La capacidad de producción de la industria automotriz de mi país está creciendo rápidamente y la industria de plásticos de ingeniería automotriz tiene un amplio espacio de desarrollo. Los plásticos de ingeniería están reemplazando a los materiales metálicos y se están expandiendo gradualmente desde las piezas decorativas a las piezas estructurales y funcionales.
El PA es un excelente plástico de ingeniería con propiedades químicas muy estables y excelente resistencia a los lubricantes y la gasolina. En el contexto social de la conservación de la energía y la reducción de las emisiones, la tasa de penetración de los materiales de PA en la industria automotriz está aumentando gradualmente debido a sus ventajas en cuanto a peso ligero, resistencia al calor, resistencia al aceite, retardancia de llama y otros aspectos. En la actualidad, los materiales de PA se utilizan en sistemas de motores de automóviles, sistemas eléctricos y sistemas de chasis, como se muestra en la siguiente tabla.
Fotografía tomada en el stand de Arkema
El uso de PA6 y PA66 representa más del 90% de la cantidad total de diversos materiales de PA. PA11 y PA12 tienen buena flexibilidad, resistencia a la corrosión, resistencia al aceite y estabilidad dimensional, y también se utilizan ampliamente en tuberías de combustible, tapas de combustible, tuberías de freno y otras piezas.
Fotografía tomada en el stand de Arkema
Aplicaciones típicas de los materiales PA6 en automóviles
La caja de la batería se utiliza principalmente para proteger y soportar componentes como módulos de baterías de potencia, sistemas de control de temperatura de baterías y sistemas de gestión de baterías para evitar que el sistema de baterías de potencia se dañe por impactos externos o estrés mecánico. La caja de la batería es de gran importancia para la seguridad mecánica del sistema de baterías de potencia, por lo que tiene altos requisitos en cuanto a propiedades mecánicas como resistencia al impacto y resistencia a la tracción.
En la actualidad, algunas cajas de baterías están hechas de materiales PA, la mayoría de los cuales son materiales PA6. El rendimiento ignífugo también es un indicador de referencia importante para la selección de materiales de caja de batería para vehículos de nueva energía. El índice de oxígeno límite de los materiales PA6 sin modificar es generalmente solo del 20% al 22%, y el grado ignífugo solo puede alcanzar el nivel UL94 V-2, lo que es difícil de cumplir con los estrictos requisitos ignífugos de los vehículos de nueva energía y necesita ser modificado para retardar la llama.
PA6 Foto tomada en el stand de Sanfangxiang
En términos generales, los retardantes de llama utilizados para el PA6 incluyen halógenos, fósforo, nitrógeno y otros tipos. Entre ellos, los retardantes de llama halógenos producen gases corrosivos y humo cancerígeno durante la combustión. Su uso se restringió después de que la Unión Europea emitiera la "Directiva sobre la restricción del uso de determinadas sustancias peligrosas en aparatos eléctricos y electrónicos" a principios de 2003.
En los últimos años, muchos investigadores han realizado investigaciones sobre materiales PA6 ignífugos y libres de halógenos y han logrado numerosos resultados.
Muchas empresas de plásticos de ingeniería también están comprometidas con la investigación y el desarrollo de materiales PA6 ignífugos sin halógenos. Por ejemplo, Lanxess Group ha lanzado tres materiales Tepex basados en PA6-. Los materiales Tepex contienen un alto contenido de fibra, por lo que no solo tienen niveles extremadamente altos de rigidez, resistencia y absorción de energía, sino que también tienen propiedades ignífugas de grado UL94 V-0.
Materiales compuestos ligeros LANXESS a base de poliamida 6
Entre ellos, el Tepex Dynalite 102fr-RG600(x)/47% está reforzado con fibras de vidrio de mecha gruesa. Estas fibras están dispuestas de manera multiaxial, lo que no solo puede lograr buenos efectos retardantes de llama, sino que también se adapta con precisión a las rutas de carga en los componentes. Se puede aplicar a componentes de alto voltaje, como carcasas de unidades de control, particiones y cubiertas de cajas de baterías de vehículos de nueva energía.
