是金属还是塑料?

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  摘 要:本文通过对金属油箱和塑料油箱材质的对比分析,综合讨论了两种油箱的质量优劣,并结合当前国家标准和市场现状,探讨了对金属油箱和塑料油箱的综合质量评定综合结果,以供参考。
  关键词:汽车;燃油箱;材质;质量
  一、金属油箱与塑料油箱的材质区别
  (一)金属油箱
  通常,金属类燃油箱用料材质为通体金属,多采取焊接工艺,且内、外部表面均经过镀镍锌处理,并在外部涂有防腐材料层,具有出色的耐腐蚀、防锈等优点。具体地说,金属类油箱主要有三类:一是铁制(Fe)油箱,其熔点为1538℃,具有有良好的延展性、导电性、导热性能。二是铝制(AI)油箱,其熔点为660℃,同样具有良好的导电性、导热性以及高反射性和耐氧化,且重量较轻;三是铝合金(FE-AL)油箱,其熔点为660℃,具有密度低、抗拉强度高、延伸率高等特性,能够进行氧化深加工,属于热轧铝板系列。欧洲国家最先采用铝合金油箱,目前市面上的铝合金油箱最大容量已达1100升。据市场调查数据显示,对于大型客车、重卡这种耗油量大、燃油质量要求高的车型而言,铝合金油箱已经占据重卡油箱市场份额80%以上。因大型载货重卡普遍以柴油为燃料,而柴油中可能掺杂水或其他杂质,如长期使用铁制油箱,则柴油中的水分将逐渐腐蚀油箱内壁,产生大量铁锈,从而严重影响柴油燃油系统。因此,以奔驰公司、MAN公司为代表的大型载货卡车生产商在其卡车燃油箱材质选择上已100%选用铝合金油箱,以有效保障燃油系统的可持续性能。
  (二)塑料油箱
  塑料油箱是经由一次注塑而成型的,其常见箱体材质有两种,一种为合成树脂,即采用聚乙烯(HDPE)为主材。由于普通HDPE制成油箱存在阻透性不足的问题,目前已推出相关改良产品,如改性HDPE油箱、多层油箱、表面处理油箱。其中,单层油箱原料取材于高密度聚乙烯(HDPE)和聚乙烯(PE)混合物。而多层油箱的原料则相对复杂,基层、功能层和粘合层分别由不同材质组成,从外到内分为新料层(HDPE)、回料层、粘结层(LLDPE)、阻隔层(EVOH)、粘结层(LLDPE)、新料层(HDPE),部分还会在注油管增加一层导电聚乙烯层。其中,内新料层原料主要是高密度聚乙烯(HDPE)聚合物,由于是复合结构的主体,所以内新料层厚度较大,其作用主要在于强化成型的硬度、刚度和骨架的稳定性。阻透层又被称作功能层,常见原料有PA、PA6/PA66、PA6+改性PE和PA+聚醚,以及共聚物如高腈树脂、热塑性PET、皂化EVA、乙烯基醋酸酯共聚物的水解物等。在目前制造工艺中,多选用PA、EVOH、PAN、PVDC等材料,其中尤以PA性能最为出色,兼具了PA6、PA6与PA66共聚物、PA11和非结晶PA等原料优点,在耐腐蚀性、光泽度、热稳定性等方面具有良好表现,能够有效阻隔汽油、甲醇、乙醇等物质,提高油箱耐热性和改善外观性能。外新料层的原料主要是采用尼龙或(乙烯/乙烯醇)共聚物,同时添加黑色母,以提高耐火性。由于高密度聚乙烯是非极性物质,(乙烯/乙烯醇)共聚物是极性物质,高密度聚乙烯和(乙烯/乙烯醇)共聚物之间没有粘结强度,故两个共聚物层之间要借助粘结层来连接。换言之,粘合层即多层油箱的技术要点,一旦粘合不良,则极易发生层间剥离现象,影响塑料油箱的强度和阻透效果,所以对于粘结层采用的粘结剂,要求必须具备较强的粘结力、良好的粘结耐久性能和加工性能,例如聚乙烯、马来酸酐。具体地说,目前对于粘合物原料的选择常见两种,一是共价键型;即,侧基使用马来酸酐POE、丙烯酸POLY接枝化学改性的PE;二是离子键型,通常为三元共聚物TH-3100,或是直接聚合成的共聚物。另一种塑料油箱材质为工程塑料PC+ABS。这种材料兼具PC树脂的优良耐热耐候性、尺寸稳定性、耐冲击性能,以及ABS树脂的加工流动性。但质量重、导热性能欠佳,如温度太高ABS会分解,太低则会造成PC料流动性不良。熔点介乎于两种原料之间,即240℃—265℃。
