Anwendung und Perspektiven von PA6, PA66, PA12 und anderen Nylonmaterialien in der Automobilindustrie

Die Produktionskapazität der Automobilindustrie meines Landes wächst rasant, und die Automobilindustrie für technische Kunststoffe verfügt über einen breiten Entwicklungsspielraum. Technische Kunststoffe ersetzen Metallmaterialien und werden nach und nach von dekorativen Teilen auf Strukturteile und Funktionsteile ausgeweitet.

PA ist ein hervorragender technischer Kunststoff mit sehr stabilen chemischen Eigenschaften und ausgezeichneter Beständigkeit gegen Schmiermittel und Benzin. Im gesellschaftlichen Kontext der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung nimmt die Verbreitung von PA-Materialien in der Automobilindustrie aufgrund ihrer Vorteile in Bezug auf geringes Gewicht, Hitzebeständigkeit, Ölbeständigkeit, Flammhemmung und andere Aspekte allmählich zu. Derzeit werden PA-Materialien in Automobilmotorsystemen, elektrischen Systemen und Fahrwerksystemen verwendet, wie in der folgenden Tabelle dargestellt.

Foto aufgenommen am Arkema-Stand

Die Verwendung von PA6 und PA66 macht mehr als 90 % der Gesamtmenge verschiedener PA-Materialien aus. PA11 und PA12 weisen eine gute Flexibilität, Korrosionsbeständigkeit, Ölbeständigkeit und Dimensionsstabilität auf und werden auch häufig in Kraftstoffleitungen, Tankdeckeln, Bremsleitungen und anderen Teilen verwendet.

Foto aufgenommen am Arkema-Stand

Der Batteriekasten dient hauptsächlich zum Schutz und zur Unterstützung von Komponenten wie Batteriemodulen, Batterietemperaturkontrollsystemen und Batteriemanagementsystemen, um zu verhindern, dass das Batteriesystem durch äußere Einflüsse oder mechanische Beanspruchung beschädigt wird. Der Batteriekasten ist für die mechanische Sicherheit des Batteriesystems von großer Bedeutung und stellt daher hohe Anforderungen an mechanische Eigenschaften wie Schlagfestigkeit und Zugfestigkeit.

Derzeit bestehen einige Batteriekästen aus PA-Materialien, die meisten davon sind PA6-Materialien. Die Flammschutzleistung ist auch ein wichtiger Referenzindikator für die Auswahl von Batteriekastenmaterialien für Fahrzeuge mit neuer Energie. Der Sauerstoffgrenzwert von unveränderten PA6-Materialien beträgt im Allgemeinen nur 20 bis 22 %, und die Flammschutzqualität kann nur das UL94 V-2-Niveau erreichen, was die strengen Flammschutzanforderungen von Fahrzeugen mit neuer Energie nur schwer erfüllen kann und eine Flammschutzmodifizierung erforderlich macht.

PA6 Foto aufgenommen am Stand von Sanfangxiang

Im Allgemeinen umfassen die für PA6 verwendeten Flammschutzmittel Halogen, Phosphor, Stickstoff und andere Typen. Unter ihnen erzeugen Halogen-Flammschutzmittel bei der Verbrennung ätzende Gase und krebserregenden Rauch. Ihre Verwendung wurde eingeschränkt, nachdem die Europäische Union Anfang 2003 die „Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten“ erlassen hatte.

In den letzten Jahren haben viele Forscher an halogenfreien, flammhemmenden PA6-Materialien geforscht und viele Ergebnisse erzielt.

Viele Unternehmen für technische Kunststoffe engagieren sich auch in der Forschung und Entwicklung halogenfreier, flammhemmender PA6-Materialien. So hat beispielsweise die Lanxess Group drei PA6--basierte Tepex-Materialien auf den Markt gebracht. Tepex-Materialien enthalten einen hohen Faseranteil, sodass sie nicht nur eine extrem hohe Steifigkeit, Festigkeit und Energieabsorption aufweisen, sondern auch flammhemmende Eigenschaften gemäß UL94 V-0 aufweisen.