LANXESS lanza un soporte de batería fabricado con compuestos termoplásticos reforzados con fibra continua Tepex
La aplicación de PA6 reforzado con fibra de vidrio larga en piezas estructurales de automóviles también se está popularizando gradualmente. La fibra de vidrio atraviesa la matriz de PA6 como un esqueleto de refuerzo, lo que puede mejorar de manera efectiva la resistencia al impacto, la resistencia a la fluencia y la estabilidad dimensional de los productos plásticos. El PA6 reforzado con fibra de vidrio larga tiene muchas ventajas comparables a los metales y es adecuado para fabricar productos modulares automotrices complejos.
Tomemos como ejemplo el travesaño del tablero de instrumentos. El travesaño del tablero de instrumentos está conectado directamente a la carrocería, soporta y transmite la carga de los equipos de interacción hombre-máquina y las piezas decorativas, y forma un sistema de seguridad de la cabina con otros componentes de seguridad, lo que afecta directamente al manejo y la seguridad del automóvil. El travesaño del tablero de instrumentos puede amortiguar la fuerza de impacto transmitida por la cabina delantera durante una colisión frontal y proporcionar soporte para la explosión del airbag del pasajero.
Además, el sistema compuesto por el travesaño del panel de instrumentos, el volante y la columna de dirección debe cumplir ciertos requisitos modales NVH para evitar la resonancia.
El travesaño del panel de instrumentos PA6 reforzado con fibra de vidrio se ha desarrollado con éxito y se ha utilizado ampliamente en algunos modelos. Si bien cumple con la rigidez y la resistencia que debe tener el travesaño del panel de instrumentos como componente de soporte de carga, el travesaño del panel de instrumentos PA6 reforzado con fibra de vidrio tiene una excelente resistencia a la fluencia y a la fatiga, así como una excelente resistencia al impacto a altas y bajas temperaturas. El diseño del travesaño del panel de instrumentos totalmente de plástico no solo mejora la eficiencia de producción, sino que también ayuda a lograr los objetivos de peso ligero y NVH.
Aplicaciones típicas de los materiales PA12 en automóviles
En el campo de los vehículos con motor de combustión interna tradicionales, grandes empresas de plásticos de ingeniería como DuPont, Arkema y Basf han desarrollado materiales PA12 con diferentes grados de resistencia a la temperatura, que se utilizan ampliamente en oleoductos y gasoductos, como tuberías de llenado de tanques de combustible, tuberías de suministro de combustible, tuberías de ventilación del cárter, tuberías de admisión del motor y tuberías de freno de vacío.
Fotografía tomada en el stand de BASF
Fotografía tomada en el stand de Evonik
Sin embargo, dado que la resistencia a altas temperaturas del PA12 no es excepcional, no se puede utilizar durante mucho tiempo en tuberías con altas temperaturas de trabajo. Por ejemplo, las tuberías de agua de refrigeración del motor de los vehículos con motor de combustión interna generalmente todavía utilizan tuberías de metal o caucho en lugar de tuberías PA12. En términos generales, la temperatura de funcionamiento del sistema de refrigeración del motor de los vehículos de nueva energía es generalmente inferior a 80 grados, y la temperatura de funcionamiento del sistema de refrigeración de la batería es generalmente inferior a 60 grados. El material PA12 puede cumplir plenamente los requisitos de resistencia a la temperatura del sistema de refrigeración de los vehículos de nueva energía.
En comparación con las tuberías de caucho, las tuberías PA12 pueden reducir eficazmente la calidad del sistema. La densidad de PA12 es de 1,02 g/cm3, mientras que la densidad del caucho EPDM que se suele utilizar en las tuberías de automoción tradicionales es de 1,1~1,2 g/cm3. Al mismo tiempo, la pared de las tuberías PA12 es relativamente fina. Si tomamos como ejemplo una tubería con un diámetro interior de 15~18 mm, la tubería de agua PA12 tiene solo 1,25~1,5 mm, mientras que el espesor de la pared de las tuberías de caucho EPDM suele ser de 3,5~4 mm.
Fotografía tomada en el stand de UBE Manguera UBE PA12
Un cálculo exhaustivo muestra que el uso de material PA12 puede reducir el peso de la tubería en un 65 %. Por ejemplo, un determinado modelo de Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. adopta la solución de tubería PA12. En comparación con las tuberías tradicionales de metal y caucho, la masa del sistema de tuberías se reduce en un 56 %.
