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【摘 要】 节能、环保、安全是汽车发展的永恒主题。汽车车窗玻璃实现塑料化作为一种全新的轻量化解决方案，不仅能减重、降低油耗和排放，而且设计自由与彰显个性。具有光学特性的聚碳酸酯（PC）以其独特的耐冲击性、耐候性以及质量轻、强度高等特性不断冲击着玻璃车窗的传统地位。本文主要介绍了车窗的发展趋势、法规现状、应用案例，同时对聚碳酸酯（PC）车窗材料性能、涂层技术及成型工艺进行了详细的分析。 【关键词】 车窗玻璃 聚碳酸酯（PC） 轻量化 节能、环保及安全是汽车发展的永恒主题。而汽车重量和能源消耗成线性关系，据统计，整车重量每降低1％，燃油消耗可降低0.6％~1％。能源消耗又与尾气排放密切相关，因此汽车轻量化对节能和环保具有重要意义。 聚碳酸酯（PC）材料在汽车上的应用已有六十年的历史，不仅可以减轻车重、提高动力经济性，而且还可以降低油耗和碳排放。同时聚碳酸酯（PC）材料相对于无机玻璃，其设计更为灵活，可实现分部件模块化集成，来满足人们对汽车美观个性化的需求。 汽车车窗主要功能是为驾驶员及乘客提供清晰的视野，防止异物侵入，保护乘坐人员免受伤害。因而车窗玻璃在光学性能、机械强度、环境稳定性（如耐日光、温度及湿度的变化等）和耐久性方面的要求有严格的安全法规规范。 随着现代汽车工业技术的不断提升与发展，车窗技术也得到了飞速发展，车窗玻璃塑料化已经成为当今各大汽车生产厂家关注的焦点，目前报道的车窗用塑料玻璃材料主要有聚碳酸酯（PC）。 传统的车窗玻璃是由玻璃原片二次加工而成的，主要有夹层玻璃和钢化玻璃两种。汽车前风挡玻璃普遍采用夹层玻璃，前风挡以外一般为钢化玻璃。但近年来，能源危机已成当今世界高度重视的问题，因此汽车车窗玻璃塑料化也是一个重要的发展趋势。 目前中间夹塑料膜的复合玻璃已被普遍用于高档轿车上，美国汽车市场在三层安全风挡玻璃的里面又贴附了20μm厚的聚氨酯膜，以保护乘员在车受到冲撞时不至于被玻璃碎片划伤，这种结构已得到普遍认可。1998年Smart（精灵）小汽车的问世，聚碳酸酯（PC）首度成为量产的塑料化车窗原材料。从此，塑料玻璃进入此前一直由无机玻璃独占的车窗用材领域。汽车车窗玻璃用材发展历程见图1。 汽车车窗玻璃作为汽车重要的安全部件，其安全性能尤为重要，因此作为新材料的聚碳酸酯(PC)应用于汽车车窗上应满足相应法规要求。全球塑料车窗法规应用情况如图2。 联合国法规《全球机动车辆安全车窗材料技术条例》（GTR NO.6）的优点是全球统一测试标准，但缺点是仅限于无机玻璃。随着汽车技术的发展，欧洲、美国及日本完善了车窗法规，增加了对塑料玻璃的要求，但也不是很全面，如对光畸变、光稳定性等未作要求，但毕竟在塑料玻璃标准方面迈出了重要一步。目前中国车窗法规《道路交通工具用安全车窗材料》（GB9656）只对传统无机玻璃有要求，对于塑料玻璃要求还是空白，急需制定和完善。全球车窗玻璃法规见下表1。 根据欧洲、美国及日本的标准，从整车安全角度考虑，由于有事故逃生的需求，聚碳酸酯（PC）材料不能应用于前风挡玻璃窗和B柱前的侧窗。B柱后的侧窗没有禁止，但目前还没有成功的应用案例。后三角窗、后风挡玻璃窗、层叠式天窗和全景天窗是目前主要的应用部位，见右图3。 美国Sabic-IP公司指出，采用聚碳酸酯(PC)，可以革新车窗的设计和安装位置以及开启车窗的机械系统，加上聚碳酸酯（PC）重量比玻璃轻，而且在发生碰撞事故时不会伤及人员等优点，因此推广应用前景极好。据专家估计，未来10年内，新型聚碳酸酯（PC）汽车车窗玻璃将形成50~60亿美元的市场。如今，聚碳酸酯（PC）在汽车全景天窗、后风挡玻璃、侧窗以及车身上那些有深色玻璃质感的配件方面有着显著的发展。聚碳酸酯（PC）车窗应用实例见表2。 车窗用无机玻璃是由石英砂、纯碱、长石和石灰石等原料制成。无机玻璃具有良好的透光率、优异的磨、耐刮擦性及耐候性等，但最大缺点是易碎，一旦发生事故，撞碎的玻璃往往带有尖棱，从而造成对人体的伤害。