聚苯胺-石墨烯纳米复合材料在痕量重金属离子检测中的应用-常雁红(完整版)实用资料

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聚苯胺_石墨烯纳米复合材料在痕量重金属离子检测中的应用_常雁红（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）Polyaniline/GrapheneNanocompositeinDetectingTraceHeavyMetalIonsChangYanhong1,WangBin1,2,LuoHui1,ZhiLinjie21UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China2NationalCenterforNanoscienceandTechnology,TheChineseAcademyofSciences,Beijing100080,ChinaAbstract:Polyaniline/graphenenanocomposite(PANI/Gwassynthesizedbyaninsitupolymerizationpro-cedure.ThemicrostructureofPANI/GwascharacterizedbySEM,TEMandXRD.TheelectrochemicalmethodswereusedtoinvestigatetheapplicationofPANI/Gindetectingtraceheavymetalions.UsingPANI/Gmodifiedglassy-carbonelectrodeasaworkingelectrode,themixedheavymetalionsincludingCd2+,Cu2+,Pb2+wereidentifiedbyAnodicStrippingVoltammetry(ASV.ResultsshowedthatPANInanotubescoatedbygraphenenanosheertsexhibitedhighersensitivityindetectingheavymetalionsthanPANInano-tubes.ThedetectionlimitsforCd2+,Cu2+andPb2+inmixedheavymetalionswere10-5mol/L,10-7mol/Land10-8mol/L,respectively.Keywords:graphene;polyaniline;electrochemicalanalysis;heavymetalions聚苯胺/石墨烯纳米复合材料在痕量重金属离子检测中的应用常雁红1,王斌1,2,罗晖1,智林杰1北京科技大学,北京,中国,1000832中国科学院,国家纳米科学中心,北京,中国,100080摘要:采用原位聚合的方法合成了聚苯胺/石墨烯纳米复合材料(PANI/G。利用SEM、TEM、XRD等方法对纳米复合材料的结构进行了研究,并采用电化学方法探讨了复合材料在痕量重金属离子检测中的应用。以PANI/G修饰的玻碳电极为工作电极,采用阳极溶出伏安法对Cd2+、Pb2+、Cu2+三种重金属离子混合溶液进行了电化学检测。研究结果表明:PANI/G为薄层石墨烯片包覆聚苯胺纳米管结构;PANI/G比PANI对重金属离子的检测性能好,PANI/G修饰的玻碳电极对混合金属离子溶液中Cd2+的检测下限为10-5mol/L,Cu2+的检测下限为10-7mol/L,对Pb2+的检测下限可以达到10-8mol/L。关键词:石墨烯;聚苯胺;电化学检测;重金属离子1引言重金属离子广泛存在于各种水体中,具有痕量致毒、生物放大及在生物体内难以降解等特点,对人体健康危害明显,因而重金属污染研究已经成为环境保护研究中的重要课题。重金属离子的快速检测技术在近年来得到极大发展,其中电化学检测方法由于具有简便可行、灵敏度高等优势,在众多检测技术中脱颖而出[1-3]。针对电化学阳极溶出检测方法,化学修饰电极是研究的重点和热点,尤其是所选用的活性材料,材料的性能直接影响到检测的过程和效果[4-7]。聚苯胺(PANI作为一种富含-CN的导电有机聚合物,具有电导率好、活性位点多等优势,是一种通用的传感材料[8-10]。石墨烯(Graphene是具有单碳原子层厚度的二维纳米材料,由于具有超高电导率、大比表面积等特点,近几年来得到了极大发展,被应用在众多领域[11-13]。综合考虑聚苯胺和石墨烯的特点,本文制备了聚苯胺/石墨烯纳米复合材料(PANI/G,ConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2021SciRes.1169这种纳米复合材料既利用了聚苯胺的高电化学活性,又通过负载石墨烯弥补了聚苯胺本身比表面积不大的缺陷,可大大提高聚苯胺修饰电极的电化学活性,有利于对多种重金属离子的富集和检测。