LANXESS Leichtbau-Verbundwerkstoffe auf Basis von Polyamid 6

Unter ihnen ist Tepex Dynalite 102fr-RG600(x)/47 % mit groben Roving-Glasfasern verstärkt. Diese Fasern sind mehrachsig angeordnet, wodurch nicht nur gute Flammschutzwirkungen erzielt werden, sondern auch die Lastpfade in den Komponenten genau abgestimmt werden können. Es kann auf Hochspannungskomponenten wie Steuergerätegehäuse, Trennwände und Abdeckungen von Batteriekästen für Fahrzeuge mit neuer Energie angewendet werden.

LANXESS bringt Batteriehalterung aus endlosfaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoffen der Marke Tepex auf den Markt

Auch die Anwendung von PA6 mit Langglasfasern in Strukturteilen von Kraftfahrzeugen wird zunehmend populärer. Glasfasern durchziehen die PA6-Matrix als Verstärkungsskelett, wodurch die Schlagfestigkeit, Kriechfestigkeit und Dimensionsstabilität von Kunststoffprodukten effektiv verbessert werden können. PA6 mit Langglasfasern hat viele Vorteile, die mit Metallen vergleichbar sind, und eignet sich für die Herstellung komplexer Modulprodukte für Kraftfahrzeuge.

Nehmen wir als Beispiel den Querträger der Instrumententafel. Der Querträger der Instrumententafel ist direkt mit der Karosserie verbunden, trägt und überträgt die Last der Mensch-Maschine-Interaktionsgeräte und der dekorativen Teile und bildet mit anderen Sicherheitskomponenten ein Cockpit-Sicherheitssystem, das sich direkt auf das Fahrverhalten und die Sicherheit des Fahrzeugs auswirkt. Der Querträger der Instrumententafel kann die Aufprallkraft abfedern, die bei einem Frontalaufprall von der vorderen Kabine übertragen wird, und die Explosion des Beifahrer-Airbags abfedern.

Darüber hinaus muss das aus Instrumententafelquerträger, Lenkrad und Lenksäule bestehende System bestimmte modale NVH-Anforderungen erfüllen, um Resonanzen zu vermeiden.

Der lange, glasfaserverstärkte PA6-Querträger für Instrumententafeln wurde erfolgreich entwickelt und wird in einigen Modellen häufig verwendet. Der lange, glasfaserverstärkte PA6-Querträger für Instrumententafeln erfüllt die Steifigkeit und Festigkeit, die der Querträger für Instrumententafeln als tragende Komponente aufweisen muss, und verfügt über eine ausgezeichnete Kriechfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit sowie eine hervorragende Schlagfestigkeit bei hohen und niedrigen Temperaturen. Das Design des Vollkunststoff-Querträgers für Instrumententafeln verbessert nicht nur die Produktionseffizienz, sondern trägt auch dazu bei, Leichtbau- und NVH-Ziele zu erreichen.

Im Bereich der Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren haben große Hersteller technischer Kunststoffe wie DuPont, Arkema und Basf PA12-Werkstoffe mit unterschiedlichen Temperaturbeständigkeitsgraden entwickelt, die häufig in Öl- und Gaspipelines wie beispielsweise Tankeinfüllrohren, Kraftstoffzufuhrrohren, Kurbelgehäuseentlüftungsrohren, Motoransaugrohren und Vakuumbremsrohren eingesetzt werden.

