Anwendungen von PA, PC, POM, PBT in Fahrzeugen mit neuer Energie

Lassen Sie uns zunächst einige Konzepte klären:

• Unter technischen Kunststoffen versteht man in erster Linie Hochleistungsharze wie PA, PC, POM, PBT/PET und PPE;
• Zu den modifizierten Kunststoffen zählen auch Allzweckkunststoffe wie modifiziertes PP, PE und ABS, die ein breiteres Spektrum abdecken;
• Automobilkunststoffteile werden nach Endprodukt kategorisiert und umfassen auch PU, PVC, TPE und Verbundwerkstoffe.

Bezogen auf die gesamte Fahrzeugnutzung bilden nach wie vor Allzweckkunststoffe wie PP und ABS die Grundlage; Was den technischen Wert betrifft, werden Materialien wie PA, PBT, PPS, PPA und PEEK zunehmend in Bauteilen mit höheren Sicherheitsanforderungen und technischen Barrieren eingesetzt.

Im Folgenden werfen wir einen detaillierten Blick auf die Schlüsselrollen von fünf Arten technischer Kunststoffe.

I. PA: Die tragende Säule von Struktur- und Wärmemanagementsystemen

PA steht für Polyamid, allgemein bekannt als Nylon. Die häufigsten Typen in der Automobilindustrie sind PA6 und PA66:

PA6 wird hauptsächlich durch die ringöffnende Polymerisation von Caprolactam hergestellt, während PA66 durch die Polykondensation von Adipinsäure und Hexamethylendiamin entsteht. Um die Anforderungen der Automobilindustrie zu erfüllen, werden dem Basisharz typischerweise Glasfasern, Flammschutzmittel, Schlagzähmodifikatoren und hydrolysebeständige Additive zugesetzt.

PA vereint Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Ölbeständigkeit und gute Verarbeitbarkeit. Durch die Verstärkung mit Glasfasern werden seine Steifigkeit, Hitzebeständigkeit und Formstabilität weiter verbessert, sodass es sich für Komponenten wie Hochspannungsanschlüsse, Ladeanschlüsse, Abdeckungen für Bordladegeräte, Motorendkappen sowie Kühlleitungen, Armaturen, Ventilgehäuse und Wasserkammern eignet.

Lanxess hat beispielsweise für die Abdeckplatte des Bordladegeräts eines Elektrofahrzeugs 50 % kurzglasfaserverstärktes PA6 verwendet. Diese Komponente muss Kühlmittel-, Innendruck- und Temperaturschwankungen standhalten. Dies zeigt, dass die Rolle von PA über den bloßen Ersatz von Metall hinaus auf Struktur-, Dichtungs-, Medienbeständigkeits- und integrierte Formanwendungen ausgeweitet wurde.

Der Hauptnachteil von PA ist die Feuchtigkeitsaufnahme . Nach der Aufnahme von Feuchtigkeit können sich die Abmessungen, die Steifigkeit und die elektrischen Eigenschaften des Materials ändern . Daher erfordern Hochspannungsverbindungen und Wärmemanagementkomponenten typischerweise spezielle Qualitäten, die eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen, hydrolysebeständig, flammhemmend und thermisch langfristig stabil sind.

II. PC: Von transparenten Scheinwerfern zu Smart Sensing

PC steht für Polycarbonat; Mainstream-Produkte werden typischerweise unter Verwendung von Bisphenol A als Rohstoff durch Grenzflächenpolykondensation oder Schmelzesteraustausch hergestellt.

PC bietet eine hohe Transparenz und hervorragende Schlagfestigkeit sowie eine gute Hitzebeständigkeit und Dimensionsstabilität. Im Vergleich zu Glas ist es leichter und lässt sich einfacher in komplexe gekrümmte Oberflächen spritzgießen.

In herkömmlichen Automobilen wird PC hauptsächlich für Scheinwerferlinsen, Lichtleiter und transparente Instrumententafelabdeckungen verwendet. Mit der Weiterentwicklung der Automobilintelligenz erweitern sich die Anwendungen um Displayschutzfolien, LiDAR- und Kameraschutzabdeckungen, Millimeterwellenradarabdeckungen, geschlossene Frontgrills, beleuchtete Logos und intelligente Oberflächen.

Verschiedene PC-Typen und ihre Legierungen können jeweils Anforderungen wie Nahinfrarotübertragung, Millimeterwellentransparenz und Kameraschutz erfüllen. In Kombination mit einer beheizten Folie können PC-Abdeckungen auch die Auswirkungen von Eis, Schnee und Nebel auf LiDAR-Systeme abmildern.