Además, dado que el material de caucho EPDM tiene una baja rigidez, si se utiliza para tuberías más largas, es necesario establecer más puntos fijos. Por lo tanto, en el sistema de refrigeración de los vehículos con motor de combustión interna tradicionales, las tuberías más largas generalmente están hechas de materiales metálicos y los materiales de caucho EPDM solo se utilizan en la parte de transición. En el esquema de combinación de tuberías de metal y tuberías de caucho, hay una gran cantidad de piezas de transición, lo que no solo aumenta en gran medida la cantidad de piezas, sino que también aumenta el riesgo de fugas.
La tubería PA12 tiene una alta rigidez y se puede fabricar una tubería de agua completa mediante un método de moldeo integrado, lo que reduce de manera efectiva la cantidad de piezas y mejora la confiabilidad del sistema. Por ejemplo, un determinado modelo de Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. adopta la solución de tubería PA12. En comparación con las tuberías tradicionales de metal y caucho, la cantidad de piezas en el sistema de tuberías se reduce en un 77%. En comparación con las tuberías de metal y caucho, las tuberías PA12 son más livianas, más rígidas, ocupan menos espacio y tienen una mayor confiabilidad, lo que tiene un gran valor promocional en los vehículos de nueva energía.
Además, muchos investigadores han llevado a cabo investigaciones sobre tuberías PA12 que satisfacen las necesidades de otros escenarios específicos. Por ejemplo, la empresa japonesa Toray y Polyplastics-Evonik han desarrollado conjuntamente un tubo extruido de tres capas. La capa exterior de material PA12 y la capa interior de material de resina de sulfuro de polifenileno PPS de este tubo extruido están unidas entre sí con un adhesivo especial. No solo puede soportar una temperatura alta de 130 grados, sino que también tiene buena resistencia a la hidrólisis y resistencia al calor. Se puede utilizar en sistemas de tuberías de refrigeración de automóviles con requisitos de temperatura más altos.
Debido a que el PA12 tiene una buena resistencia a la permeabilidad de la gasolina, se ha comprobado que es un material seguro y confiable para tuberías de combustible. Sin embargo, con la aparición y el uso de combustibles mixtos con metanol o etanol, se han impuesto requisitos más altos a la resistencia a la permeabilidad de las tuberías de combustible. El metanol o el etanol en combustibles mixtos tienen una fuerte permeabilidad y solubilidad, lo que puede provocar fácilmente que los hidrocarburos se filtren y, por lo tanto, no cumplan con los estándares ambientales pertinentes.
Zhang Ying ha llevado a cabo trabajos de investigación y desarrollo sobre tuberías de combustible para automóviles de baja permeabilidad y baja precipitación. A través de un análisis profundo de las propiedades físicas de diversas materias primas, desarrollamos materiales que se pueden utilizar en las tuberías de combustible y desarrollamos tuberías compuestas de cinco capas con estructura simétrica PA12 que cumplen con los estándares de baja permeabilidad de las tuberías de combustible, así como un sistema de ensamblaje de tuberías de combustible compuesto por tuberías compuestas.
Aplicaciones típicas de los materiales PA66 en automóviles
En el marco de la tendencia general de "reemplazar el acero por el plástico" en la reducción de peso de los automóviles, el PA66 ha aportado un valor excepcional tanto a los vehículos con motor de combustión interna tradicionales como a los vehículos de nueva energía, haciendo realidad de forma directa o indirecta la visión social de las bajas emisiones de carbono. En el proceso de producción de piezas, el PA66 se puede formar rápidamente en el molde con una velocidad de cristalización diez veces superior a la del PA6, lo que mejora enormemente la eficiencia de producción.
PA66 Foto tomada en el stand de Sanfangxiang
En comparación con el PA6, el rendimiento del PA66 también es extremadamente sobresaliente, con mayor estabilidad dimensional, menor absorción de agua y mayor punto de fusión. El PA66 se utiliza ampliamente en diversos sistemas automotrices con el fin de mejorar la economía del vehículo y reducir las emisiones de gases nocivos, manteniendo o superando la potencia de salida existente.
