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白皮书:塑料给全球汽车行业带来的变革

来源:PVDF板材供应商-煌业塑胶    作者:PVDF板材加工

一、全球汽车材料技术发展给塑料行业带来发展机遇

1.轻量化与环保是当今汽车材料发展的主要方向

随着汽车需求量的提升,汽车带来的能源消耗日益增加。为了降低碳排放量和降低对化石能源的依赖,发达国家和发展中国家纷纷立法规定汽车排放标准。自2011 年以来,美国就大幅提高了对汽车燃油消耗的指标要求。在此背景下,为了降低油耗,汽车厂商纷纷采取措施减轻汽车质量,减少能源消耗。汽车轻量化是降低汽车 排放、提高燃油经济性的最有效措施之一,目前已经成为全球发展的趋势。根据资料显示,汽车自身质量每减少10%,油耗可降低6%~8%。

2.汽车轻量化材料趋向多样化设计方向

随着新材料的发展,出于汽车轻量化和节能减排的考虑,汽车车身材料设计也呈现复杂多变的形势。目前汽车车身用材中,钢铁材料仍占据主导地位,但其他材料在汽 车的应用比例也逐步发生变化。汽车车身外壳材料主要包括高/超高强度钢板、轻金属材料(铝、镁、钛合金材料)、碳纤维材料、粉末冶金材料(泡沫铝合金、铁 基粉末烧结材料等)、车用塑料等。其中,高强度和超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料所占比例增长较大;而铸铁和中、低强度钢所占比例正逐步下 降。另外,越来越多中高档汽车使用了铝合金或塑料等轻量化材料。

3.工程塑料在汽车材料中的应用逐步加强

目前,汽车中工程塑料的使用量已成为衡量汽车制造业水平高低的一个重要标志。使用塑料及其复合材料可使汽车零部件质量降低约40%,也可降低汽车成本。根据 相关资料,在欧洲,车用塑料的质量占汽车自重的20%。德国每辆汽车平均使用塑料制品300kg,约占汽车总质量的22%。轻型汽车制造商日本大发工业公 司开发销售的新型汽车除座椅外,内饰件全部采用塑料制造。而国产车的单车塑料平均使用量为78kg,塑料用量仅占汽车自重的5%~10%。根据科尔尼的分 析,预计到2020年,塑料占车辆平均质量的比例将达到18%,比2000 年增加4%(见图1) 。不仅是传统汽车,电动车用材料也逐步提高了工程塑料的使用率。电动汽车中电池等动力系统占汽车总质量的20%,远远超过传统汽车引擎的质量比例。因此, 大幅使用塑料也可以降低电动汽车的车身质量。

注:由于四舍五入,某些百分比值相加可能不到100资料来源:科尔尼分析

图1. 汽车总车重的百分比 (横坐标:车重/kg;纵坐标:总车重的百分比/%)

由于工程塑料的独特性能,其在汽车中的应用按照外观、硬度、抗腐蚀性、质量以及成本等分类,共有约100多种不同类型和等级的塑料汽车零部件,包括内装饰 件、外装饰件、功能和结构件等。具体包括:尼龙制作的发动机及周边部件,聚酯及其合金制作的保险杠、挡泥板、加速器、离合器踏板、车底板、面板,聚甲醛及 其合金制作的输油管、动力阀,聚碳酸酯及其合金制作的汽车内装件、防冻板、车门把手、车轮罩、尾灯罩、反光镜外壳以及聚苯醚及其合金制作的汽车轮罩、发动 机罩、外板等。

二、全球车用工程塑料行业发展面临的挑战

1.替代产品的竞争压力

在车用材料方面,尽管工程塑料性能优异,在某些温度、润滑度等要求较高的环境下很难被替代。但由于成本压力和新材料多样性的选择,仍有可能被特殊钢、新型合 金、碳纤维材料等材料替代。在成本方面来看,钢材仍是车身主要用材料,其价格便宜,且随着技术和工艺的创新,高品质钢材的性能得到改善,质量得到减轻。另 外,具有高强、高韧及高循环利用性能的新型轻合金材料,尤其是铝合金、镁合金等的发展也丰富了车用材料的选择。