Foto aufgenommen am BASF-Stand

Foto aufgenommen am Evonik-Stand

Da die hohe Temperaturbeständigkeit von PA12 jedoch nicht herausragend ist, kann es nicht über einen längeren Zeitraum in Rohren mit hohen Betriebstemperaturen verwendet werden. Beispielsweise werden für die Motorkühlwasserrohre von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor im Allgemeinen immer noch Metall- oder Gummirohre anstelle von PA12-Rohren verwendet. Im Allgemeinen liegt die Betriebstemperatur des Motorkühlsystems von Fahrzeugen mit neuer Energie im Allgemeinen unter 80 Grad und die Betriebstemperatur des Batteriekühlsystems im Allgemeinen unter 60 Grad. Das PA12-Material kann die Temperaturbeständigkeitsanforderungen des Kühlsystems von Fahrzeugen mit neuer Energie vollständig erfüllen.

Im Vergleich zu Gummirohren können PA12-Rohre die Qualität des Systems effektiv reduzieren. Die Dichte von PA12 beträgt 1,02 g/cm3, während die Dichte von EPDM-Kautschuk, der häufig in herkömmlichen Automobilrohren verwendet wird, 1,1 bis 1,2 g/cm3 beträgt. Gleichzeitig ist die Wand von PA12-Rohren relativ dünn. Nehmen wir als Beispiel ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 15 bis 18 mm. Das PA12-Wasserrohr ist nur 1,25 bis 1,5 mm dick, während die Wandstärke von EPDM-Gummirohren im Allgemeinen 3,5 bis 4 mm beträgt.

Foto aufgenommen am UBE-Stand UBE PA12-Schlauch

Umfassende Berechnungen zeigen, dass die Verwendung von PA12-Material das Gewicht der Rohrleitung um 65 % reduzieren kann. Beispielsweise verwendet ein bestimmtes Modell der Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. die PA12-Rohrleitungslösung. Im Vergleich zu herkömmlichen Metall- und Gummirohrleitungen wird die Masse des Rohrleitungssystems tatsächlich um 56 % reduziert.

Da EPDM-Gummimaterial zudem eine geringe Steifigkeit aufweist, müssen bei Verwendung für längere Rohrleitungen mehr Fixpunkte festgelegt werden. Daher bestehen im Kühlsystem herkömmlicher Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor längere Rohrleitungen im Allgemeinen aus Metallmaterialien, und EPDM-Gummimaterialien werden nur im Übergangsteil verwendet. Im Anpassungsschema von Metallrohrleitungen und Gummirohrleitungen gibt es eine große Anzahl von Übergangsteilen, was nicht nur die Anzahl der Teile erheblich erhöht, sondern auch das Risiko von Leckagen erhöht.

Die PA12-Rohrleitung hat eine hohe Steifigkeit und eine komplette Wasserleitung kann in einem integrierten Formverfahren hergestellt werden, was die Anzahl der Teile effektiv reduziert und die Zuverlässigkeit des Systems verbessert. Beispielsweise verwendet ein bestimmtes Modell der Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. die PA12-Rohrleitungslösung. Im Vergleich zu herkömmlichen Metall- und Gummirohrleitungen wird die Anzahl der Teile im Rohrleitungssystem um 77 % reduziert. Im Vergleich zu Metall- und Gummirohrleitungen sind PA12-Rohrleitungen leichter, steifer, nehmen weniger Platz ein und haben eine höhere Zuverlässigkeit, was bei Fahrzeugen mit neuer Energie von großem Wert ist.

Darüber hinaus haben viele Forscher PA12-Rohrleitungen untersucht, die den Anforderungen anderer spezifischer Szenarien gerecht werden. So haben beispielsweise die japanische Toray Company und Polyplastics-Evonik gemeinsam ein dreischichtiges extrudiertes Rohr entwickelt. Die Außenschicht aus PA12-Material und die Innenschicht aus Polyphenylensulfid-PPS-Harzmaterial dieses extrudierten Rohrs sind mit einem speziellen Klebstoff miteinander verbunden. Es hält nicht nur einer hohen Temperatur von 130 Grad stand, sondern weist auch eine gute Hydrolysebeständigkeit und Hitzebeständigkeit auf. Es kann in Automobil-Kühlrohrleitungssystemen mit höheren Temperaturanforderungen eingesetzt werden.