  值得一提的是,目前我国自主研发的非层状掺混单层塑料油箱制造专利技术已通过德国TUV认证机构根据欧洲经济委员会标准(ECE)要求的安全认证。经国内多家生产单位试用,完全满足塑料油箱成品件性能的全部要求,相关塑料油箱多层挤出吹塑、氟化处理、磺化处理、等离子体处理、阻燃和層状掺混等专利技术仍有着巨大研发潜力。
  二、金属油箱与塑料油箱质量的对比
  油箱是车辆动力源的直接载体,通常放置在车辆后轴前段,车体的中后部,其设计目的在于避免车辆在遭受外力撞击时,不论任何位置的冲撞都不会对油箱造成致命损害,以保护车辆,尽量避免引油箱破裂而引发爆炸。而对于油箱的材质选择,成为时下热议话题。我国出台的《机动车运行安全技术条件》(GB7258-2012)实施指南中对邮箱材质选择并未作出明确规定,也没有相关强制标准,仅指出任何车辆均须一律通过燃油箱盖密封性试验、安全阀开启压力试验、振动耐久性试验、油箱耐压试验。而在国外,很多汽车厂商陆续放弃金属油箱取材,逐步转向塑料油箱的配置。因此,到底是选择金属油箱还是塑料油箱,一时间众说纷纭。从整体来看,对金属油箱与塑料油箱的激烈争议点主要在其质量安全问题上。对此,下文将围绕金属油箱与塑料油箱的优劣点展开分析:
  (一)塑料油箱
  塑料油箱通常采用耐腐性强的高密度聚乙烯(HDPE),经一次性吹塑、多层挤出吹塑、滚塑处理、氟化处理、磺化处理、等离子体处理、阻燃和层状掺混等工艺制成,具有较强的可塑性,且重量较轻,能够为车辆节约内部空间,更有利于车辆厂商对车辆的整体外观、内部结构的个性化设计。
  1.制作工艺
  目前,塑料油箱的制作工艺主要以挤出吹塑和滚塑处理为主。
  (1)挤出吹塑的处理方式是将软化状态的高密度聚乙烯(HDPE)用挤出机挤出型坯,再放入成型模内用两半片模具将型坯夹紧,接着通入压缩空气,利用空气压力使坯料沿模腔变形,最后经冷却脱模得成品燃油箱。经挤出吹塑工艺制造出来的油箱,其原材料分子量极高,力学强度优异,但高昂的设计和制造成本,使其目前仅用于结构紧凑、批量大的乘用车型上。   (2)滚塑的处理方式是将低密度聚乙烯(LDPE)加入模具中,然后模具沿两垂直轴不断旋转并被加热,使模内坯料在重力和热能作用下逐渐均匀涂布、熔融粘附于模腔的整个表面,待完全塑化达到要求厚度后,往模具夹套内注入冷水经冷却定型而成制品。这类制作手法模具简单,能够保障油箱壁厚较为均匀,易于安装金属类紧固镶件,但材料难以符合汽车燃油箱性能要求,且成型周期较长,能耗大,所以仅在空间大、批量小的商用车领域适用。
  2.结构优势
  就目前市场现状来看,塑料油箱通常采用多层结构设计,其箱体璧厚度为4毫米—10毫米,因而重量相对于车身整体重量而言,基本可忽略不计,所以相较于金属油箱,塑料油箱更符合汽车轻量化的发展趋势。其次,塑料的相对密度仅为金属的1/8一1/7。在容积相同的情况下,塑料油箱的质量比金属油箱略少30%至50%,所以配置塑料油箱车辆整体质量将有所减轻,从而能够降低燃油消耗。据资料介绍,汽车质量每减轻1kg,一般而言1L汽油可使汽车多行驶0.1km。此外,塑料材质还有着出色的韧性度,能够让塑料油箱在特殊情况下对外部冲击的承受力更好,即便是有发生撞击,但在不严重的情况下,塑料油箱可自行恢复,降低爆裂危险。再者,塑料是化工产品,其成分大多属于再生资源,因而从成本角度考虑,不仅价格更低廉,且不会受到原材料价格上涨等外部因素的影响,更适合大规模的批量制造。此外,塑料油箱通体采用聚乙烯(HDPE)等塑料原料制造,而这一材质有着与金属相似的刚性,所以在发生撞击产生火花时,能够与金属油箱一样具备同样的安全性。