2.石油价格波动的影响

车用工程塑料行业对能源及石化原材料的依赖度很高,主要是因为塑料的制作原材料主要源于石化行业,包括石油、焦炭、天然气等。因此,石油和原材料价格的波动 会给工程塑料行业带来较大影响。目前,由于全球供给充足且需求增速放缓,国际油价持续下跌,而前2年,随着供需矛盾的深化,布伦特油价全年上涨 3.47%。石油价格的剧烈波动给国际塑料行业价格带来巨大影响。

3.车用塑料的循环环保性

目前,车用塑料产品的环保型面临较大挑战。消费者已开始关注车用内饰材料的异味问题,有无异常味道已经成为汽车购买的参考标准之一。国际汽车厂商严格规定了 汽车内饰件的气味、挥发性气体的测试标准。另外,较低的可循环利用率也是车用塑料产品发展的一个重要挑战。很多不同类型和级别的塑料难以循环利用,因此在 这一方面钢材更胜一筹。有数据表明使用后废弃的塑料是消费总量的60%~70% 。塑料废弃物是垃圾中最难以无害化处理的组分,会造成不小的环境隐患。全球目前都很重视塑料的循环回收。

三、解决车用塑料循环利用性的办法

目前解决车用塑料循环利用性的问题,主要可采用生物来源和可循环的塑料材料。

生物来源塑料材料。生产生物塑料,主要是利用淀粉基(甘蔗)及玉米、土豆、甜菜和油聚合物(见图2),以降低对石油的依赖性。但是,生物塑料在塑料总量中所占比例较低,只有不到1%。尽管其年增长率高达20%,但是仍属于小范围市场。这也就决定了汽车行业很少使用生物塑料制品。因此,考虑到生物塑料产量和市场需求,农业原材料和油价等因素,与传统塑料相比,生物塑料仍不具备价格竞争力,最多满足20%的塑料总需求。

来源:科尔尼分析 图2 制造生物塑料的5个主要方法

可循环塑料材料。根据欧盟规定,到2015年,大部分汽车材料需实现循环使用。欧盟要求废弃车辆的循环利用率达到95%,重达85%的材料需循环使用。这意味着车用材料中60%的塑料必须实现循环使用。虽然可循环塑料更为环保且成本较低,但性能较差、纯度较低。因此,可循环塑料制品并不能完全替代原生树脂制品。针对这一问题,可采用以下方法进行解决:

1.使用强化纤维的塑料复合材料

强化纤维塑料兼具钢材和塑料的优点,在材料特性和成本竞争力上都是钢材的可靠替代品(见表1)。目前强化纤维塑料主要被用来制造结构性零部件和非结构性零部件,如座椅结构、保险杠、发动机罩和燃料箱。

表1 纤维强化的塑料复合材料的技术性能具有若干优势

资料来源:科尔尼分析

2.汽车和化工行业的价值链整合

为了更好地以塑料为发展方向,汽车行业和化工行业可能在价值链上联合起来,该价值链中包含了上下游企业,如注塑公司和汽车供应商。这种一体化的价值链有2个目标:一是改进塑料性能标准,符合政策法规以及更好地满足客户需求;二是创新方法,实现可持续性发展。

3.改善汽车材料的性能

改善性能指的是改善抗腐蚀性、硬度、质量、可持续性和美感等因素。汽车公司希望在整个设计流程中向上游材料扩展,特别是与汽车的安全标准和能源效率目标相匹配。汽车公司希望说服供应商开发高分子材料,利用塑料的属性和优点实现应用创新及新型汽车开发。合作研发的重点是材料属性和技术问题。如果上游及早参与,塑料可以用来代替相应的部件,并通过提升美感、降低成本和车辆质量来体现优势。另外,减少车辆质量可以通过减少子配件来实现。例如,新型的薄型座椅融合了新兴的泡沫、纺织品和框架。

然而,这种突破性的创新需要完全重建系统架构,因此需要在项目的设计阶段之前就启动。各行业联合起来开发预测性的工程工具,共享性能模型和零部件的材料属性数据(有助于开发样车),并联合各行业共同研究新产品生产和组装流程,如连接塑料和金属的方法。