Da PA12 eine gute Durchlässigkeitsbeständigkeit gegenüber Benzin aufweist, hat es sich als sicheres und zuverlässiges Material für Kraftstoffleitungen erwiesen. Mit dem Aufkommen und der Verwendung von Mischkraftstoffen mit Methanol oder Ethanol wurden jedoch höhere Anforderungen an die Durchlässigkeitsbeständigkeit von Kraftstoffleitungen gestellt. Methanol oder Ethanol in Mischkraftstoffen weisen eine starke Durchlässigkeit und Löslichkeit auf, wodurch leicht Kohlenwasserstoffe austreten können und somit die relevanten Umweltstandards nicht eingehalten werden.

Zhang Ying hat Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu Kraftstoffleitungen für Kraftfahrzeuge mit geringer Durchlässigkeit und geringer Niederschlagsbildung durchgeführt. Durch eingehende Analyse der physikalischen Eigenschaften verschiedener Rohstoffe haben wir Materialien entwickelt, die in Kraftstoffleitungen verwendet werden können, und PA12-Fünfschicht-Verbundrohre mit symmetrischer Struktur entwickelt, die die Standards für geringe Durchlässigkeit von Kraftstoffleitungen erfüllen, sowie ein Kraftstoffleitungsmontagesystem aus Verbundrohren.

Im Zuge des allgemeinen Trends, bei der Leichtbauweise von Autos Stahl durch Kunststoff zu ersetzen, hat PA66 sowohl bei Fahrzeugen mit herkömmlichem Verbrennungsmotor als auch bei Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik einen herausragenden Wert geschaffen und so direkt oder indirekt die gesellschaftliche Vision geringerer Kohlenstoffemissionen verwirklicht. Im Herstellungsprozess von Teilen kann PA66 schnell in der Form geformt werden, wobei die Kristallisationsgeschwindigkeit zehnmal so hoch ist wie bei PA6, was die Produktionseffizienz erheblich verbessert.

PA66 Foto aufgenommen am Stand von Sanfangxiang

Auch die Leistung von PA66 ist im Vergleich zu PA6 überragend, mit höherer Dimensionsstabilität, geringerer Wasseraufnahme und höherem Schmelzpunkt. PA66 wird häufig in verschiedenen Automobilsystemen eingesetzt, um die Fahrzeugökonomie zu verbessern und die Schadstoffemissionen zu reduzieren, während die vorhandene Leistungsabgabe beibehalten oder übertroffen wird.

Nehmen wir als Beispiel den Ansaugkrümmer: In den frühen Ansaugkrümmern von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wurde hauptsächlich PA6-Material verwendet. Mit dem Einsatz integrierter Kompressoren und der Kompaktheit der Motoren stiegen die Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit von Ansaugkrümmern von 130 Grad auf 200 Grad, und OEMs tendierten allmählich dazu, PA66 mit einem höheren Schmelzpunkt zu wählen, um Leistungssteigerungen zu erzielen.

Eine weitere typische Anwendung von PA66 ist die Motorhalterung oder Antriebsmotorhalterung. Früher wurden solche Strukturteile im Allgemeinen aus Stahl oder Aluminiumlegierungen hergestellt. Da PA-Material selbst eine dämpfende und vibrationsreduzierende Wirkung hat, kann die Anwendung von glasfaserverstärkten PA66-Produkten in Motor- und Antriebsmotorhalterungen die Vibration und das Geräusch des Motors oder Antriebsmotors wirksam reduzieren.

Asahi Kasei PA66 Motorhalterung Quelle: Asahi Kasei

Da PA66 außerdem Lackeinbrenntemperaturen von 160 bis 180 Grad standhält, trägt seine Integration in die Rohkarosserie des Fahrzeugs nicht nur dazu bei, die mechanischen Eigenschaften der Karosserie zu verbessern, sondern das mit PA66 verstärkte Material kann bei einem Aufprall des Fahrzeugs auch die Aufprallenergie effektiv absorbieren und so den Schutz von Fahrer, Passagieren und der Batterie maximieren. Es kann auch das Gewicht der Karosserie um mehr als 30 % reduzieren und so das Fahrverhalten und die Reichweite des Fahrzeugs verbessern.

