新能源汽車用阻燃材料解決方案

一、汽車零部件用阻燃塑料未來發展方向

這些材料在阻燃這個安全問題上的表現其實并不盡如人意。所以阻燃及其相關產業在近年來的討論度也喧囂塵上。今天我們就來看看，從汽車零部件的角度出發，阻燃材料未來都有哪些發展方向，以及各種阻燃材料都有哪些應用。

目前，用于汽車零部件的常見阻燃材料類型有PP、PA、PU、PC、ABS材料，以及由它們組成的各種改性材料和復合材料。

相比于傳統燃油車，新能源汽車新增了電池組模塊、充電樁及充電槍等部件，單臺新能源車電池組模塊工程塑料的使用量約30kg，新能源車塑料殼體目前主要使用改性PP，以及改性PPS、PPO等耐高溫塑料。

充電樁由于較高的使用標準和嚴苛的使用環境對工程塑料需求較大，每個充電樁約需6kg工程塑料，目前常見的主要有PBT、PA和PC等。

汽車保有量的提升，讓汽車自燃起火事故也層出不窮。所以當材料應用于汽車部件時，必須考慮材料的阻燃防火性能是否能夠達到國家標準。

一般來說，制備阻燃塑料時大多會將其極限氧指數LOI提升到25-35%左右，才能有效提升汽車整體安全指數。此外，加上目前電氣化和碳中和的雙重背景，塑料這種以石油為原料的產品，以及各種含有鹵素的阻燃劑，都將會受到更多限制。所以，未來阻燃塑料的發展方向，除了需要足夠的機械性能，以滿足輕量化需求之外，電動汽車等領域還會需要材料注重阻燃、電氣、加工、環保方面的要求。

二、阻燃材料在汽車零部件上的應用

目前，在汽車承重件、新能源車電池組等汽車零部件中，隨處可見高分子材料應用的身影。高分子材料在車用零部件中的應用，以及提升汽車安全性的需求，促進了阻燃型高分子材料的發展。當下應用的阻燃高分子材料主要以PP、PU、ABS和PC為主，根據汽車零部件的特殊需求也相應有復合材料（合金化）、PA、PBT和PMMA等材料的使用。

【1】阻燃PP

PP是車用塑料中用量最大的高分子材料，具有優異的耐化學腐蝕，并且加工過程簡單、成本低。目前廣泛應用于汽車儀表盤、電池包外殼、門護板、立柱、座椅護板、保險杠等。但由于未添加阻燃劑的PP阻燃性能很差，其LOI僅為17. 8%，非常容易燃燒。

國內外對汽車阻燃用PP研究主要圍繞對聚丙烯基體進行改性，同時通過添加低毒、無鹵阻燃劑，開發具有優異力學性能和阻燃功效的聚丙烯復合材料，以滿足汽車零部件的阻燃需求。

目前，適用于PP的阻燃劑主要為添加型阻燃劑，應用較多的有鹵系阻燃劑（如溴系阻燃劑、溴-銻協效阻燃體系）、無機填充型阻燃劑（如氫氧化鎂、氫氧化鋁）、磷氮系（如MPP、APP、MCA、磷腈、磷酸酯等）以及膨脹型阻燃劑（IFR）。

正如我們上文所說，隨著嚴苛的環保政策的施行，高分子材料用阻燃劑無鹵化已是大勢所趨。結合具體案例來看，目前已經有以PP為基體，以長玻纖（LGF）為填充材料，加入磷氮系無鹵膨脹型阻燃劑、MCA等，制備得到LGF增強無鹵阻燃聚丙烯電池槽的例子。

制備過程中采用雙母粒制備法，通過分別制備LGF母粒和無鹵阻燃母粒，將兩者混合均勻后直接注塑制得阻燃PP制品。雙母粒制備法避免了長玻纖母粒制造過程中由于過度剪切引起的剪切區溫度過高引起阻燃劑降解和玻纖長度短引起的力學性能下降問題。

阻燃PP無鹵化改性技術中，IFR因其對PP加工流動性和低密度優勢影響最小、阻燃效率優異、用量少、低煙無毒等優點，被認為是無鹵阻燃PP中最優前景的發展方向之一。

阻燃PP在我國起步較晚，但發展很快。特別是近年來增長迅猛的新能源汽車行業直接推動了阻燃PP需求量的快速增長，國內眾多高校、科研機構以及企業參與到車用零部件阻燃PP的開發中來。今后，車用阻燃PP的研究將重點聚焦于高效和環保，通過選擇無鹵阻燃劑、膨脹型阻燃劑、磷氮系阻燃劑以及復配型阻燃劑同時結合其他助劑，開發出性能優異的阻燃PP材料。