4.增加可持续性

塑料较为环保且对汽车行业的总体“绿化”有所贡献。图3展示了汽车产生的温室气体对环境的影响。

资料来源:科尔尼分析 图3 汽车如何产生温室气体

(横坐标:平均车重中的塑料质量/kg;纵坐标:每吨产生的二氧化碳/kg) 图中的公斤改为kg

除了降低汽车质量这一明显而重要的目标之外,其他环保领域还包括评估生物塑料和石油基塑料之间的替换,汽车的可循环性(其部件的可生物降解性),以及生产流程的能效。汽车应用一般而言是“投资”于碳的使用。与化工产品的分散应用(如香波)或者短期循环应用(如塑料袋)相比,生物基塑料和石油基塑料的替换并未引人注目。与之恰好相反的是,循环利用是全世界在汽车应用中面临的中期挑战。这表明不仅仅要发展具有足够性能的可循环材料,还要引入可循环的汽车部件。

满足性能和可持续性的挑战需要复杂的汽车塑料价值链上的实际协作,包括创造下游具有循环能力的行业。汽车行业为了保持竞争力和繁荣发展,开发的车辆必须符合愈加严格的环境法规,并且价位适中,而化工行业必须更多参与到汽车行业中。2个行业的关键就在一个词:塑料。

四、对我国塑料行业进一步发展的建议

随着塑料在汽车中的用量日益增加,带动了汽车行业和化工行业的进一步发展。汽车塑料中用量最大的通用塑料品种是聚丙烯、ABS树脂、聚氯乙烯和聚乙烯,而另一种工程塑料作为汽车结构件应用得到快速发展。据统计,2013年全球塑料产量达到2.99亿t,比2012年增加3.9%。其中,以我国的塑料产量占比最大,达到24.8%,其次为欧洲,达到20%。在欧洲塑料的细分消费市场中,包装、建筑和施工占比最大,其次是汽车行业和电气电子产品。而2012年,我国工程塑料消费量达到273.7万t,同比增长11.8%。

作为战略性新兴产业,工程塑料行业具有较高的附加值,与其他行业关联度高,且具有较强的吸引力。但是,目前我国工程塑料行业仍存在着产能过度集中于低端,高端产能受制于技术等问题。因此,车用塑料在助力未来汽车轻量化发展的同时,给我国塑料行业的发展也带来了启示:

1.加强自主创新,重视产学研合作

汽车用塑料制品的消费量会随着技术的创新呈现大幅增长的态势。因此,我国车用塑料原材料研发部门、生产部门和汽车零部件生产商,应进一步加强产学研用的合作,加大研发的深度和力度,努力开发可用于汽车功能件和结构件的工程塑料原料品种,提高自主知识产权建设,增强自主研发设计工程用塑料产品的水平,提高模具开发和制造能力,提高产品质量,加强汽车装配产品的核心竞争力,以提高汽车用材料的多样性和专业性。

2.提高车用塑料的回收再利用水平

国外车用塑料的回收再利用已逐步成为新兴产业。如日本及欧洲各国政府分别提出了对车用废塑料的回收利用要求,并制定了系列法规,其车用废塑料和橡胶的回收利用率在2000年已达85%,预计到2015年可提高到95%。废塑料的回收利用一方面可以有效减缓资源短缺;另一方面也是发展循环经济,保护环境的重要内容。针对塑料的循环再生性,车用塑料及其制品行业应进一步加强资源的循环利用,建立车用废旧塑料回收体系,对资源进行再利用,节约资源和能源;同时建立全社会的处理体系,建立科学合理的资料回收技术系统;针对塑料制品白色污染问题,制定相关塑料环保法律法规;加大降解塑料的研发力度,尽早将其工业化。

3.建立我国汽车塑料件体系及标准

我国国产汽车车用材料及零部件生产缺乏相关的技术标准、产品标准、材料标准及技术测试标准等,目前还没有关于车用塑料等的命名、缩写代号、标示方法等国家标准或行业标准。相比较而言,国外大型汽车集团对于自身采购的重要零部件都实施制定材料供应商制度,对产品的外观和测试等内容均有严格的要求,形成了自成体系的材料标准和零部件性能标准。因此,应尽快协调组织企业、高校与研究所三方力量,逐步做到车用塑料的整体自主开发,走自己的路,形成自己的塑料件体系,并尽快制定出我国自己相应的规范、标准。

4.促进车用塑料上下游产业发展

延伸车用塑料产业链条,促进产业结构升级。要立足现有基础,加强车用塑料制品上游原料行业供给呢你了,加大对基础树脂合成和原材料配套供应,扩大树脂加工应用范围;加强车用塑料制品配套行业的发展,加快配套助剂与专用设备的研发和国产化进程;提升产品质量和档次,增加产品附加值。

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