而聚碳酸酯（PC）作为五大工程塑料之一，以其优异的耐热性、高刚性、抗冲击性、尺寸稳定性及良好透光率成为汽车塑料车窗的首选材料。但聚碳酸酯（PC）材料也有自身的缺点：耐溶剂性较差，易开裂；表面硬度较低，长期接受风沙雨刮的磨损易雾化；抗UV性能差，长期暴露室外易老化黄变，影响车身美观。聚碳酸酯（PC）与无机玻璃性能比较见表3。 注塑成型聚碳酸酯（PC）车窗是一项新生技术，但由于聚碳酸酯（PC）抗UV性和耐化学性差且易被刮擦，因此需要在聚碳酸酯（PC）表面增加涂层以保证车窗的优异耐候及耐刮擦性能。1998年，为了针对该市场开发专用涂层，由Bayer和sabic（原GE塑料）各自出资50％组建了Exatec公司。Exatec公司提供了一种特殊湿涂层和等离子硬质涂层系统，通过在聚碳酸酯（PC）上先使用防UV涂层作为底漆，然后使用化学辅助气相沉积法创造出了抗刮擦涂层，这种方法称为Exatec900系统，这种涂层能保证即使暴露于气候环境中10年多其性能仍然稳定。Exatec900系列通过了Taber磨损试验，雾度低于2％，见下表4。 在工业实践中，迈图公司的AS4000、PHC587C以及AS4700F涂层系统应用于聚碳酸酯（PC）车窗已经被广泛认同(如：Smartfortwo、Mercedes SLK 的天窗涂层)，这些涂层能够满足汽车工业的要求，并且已经证明它们本身在实际使用中的长期稳定性。迈图公司就常用涂层系统在黑色和透明聚碳酸酯（PC）板上进行试验，验证涂层微裂纹形成情况，测试条件：ASTM G 155 mod耐候测试方法1100小时，相当于1年福罗里达州暴晒照射量，测试结果如下表5所示。 ASTM Gmod耐候测试方法是被热固化硬涂层行业普遍接受的测试方法，它能较好地将测试结果和实际户外应用结果对应起来。 未来涂层技术的发展方向是为玻璃零件增加强度或允许驾驶员能控制入射光线而使用的电镀-彩色原件。设备供应商推测，会有例如丙烯酸（PMMA）的第二种热塑性树脂替代涂层，这种树脂组分用在聚碳酸酯（PC）塑料玻璃上，只是厚度相对薄一些，成本与涂层相近。然而，目前还没有解决低压力下PC和PMMA的粘结问题。 汽车玻璃面积较大，约1.2~2.0m2，生产聚碳酸酯（PC）车窗玻璃需要一套特殊的技术，该技术已经超越了传统的机械设备、模具、材料和工艺方法，该工艺的每个阶段正在经历巨大的发展。 聚碳酸酯（PC）车窗玻璃由于表面积较大，玻璃上的残余应力会破坏光学质量和涂层质量，也会导致涂层起雾或分层，因此为了保证光学质量和硬质涂层，聚碳酸酯（PC）车窗玻璃必须在低压下成型。因此取代传统注塑成型方法的模压-注塑方法是制造低应力、大型聚碳酸酯（PC）车窗玻璃的理想工艺。典型的模压-注塑成型法的压力大约是21~24MPa，而模压-注塑法生产聚碳酸酯（PC）车窗玻璃的压力是18~20MPa。模压-注塑工艺见图4。 大多数商业用聚碳酸酯（PC）玻璃都具有一个特点：中心是透明的，其边框区域为暗色不透明。为了生产这种双部件玻璃，制造商正将注意力转向带有旋转中央管模具的注射-压缩设备（见图5）。双部件零件最好在两个注射装置、一个压缩装置的设备中成型，在一个循环内成型最后产品意味着使用相同的收缩比材料，目前Bayer和Sabic-IP开发出聚碳酸酯（PC）相同收缩比的材料PC+ABS和PC+PBT，这样才能获得更好的零件质量。 轻量化和设计自由是推动聚碳酸酯（PC）材料发展的动力。聚碳酸酯（PC）作为汽车前大灯灯罩已有20多年的历史，随着材料、机械设备、模具和加工工艺的不断进步，聚碳酸酯（PC）替代无机玻璃成功应用于汽车车窗，不仅大幅度减轻车身重量，而且使得整车造型及设计更为自由灵活，实现了与众不同的三维形状，从而达到人们对汽车美观与个性化的要求，为整车外形设计开创一个全新的世界。 张娜 汽车工艺与材料 【微合金专访】陆匠心：用材之“长”才能实现“Right material in right Place” 加入轻量化技术交流微信群，请加管理员为好友： |
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