  (二)金属油箱
  1.制作工艺
  首先,金属油箱的制作工艺相对复杂,不仅是箱体内外部采用了镀镍锌材质,且在整个油箱表面也进行了FPO-3冷轧钢板汽车零件的标准处理,保障了油箱整体外部防腐、内部防锈。其次,金属油箱壁板厚度通常限定在1mm至1.5mm内,且箱内设有隔板,通常,隔板采取纵向布置,高度为最低液面高度,以确保油区与泵吸油区相分离,增大油液循环的路径,降低油液的循环速度。但也有部分款式的油箱隔板高于液面,但会在箱内中部设置空口,配置适当滤网,以对油液进行粗滤,析出气泡、沉淀杂质。
  2.结构优势
  金属材质良好的导电性能使得油箱在连接车辆电瓶负极时,与车辆也不会产生电位差以及静电现象。所以,即便因为撞击而产生火花,也不会引起燃烧或爆炸。其次,金属油箱具有稳定的耐高温性。美国火灾预防研究基金会通过75次的“火烧试验”对金属和塑料油箱进行高温测试,其结果表明在火烧实验中,金属油箱的箱体各部分受热均匀,即便某一局部持续受热,也不会出现融化现象,具有较为出色的密封性。而在火烧高温测试中,塑料油箱的表现则不如金属油箱,虽然塑料油箱的隔热效果良好,但在外界长时间、持续的高温下,局部将出现融化现象,再加上导热效果不佳,油箱压力不断增大,局部受热点喷涌几率极大,由此引发的剧烈燃烧指数也将随之提高。在与之相对的低温测试中,金属油箱也略占优势。据相关试验证明,在零下四十度的低温状况下,金属油箱耐低温稳定性也较为出色,塑料油箱的强度显然不如金属油箱,不仅会出现变脆的现象,还可能出现裂纹,引发泄露等安全隐患。
  基于前述,两款油箱皆具优势,到底材质与安全有无关联,C-NCAP(中国新车评价规程)围绕这一问题进行了实际测试,并提出“若燃油供给系统存在液体连续泄漏,且在碰撞后前5 分钟平均泄漏速率超过30g/min,则减去2 分”的判断标准。据50km/h 100%正碰、64km/h 40%偏置碰和50km/h侧碰等几项试验结果显示,目前国内在售主流车型中,无论是装备了哪种材质的油箱,均未出现上述减分现象。由此可见,只要车辆发生撞击是在设计速度内,油箱材质并不影响车辆整体安全要求。
  四、综合结论
  根据现代科学技术和生产工艺,任何车辆在进行车体与结构设计时,都会将油箱放置在整车的非碰撞区域。甚至有很多国家出台强制性规定,要求安装在整车上的油箱必须满足车辆在时速50km发生碰撞时不发生泄漏。此外,相关领域权威也多次为油箱材质正名,强调车辆发生追尾碰撞后是否会出现泄漏并引发燃烧,是与燃油箱盖的密封性、安全阀的开启压力、油箱的耐久性相关,而与油箱材质并无直接关联。
  由此可知,车辆选用何种材质的油箱,主要和车辆的性能有关。金属油箱和塑料油箱在质量和应用方面都各有优势,但无论采用何种材质,厂家都必须根据国家标准进行严格的检测实验,采取有针对性的技术防护,所以,笔者认为油箱的材质如何,与车辆的安全其实并无多大关联,只要车辆出厂符合国家安全标准,无论使用的是金属油箱还是塑料油箱,其车辆整體安全性能是相同的。与其在油箱材质方面纠结,不如重点关注汽车的车身结构、刹车系统、安全气囊及悬挂系统等实用型方面。
  参考文献:
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