Motor-Resolversensor und Drehzahlsensor aus Nylon 66, aufgenommen am BASF-Stand

Im Rahmen der Forschung an neuen PA66-Materialien haben viele Forscher auch PA66-Materialien entwickelt, die für bestimmte Automobilteile geeignet sind. Beispielsweise sind Bordladegeräte, DC/DC-Controller, PTC-Heizungen und Hochspannungsanschlusskästen in Fahrzeugen mit neuer Energie allesamt Hochspannungskomponenten. Hochspannungsverbinder zwischen Hochspannungskomponenten und Hochspannungskabelbäumen verwenden häufig halogenfreies, flammhemmendes, verstärktes PA66, insbesondere organophosphorhaltiges, flammhemmendes PA66.

Halogenfreies, flammhemmendes, verstärktes PA66 weist gute flammhemmende Eigenschaften und mechanische Eigenschaften auf, sein Preis schwankt jedoch stark aufgrund der Versorgung mit vorgelagerten Rohstoffen. Das Angebot an PA6-Rohstoffen ist ausreichend und der Preis ist relativ niedrig. Daher ist halogenfreies, flammhemmendes, verstärktes PA66/PA6-Legierung zu einer vielversprechenden alternativen Technologielösung geworden.

Ye Bingbing et al. untersuchten die Veränderungen der Flammschutzeigenschaften, elektrischen Eigenschaften, mechanischen Eigenschaften und Hitzebeständigkeit der flammhemmend verstärkten PA66/PA6-Legierung, wenn die Anteile von PA66 und PA6 unterschiedlich waren. Sie fanden heraus, dass mit zunehmendem PA6-Anteil der Legierung der Zähigkeitsindex leicht zunahm, die Flammschutzleistung und die mechanische Festigkeit jedoch leicht abnahmen. Mit abnehmendem PA6-Anteil nahm die Zugfestigkeit ab, die Zähigkeit nahm jedoch deutlich zu.

PA66 wird auch in Batteriekästen für Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik verwendet. Liu Ying et al. haben die mechanischen Eigenschaften von gehacktem, kohlenstofffaserverstärktem PA66 mit unterschiedlichem Fasergehalt untersucht und eine Leistungsbewertung und Simulationsanalyse der Anwendung des Materials in leichten Batteriekästen durchgeführt. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der Kasten aus gehacktem, kohlenstofffaserverstärktem PA66 im Vergleich zu einem Batteriekasten aus Metall 84 % leichter ist und die maximale Belastung des Kastens auf holprigen Straßen und in scharfen Kurven um 30 % bis 50 % reduziert ist. Gleichzeitig wurde auch festgestellt, dass der Kohlenstofffasergehalt einen größeren Einfluss auf die maximale Verschiebung des Batteriekastens hat. Die Erhöhung des Kohlenstofffasergehalts kann die Verschiebung des Kastens auf holprigen Straßen und in scharfen Kurven erheblich reduzieren.

Konzept-Feststoffbatteriepack, aufgenommen am BASF-Stand

Derzeit bestehen die meisten in Automobilen verwendeten Walzbänder über 30 cm aus PA66. PA66 weist bei niedrigen Temperaturen eine geringe Zähigkeit auf und muss gehärtet und modifiziert werden, um Kältebeständigkeit zu erzielen.

Lu Daguang et al. verwendeten ein Doppelschnecken-Mischverfahren, um verschiedene Arten von Härtemitteln und PA66-Rohmaterialien mit unterschiedlichen Viskositäten auszuwählen und so kältebeständige, gehärtete PA66-Materialien herzustellen, die für Walzbänder für Automobile geeignet sind.