Si tomamos como ejemplo el colector de admisión, los primeros colectores de admisión de los vehículos con motor de combustión interna utilizaban principalmente materiales PA6. Con la aplicación de sobrealimentadores integrados y la compacidad de los motores, los requisitos de resistencia a la temperatura de los colectores de admisión han aumentado de 130 grados a 200 grados, y los fabricantes de equipos originales han tendido gradualmente a elegir PA66 con un punto de fusión más alto para lograr mejoras de rendimiento.
Otra aplicación típica del PA66 es el soporte del motor o del motor de accionamiento. En los primeros tiempos, estas piezas estructurales se fabricaban generalmente de acero o aleación de aluminio. Debido a que el material PA en sí tiene un efecto de amortiguación y reducción de la vibración, la aplicación de productos reforzados con fibra de vidrio PA66 en los soportes del motor y del motor de accionamiento puede reducir eficazmente la vibración y el ruido del motor o del motor de accionamiento.
Soporte del motor Asahi Kasei PA66 Fuente: Asahi Kasei
Además, dado que el PA66 puede soportar temperaturas de horneado de pintura de 160 a 180 grados, su integración en la carrocería del vehículo no solo ayuda a mejorar las propiedades mecánicas de la carrocería, sino que también, cuando el vehículo choca, el material reforzado con PA66 puede absorber eficazmente la energía de la colisión, maximizando la protección del conductor y los pasajeros y la batería de energía. También puede reducir el peso de la carrocería del vehículo en más del 30%, mejorando el manejo y la autonomía del vehículo.
Sensor de velocidad y resolución de motor de nailon 66, tomados en el stand de BASF
En cuanto a la investigación de nuevos materiales PA66, muchos investigadores también han desarrollado materiales PA66 adecuados para piezas específicas de automóviles. Por ejemplo, los cargadores de a bordo, los controladores CC/CC, los calentadores PTC y las cajas de conexiones de alto voltaje en vehículos de nueva energía son todos componentes de alto voltaje. Los conectores de alto voltaje entre componentes de alto voltaje y mazos de cables de alto voltaje a menudo utilizan PA66 reforzado con retardante de llama libre de halógenos, especialmente PA66 retardante de llama organofosforado.
La PA66 reforzada con retardante de llama libre de halógenos tiene buenas propiedades ignífugas y propiedades mecánicas, pero su precio fluctúa mucho debido al suministro de materias primas anteriores. El suministro de materias primas de PA6 es suficiente y el precio es relativamente bajo. Por lo tanto, la aleación PA66/PA6 reforzada con retardante de llama libre de halógenos se ha convertido en una solución tecnológica alternativa prometedora.
Ye Bingbing et al. estudiaron los cambios en las propiedades ignífugas, propiedades eléctricas, propiedades mecánicas y resistencia al calor de la aleación PA66/PA6 reforzada con retardante de llama cuando las proporciones de PA66 y PA6 eran diferentes. Descubrieron que a medida que aumentaba la proporción de PA6, el índice de tenacidad de la aleación aumentaba ligeramente, pero el rendimiento ignífugo y la resistencia mecánica disminuían ligeramente. A medida que disminuye la proporción de PA6, la resistencia a la tracción disminuye, pero la tenacidad aumenta significativamente.
El PA66 también se utiliza en cajas de baterías de vehículos de nueva energía. Liu Ying et al. realizaron una investigación sobre las propiedades mecánicas del PA66 reforzado con fibra de carbono picada con diferentes contenidos de fibra, y realizaron una evaluación del rendimiento y un análisis de simulación de la aplicación del material en cajas de baterías ligeras. Los resultados de la investigación muestran que, en comparación con la caja de batería de metal, la caja de material PA66 reforzado con fibra de carbono picada es un 84% más ligera en masa y la tensión máxima de la caja se reduce entre un 30% y un 50% en carreteras con baches y curvas cerradas. Al mismo tiempo, también se descubrió que el contenido de fibra de carbono tiene un mayor impacto en el desplazamiento máximo de la caja de la batería. El aumento del contenido de fibra de carbono puede reducir significativamente el desplazamiento de la caja en carreteras con baches y curvas cerradas.