【2】阻燃ABS

ABS在汽車行業崛起之前，也是全球用量最大的家電高分子材料之一。據不完全統計，我國約80%的ABS消費量來自于家電領域，而這主要得益于ABS出眾的表面涂裝性能、耐久性和防腐性。也是這些特點，讓ABS在汽車涂裝領域成為了典型。但ABS樹脂的分子結構中只有C、H、O三種元素，所以不具備阻燃性能，在高溫階段的穩定性很差，極易燃燒。同時在燃燒過程中還會產生刺鼻氣味和黑煙，無法直接用于汽車零部件。

目前，ABS的主要應用方向是通過阻燃或耐高溫改性，亦或者與PC共混合成PC/ABS復合材料，下文也會詳細介紹。對于ABS而言，鹵系阻燃劑的阻燃效率比較高，其中溴系阻燃效果又好于氯系。雖然鹵系阻燃成本低、效果好，但從業者眾所周知，今后鹵素阻燃會面臨來自政策和環保法規的巨大壓力。所以，ABS的阻燃改性仍然是重要的研發方向。不過話說回來，對于阻燃標準嚴格的應用場景，溴系阻燃劑還是目前最主流的選擇。據悉，用于電子電器產品中的ABS約有70%都采用溴系阻燃劑。

PC/ABS兼備二者優點，具有更好的HDT和穩定性，加工性能也更好，目前已是產量最大、技術最成熟的塑料合金，也是目前在汽車零部件領域應用最廣泛的材料之一。諸如汽車儀表板、蓄電池組、車身、內飾等部位，都用到了PC/ABS材料。不過要注意的是，在某些指標上還是有“1+1＜2”的情況：PC本身是一種自熄材料，UL94可達V2級，但PC/ABS的阻燃性能有所下降，需要補足。

目前常用的除了鹵系和磷系，值得關注的發展方向還有納米阻燃劑，諸如納米級的三氧化二銻、氫氧化鋁、氫氧化鎂以及納米層狀雙氫氧化物等等。

【3】阻燃PC

PC作為五大工程塑料之一，在汽車零部件上的應用也相當成熟，諸如汽車儀表板、車燈系統、加熱板、除霜器甚至是一些PC合金制作的保險杠等等。

如我們剛才所言，PC本身具有一定阻燃性，相較于其它高分子材料（如PE、PP等）擁有一定優勢，LOI可到21-24%。然而對汽車零部件阻燃要求相對較高的應用領域，其阻燃性能還是難以勝任，仍還需要對其進行阻燃改性。溴系阻燃劑能明顯提高PC的阻燃性能，常用的有十溴二苯醚（DBDPO）、四溴雙酚A（TBB-PA）等。但含溴的阻燃材料在高溫下容易分解產生腐蝕性氣體，使汽車零部件受損。此外，溴系阻燃劑的添加會嚴重影響PC的透明性，同時也不符合歐盟無鹵化、環保政策的要求。當前，工業化的PC產品中使用最多的磷系阻燃劑主要是TPP、RDP和BDP。

其中，TPP常溫下為固態，熱穩定性較差，在PC加工溫度下容易揮發，僅發揮氣相阻燃作用。RDP和BDP常溫下為液體，具有較好的熱穩定性，可同時發揮氣相和固相阻燃作用，同時BDP與PC有較好的相容性，可起到增速硬化的作用，所以PC+BDP體系成為使用較多的一種體系，BDP添加比例大約為10%。

此外，含硅化合物作為新一代環保型阻燃劑，因其高效、低毒、無污染等特性，以及對PC加工性能和物理性能影響較小也逐漸受到關注，如聚硅烷、聚硅氧烷等。

汽車零部件用PC在選用阻燃劑時也在向無鹵環?？拷?，通過添加多種助劑或者制備復合型阻燃劑等途徑，提升PC的綜合性能。此外，PC通過與ABS、PBT等組成復合材料也是提升PC加工性能和阻燃性能的不二選擇。

【4】其他阻燃材料

PP、PU、ABS和PC是目前主要應用于汽車零部件生產的阻燃高分子材料。此外，將兩種或以上高分子材料熔融共混制備的復合材料也是目前使用較多的一種材料，如PC/ABS，PC/PBT，PC/FR復合材料等。

具體到案例上來說，Polymaker公司推出三款基于PC的3D打印材料，將其用于車用零部件的生產，三款產品分別為Polymaker PC-ABS、Polymaker PC-PBT、PolyMax PC-FR，這三款產品各有特色，在耐熱性、耐沖擊、易加工以及阻燃性能方面，均具有較好的表現。

Polymaker PC-PBT在科思創Makroblend?系列產品基礎上進行改進，提升了材料綜合性能。同樣PolyMax PC-FR是在科思創Makrolon?產品上對阻燃性能做了較大改進，使材料UL94達到V0級，將該材料用于新能源汽車電池外殼。