Allerdings weist Standard-PC eine begrenzte Oberflächenhärte und Kratzfestigkeit auf und ist relativ empfindlich gegenüber bestimmten chemischen Stoffen. Bei der Verwendung für optische und sensorische Außenkomponenten im Automobilbereich sind typischerweise UV-beständige Modifikationen, gehärtete Beschichtungen oder mehrschichtige Verbundstrukturen erforderlich.

III. POM: Versteckt in Precision Motion Components

POM oder Polyformaldehyd ist auch als Polyacetal bekannt und wird in Homopolymer-POM und Copolymer-POM eingeteilt. Ersteres wird typischerweise durch die Polymerisation von hochreinem Formaldehyd hergestellt, während letzteres hauptsächlich durch ringöffnende Polymerisation von Formaldehydtrimer mit einer kleinen Menge an Copolymermonomeren hergestellt wird.

Jedes Material hat seine eigenen spezifischen Leistungsstärken und die Auswahl sollte sich an den Anforderungen der Komponenten orientieren.

POM bietet eine hohe Steifigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Dimensionsstabilität, wobei seine hervorstechendsten Eigenschaften ein niedriger Reibungskoeffizient und eine hervorragende Verschleißfestigkeit sind. Daher wird es häufig in Komponenten wie elektrischen Sitzverstellgetrieben, Fenster- und Türverriegelungsmechanismen, verdeckten Türgriffen, elektronischen Feststellbremsen, Klimaanlagendämpfern, Pumpen und Ventilen, Buchsen, Schiebern und Riegeln verwendet.

Fahrzeuge mit neuer Energie haben kein völlig separates neues System für POM geschaffen, aber der zunehmende Einsatz intelligenter Cockpits, elektrischer Türschlösser und Mikroaktuatoren treibt die Nachfrage nach Präzisionsgetriebekomponenten in die Höhe.

POM ist schwer flammhemmend zu machen, weist eine begrenzte Beständigkeit gegenüber starken Säuren und starken Oxidationsmitteln auf und kann sich bei zu hohen Verarbeitungstemperaturen zersetzen. Es eignet sich besser für verschleißfeste Komponenten, die wiederholten Bewegungen ausgesetzt sind, und eignet sich nicht als großflächiges flammhemmendes Strukturmaterial in Batteriepacks.

IV. PBT/PET: Hochspannungssteckverbinder und elektrische Isoliermaterialien

PBT und PET sind beide thermoplastische Polyester.

PBT wird hauptsächlich durch Reaktion von Terephthalsäure oder ihren Estern mit 1,4-Butandiol hergestellt; PET hingegen verwendet Ethylenglykol als Hauptdiol. PBT kristallisiert relativ schnell und verfügt über gute Spritzgusseigenschaften, weshalb es häufiger in Steckverbindern und elektrischen Präzisionskomponenten verwendet wird. PET wird häufig in Fasern und Folien verwendet und kann nach Verstärkung und Modifizierung auch zur Herstellung bestimmter elektrischer Strukturkomponenten verwendet werden.

PBT weist eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme auf und bietet eine gute elektrische Isolierung, Dimensionsstabilität und Verarbeitbarkeit. Nachdem es mit Glasfasern verstärkt und flammhemmend modifiziert wurde, kann es in Komponenten wie 400-V- und 800-V-Hochspannungsanschlüssen, Ladesteckdosen, Sammelschienenmontagehalterungen, Relais, Sensorgehäusen, Motorspulenrahmen und Kfz-Lampenfassungen verwendet werden.

Die orangefarbenen Hochspannungsanschlüsse, die üblicherweise in New-Energy-Fahrzeugen zu finden sind, müssen nicht nur als Warnung dienen, sondern auch Flammschutz, Isolierung und Farbstabilität unter Bedingungen hoher Temperatur, hoher Luftfeuchtigkeit, Vibration und längerer Stromversorgung gewährleisten. Nach öffentlich zugänglichen Informationen der BASF trägt PBT mit hoher elektrischer Kriechstromfestigkeit dazu bei, dass Steckverbinder höheren Spannungen standhalten und ermöglicht die Miniaturisierung.

PET wird häufiger für Isolierfolien, Bandsubstrate und Schutzfolien in Motoren, Batterien und Kabelbäumen verwendet, während recycelte PET-Fasern auch in Teppichen, Dachhimmeln und Sitzpolstern verwendet werden können.

Das Hauptrisiko für PBT und PET ist die hydrolytische Alterung in Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit. Daher erfordern Hochspannungsverbindungen und Batteriesysteme typischerweise Produkte in Automobilqualität, die hydrolysebeständig und flammhemmend sind, eine hohe CTI-Einstufung aufweisen und beständig gegen thermische Alterung sind.