PA66 weist eine gute Hitzebeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Zähigkeit auf und kann langkettiges PA als Material der Wahl für PA-Wasserleitungen in Kraftfahrzeugen ersetzen. Aufgrund der stark polaren Amidgruppen in der PA66-Molekülkette neigt PA66 jedoch bei Kontakt mit Kühlmittel zu Verformung und Hydrolyse.

Als Reaktion auf dieses Problem mischten und modifizierten Zhang Songfeng et al. zunächst das PA66-Material, indem sie Härtemittel und Hydrolyseschutzmittel hinzufügten, um seine Hydrolysebeständigkeit und Zähigkeit zu verbessern. Anschließend testeten sie die modifizierten Materialien mit herkömmlichen Schlauchextrusionsverfahren für die Schlauchextrusion und entwickelten erfolgreich Kühlwasserrohre für Kraftfahrzeuge mit PA66 als Hauptbestandteil. Durch Tests wurde festgestellt, dass die Berstfestigkeit des gemischten modifizierten PA66-Schlauchs über 2,6 MPa liegt und die Materialkosten um 40 % gesenkt werden, wodurch das Problem des komplexen Produktionsprozesses und des hohen Preises von PA-Schläuchen mit langer Kette gelöst wurde.

Zusammenfassend kann die in Fahrzeugen verwendete Kunststoffmenge bis zu einem gewissen Grad als ein Indikator für das Niveau von Automobildesign und -herstellung verwendet werden. Derzeit beträgt die pro Einheit von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor in Industrieländern verwendete Kunststoffmenge etwa 150 kg, wovon etwa 20 % auf PA entfallen. Die derzeit pro Einheit von inländischen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verwendete PA-Menge beträgt etwa 8 kg, wird im Jahr 2025 voraussichtlich auf 15 kg ansteigen und bis 2030 voraussichtlich auf 30 kg ansteigen. Was die PA-Menge in Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik betrifft, wird geschätzt, dass die pro Einheit von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik im Jahr 2030 verwendete PA-Menge im Hinblick auf das Tesla Model 3 und andere Modelle 50 kg erreichen könnte.

Laut Statistiken der China Passenger Car Market Information Joint Conference werden die nationalen Verkäufe von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor im Jahr 2022 14,2 Millionen Fahrzeuge betragen, was einem Rückgang von 2,302 Millionen Fahrzeugen gegenüber dem Vorjahr entspricht, und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor verlieren alarmierend Marktanteile. In- und ausländische Automobilhersteller kündigen im Allgemeinen an, dass sie die Entwicklung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor um 2030 einstellen werden. Danach werden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor allmählich aus der Geschichte verschwinden.

Gleichzeitig hat der Markt für Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnik eine rasante Entwicklung durchgemacht. Auf der China Electric Vehicle Hundred People Conference prognostizierte Ouyang Minggao, ein Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass die nationalen Verkäufe von Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik im Jahr 2025 zwischen 7 und 9 Millionen und im Jahr 2030 zwischen 17 und 19 Millionen liegen werden. Das Huaan Securities Research Institute schätzt, dass der Verbrauch von PA-Materialien für Kraftfahrzeuge im Jahr 2030 1,44 Millionen Tonnen erreichen wird.

Kurz gesagt: Die Weiterentwicklung der Motorentechnologie, die Umstellung der Automobile auf erneuerbare Energieträger und die Entwicklung von Leichtbaufahrzeugen haben die Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sowie die gesellschaftliche Betriebseffizienz effektiv gefördert und gleichzeitig riesige zusätzliche Märkte für die Anwendung von technischen Kunststoffen wie PA geschaffen. In absehbarer Zukunft wird die Nachfrage der Automobilindustrie nach PA-Materialien weiter steigen, und die PA-Materialindustrie befindet sich in einer Phase rasanter Entwicklung.