥高耐热PMMA


盛禧奥高耐热AltuglasTM HT121在保证高耐温要求的同时,所制成的前灯透镜的造型相对玻璃透镜可以复杂很多,而且重量更轻,方便批量化生产。而且现在有些车灯透镜和聚光器一体化设计,也可采用高耐热AltuglasTM HT121,以实现更好的光学效果。
       AltuglasTM HT121具有良好的耐热性能

除此以外,针对较长的导光条,比如达到500-700mm以上时,PC及普通耐热PMMA光线损失严重的问题,盛禧奥专门推出了AltuglasTM HT121-LPL材料。
       图片 AltuglasTM HT121-LPL用于长导光条

AltuglasTM HT121-LPL在保持高耐热的同时,有着更高的透光率和更低的雾度(Haze),可以使光源的光线在导光条中更高通量、更长距离地传播。
       图片AltuglasTM HT121-LPL & HT121-102与PC材料性能对比
AltuglasTM HT121-LPL优秀的传导效率可降低对LED光源功率的要求,起到节能作用,另外它还具有好的耐化学品性和耐候性能。
参考资料:盛禧奥,智能汽车俱乐部,互联网资料。



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