Welche anderen wichtigen Materialien gibt es neben den fünf wichtigsten technischen Kunststoffen?

Die fünf wichtigsten technischen Kunststoffe sind nur ein Teil der in Fahrzeugen verwendeten Polymermaterialien:

• Modifiziertes PP, langglasfaserverstärktes PP und TPO werden häufig in Stoßstangen, Instrumententafeln, Türverkleidungen, Radkästen und Unterbodenschutzvorrichtungen verwendet.
• ABS, PC/ABS und ASA werden hauptsächlich in Mittelkonsolen, Schaltschränken und Verkleidungsteilen verwendet.
• PMMA wird in Rücklichtern, Ambientebeleuchtung und hochglänzenden, lackfreien Außenverkleidungen eingesetzt;
• PU, TPE, TPV, TPU und Silikonkautschuk werden in Sitzschaum, Dichtungen, Schläuchen, Kabeln, Innenverkleidungen und Polsterungskomponenten verwendet.

Mit der Entwicklung von 800-V-Hochspannungsplattformen, Schnellladesystemen, elektrischen Antriebssystemen mit hoher Leistungsdichte und autonomem Fahren werden spezielle technische Kunststoffe wie PPS, PPA, PEEK und LCP zunehmend auch in kritischeren Anwendungen eingesetzt.

Obwohl diese Materialien typischerweise in kleineren Mengen als PP, PA und PBT verwendet werden, können sie Herausforderungen bewältigen – wie hohe Temperaturen, hoher Druck, hohe Frequenzen und Präzisionsformen –, denen herkömmliche Materialien auf lange Sicht nur schwer standhalten können.

Basisharze sind nicht dasselbe wie Materialien in Automobilqualität

Automobilhersteller verwenden in der Regel kein gewöhnliches PP, PA oder PBT; Stattdessen verwenden sie Materialien in Automobilqualität, die hinsichtlich Verstärkung, Flammschutz, Hydrolysebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit, niedriger Dielektrizitätskonstante oder Laserschweißbarkeit modifiziert wurden. Selbst bei Verwendung desselben Basisharzes können unterschiedliche Komponenten völlig unterschiedliche Anforderungen an Verstärkungsverhältnisse, Flammschutzsysteme, Farbstabilität, Verunreinigungskontrolle und Langzeitalterungsverhalten stellen.

Die Anforderungen an Materialien in Fahrzeugen mit neuer Energie entwickeln sich ebenfalls in drei Schlüsselbereichen:

• Erstens verlagert sich der Schwerpunkt von Gewichtsreduzierung und Metallersatz hin zu Flammschutz, Isolierung und Hochspannungssicherheit;
• Zweitens verlagert sich der Schwerpunkt von der kurzfristigen Hitzebeständigkeit hin zur Beständigkeit gegen Kühlmittel, Hydrolyse und langfristige Alterung.
• Drittens verlagert sich der Schwerpunkt von einzelnen Strukturfunktionen hin zur Integration von Funktionen wie Lichtübertragung, Wellenübertragung, Heizung, Dekoration und Sensorik.

Gleichzeitig nimmt auch die Bedeutung von recycelten Materialien, Einstoffkonstruktionen und zerlegbaren Designs zu. Damit recycelte Kunststoffe in Hochspannungs- und Sicherheitskomponenten verwendet werden können, müssen jedoch noch Probleme wie Verunreinigungen, Leistungsschwankungen und langfristige Zuverlässigkeit gelöst werden; Der fortschrittliche Charakter eines Materials kann nicht allein anhand seines Recyclinganteils beurteilt werden.

Ein New-Energy-Fahrzeug nutzt weit mehr als nur fünf Arten von Kunststoffen:

PA wird in Struktur- und Wärmemanagementsystemen eingesetzt; PC verbindet Beleuchtung und intelligente Sensorsysteme; POM übernimmt Präzisionsbewegungen; PBT/PET wird für Hochspannungsverbindungen und Isolierungen verwendet; und modifizierte PSA unterstützen die Batterie- und elektrische Sicherheit. PP, ABS, PU und Elastomere bilden die Grundlage der im gesamten Fahrzeug verwendeten Kunststoffe, während PPS, PPA, PEEK und LCP darüber hinaus in Hochtemperatur-, Hochdruck- und Hochfrequenzanwendungen eingesetzt werden.

Fahrzeuge mit neuer Energie bedeuten nicht den vollständigen Ersatz einer Kunststoffart durch eine andere; Sie stellen vielmehr einen Prozess dar, bei dem Leistung, Kosten, Herstellungsprozesse, Sicherheit und Recyclingfähigkeit für alle Komponenten des Fahrzeugs neu ins Gleichgewicht gebracht werden.