Concepto de paquete de baterías de estado sólido, tomado en el stand de BASF
En la actualidad, la mayoría de las tiras laminadas de más de 30 cm que se utilizan en automóviles están hechas de PA66. El PA66 tiene poca tenacidad en condiciones de baja temperatura y necesita ser endurecido y modificado para que resista al frío.
Lu Daguang et al. utilizaron un método de mezcla de doble tornillo para seleccionar diferentes tipos de agentes endurecedores y materias primas PA66 con diferentes viscosidades para preparar materiales PA66 endurecidos resistentes al frío adecuados para tiras laminadas para automóviles.
El PA66 tiene buena resistencia al calor, resistencia a la corrosión y tenacidad, y puede reemplazar al PA de cadena larga como el material de elección para las tuberías de agua de PA para automóviles. Sin embargo, debido a la presencia de grupos amida fuertemente polares en la cadena molecular del PA66, este es propenso a deformarse e hidrólisis cuando entra en contacto con el refrigerante.
En respuesta a este problema, Zhang Songfeng et al. primero mezclaron y modificaron el material PA66 agregando agentes endurecedores y agentes resistentes a la hidrólisis para mejorar su resistencia a la hidrólisis y tenacidad, y luego utilizaron procesos de extrusión de mangueras convencionales para probar los materiales modificados para la extrusión de mangueras, y desarrollaron con éxito tuberías de agua de enfriamiento para automóviles con PA66 como cuerpo principal. A través de las pruebas, la resistencia al estallido de la manguera PA66 modificada mezclada es mayor a 2,6 MPa, y su costo de material se reduce en un 40%, solucionando el problema del proceso de producción complejo y el alto precio de la manguera PA de cadena larga.
En resumen, la cantidad de plástico utilizado en los vehículos puede utilizarse como uno de los indicadores para medir el nivel de diseño y fabricación de automóviles hasta cierto punto. En la actualidad, la cantidad de plástico utilizado por unidad de vehículos con motor de combustión interna en los países desarrollados es de unos 150 kg, de los cuales el PA representa alrededor del 20%. La cantidad actual de PA utilizada por unidad de vehículos con motor de combustión interna domésticos es de unos 8 kg, que se espera que alcance los 15 kg en 2025 y se espera que aumente a 30 kg en 2030. En cuanto a la cantidad de PA utilizada en vehículos de nueva energía, en referencia al Tesla Model 3 y otros modelos, se estima que la cantidad de PA utilizada por unidad de vehículos de nueva energía en 2030 puede llegar a los 50 kg.
Según las estadísticas de la Conferencia Conjunta de Información sobre el Mercado de Automóviles de Pasajeros de China, las ventas nacionales de vehículos con motor de combustión interna en 2022 serán de 14,2 millones de vehículos, una disminución interanual de 2,302 millones de vehículos, y los vehículos con motor de combustión interna están perdiendo participación de mercado a un ritmo alarmante. Los fabricantes de automóviles nacionales y extranjeros generalmente anuncian que dejarán de desarrollar vehículos con motor de combustión interna alrededor de 2030, después de lo cual los vehículos con motor de combustión interna se retirarán gradualmente del escenario de la historia.
Al mismo tiempo, el mercado de vehículos de nueva energía ha experimentado un rápido desarrollo. En la Conferencia de Cien Personas sobre Vehículos Eléctricos de China, Ouyang Minggao, académico de la Academia de Ciencias de China, predijo que las ventas nacionales de vehículos de nueva energía alcanzarán entre 7 y 9 millones en 2025 y entre 17 y 19 millones en 2030. El Instituto de Investigación de Valores de Huaan estima que el uso de materiales de PA para automóviles alcanzará los 1,44 millones de toneladas en 2030.
En resumen, el avance de la tecnología de motores, la transformación de los automóviles a nuevas energías y el desarrollo de automóviles ligeros han promovido de manera efectiva la mejora de los niveles de ahorro de energía y reducción de emisiones y la eficiencia operativa social, al mismo tiempo que han generado enormes mercados incrementales para la aplicación de plásticos de ingeniería como el PA. En el futuro previsible, la demanda de materiales de PA por parte de la industria automotriz seguirá aumentando, y la industria de materiales de PA ha entrado en un período de rápido desarrollo.