本文通过原位聚合的方法合成了聚苯胺/石墨烯纳米复合材料(PANI/G,并对其结构进行了表征与分析。通过与空白玻碳电极与聚苯胺修饰的玻碳电极进行比较,考察了PANI/G修饰的电极检测不同种类重金属离子的能力。2实验部分2.1PANI/G的制备与表征所用药品均为分析级,全部实验过程使用三级去离子水。取一定量石墨烯固体粉末混于150mL盐酸溶液中(1mol/L,超声处理30分钟,得到石墨烯悬浮液于冰箱中冷却一定时间。将一定量苯胺分散在150mL盐酸溶液中制得0.2mol/L的溶液,另外将一定量过硫酸胺溶于200mL事先冷却处理的盐酸中得到0.5mol/L的溶液备用。在搅拌状态下向上述石墨烯悬浮液中依次慢慢滴加苯胺溶液和过硫酸胺溶液,之后于冰浴下搅拌反应12小时,过滤,用甲醇、乙醚、水充分洗涤,过滤、干燥后可得到黑色粉末。在不加石墨烯的同等条件下制备得到聚苯胺。材料的表面形貌观察采用G20ST透射电镜(TEM和S4800型扫描电镜(SEM,结构分析采用X射线衍射仪(XRD。2.2PANI/G修饰玻碳电极的制备采用1%的nafion溶液作为黏合剂,将一定量PANI/G粉末分散在nafion溶液中,振荡、超声使其分散均匀。采用粒径为0.3μm铝粉对玻碳电极进行表面抛光,三级蒸馏水冲洗干净。取20μL材料分散液滴涂在电极表面,自然晾干后备用。作为对比,同时制备了只有聚苯胺修饰的玻碳电极。2.3重金属离子的电化学检测方法采用阳极溶出伏安法实现对重金属离子的电化学检测。首先将电极浸入搅拌中的重金属离子溶液中吸附5分钟;然后将电极转移到有盐酸溶液的电解槽中,-1V条件下进行离子沉积120s;最后通过正向电位扫描记录输出信号。电化学实验在CHI660型电化学工作站上进行,三电极系统,金属铂丝做对电极,饱和甘汞电极做参比电极。3结果与讨论3.1PANI/G的结构表征取少量制得的PANI和PANI/G材料附着在导电胶上进行扫描电镜观察,得到试样宏观形貌如图1所示。可以看出,聚苯胺形成了密集分布的管状结构,管径在100nm~200nm之间(图1a。引入石墨烯以后,聚苯胺纳米管团簇与石墨烯混在一起,由于石墨烯片层较大,基本形成了石墨烯包裹聚苯胺纳米管团簇的结构(图1b,这种结构增加了聚苯胺纳米管之间的有效接触,利于电子在纳米复合材料上的传输,提高了材料的电化学活性。为进一步表征材料的微观结构,将少量PANI和PANI/G超声分散在一定量三次去离子水中,滴在铜网上干燥以后进行透射电镜观察。图1c显示的是PANI的微观形貌,可以看出得到的聚苯胺纳米管长短不一,从纳米级到微米级不等。从图1d中可以看出石墨烯片层均匀,聚苯胺纳米管被薄层石墨烯包覆。这一结果进一步说明石墨烯片层和聚苯胺纳米管充分接触,形成了石墨烯包裹聚苯胺纳米管的结构。图2为PANI和PANI/G的XRD谱图。与PANI的谱图相比,有石墨烯混入的PANI/G出现了石墨烯的两个特征衍射峰(001和100。001衍射峰体现了薄层石墨的层间结构,100衍射峰则是代表了石墨烯二维平面上的周期性结构。XRD的分析结果表明了PANI/G复合材料中石墨烯的存在,并且仍保持了原有的结构,成为了聚苯胺纳米管的良好载体以及电子传输通道。3.2重金属离子检测为了研究PANI/G复合材料对痕量重金属离子的检测效果,我们选取了Cd2+、Pb2+、Cu2+三种重金属离子作为测试对象,并与PANI的检测效果进行了对比。从图3a可以看出,与PANI修饰的电极相比,石墨烯的引入大大提高了检测信号峰强度。添加了PANI/G的电极在-0.78V(对饱和甘汞电极,下同、-0.48V、-0.15V分别出现了信号峰,各自对应于Cd2+、Pb2+、Cu2+在电极表面上发生的电化学反应,表明了ConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2021SciRes.1170图1.PANI(a和PANI/G(b的SEM像,以及PANI(c和PANI/G(d的TEM像Figure1.SEMimagesofPANI(aandPANI/G(b,TEMimagesofPANI(candPANI/G(d图3.(aPANI/G和PANI修饰的玻碳电极检测Cd2+、Pb2+、Cu2+混合离子的溶出伏安曲线,重金属离子浓度均为10-5mol/L;(bPANI/G修饰的玻碳电极检测不同浓度的Cd2+、Pb2+、Cu2+混合离子的溶出伏安曲线,从上至下浓度依次为:10-6mol/L、10-7mol/L、10-8mol/L和10-9mol/LFigure3.(aAnodicStrippingVoltammetrycurvesrecordedusingbothPANI/GandPANImodifiedelectrodesinCd2+、Pb2+、Cu2+mixedsolution,theconcentrationwas10-5mol/L;(bAnodicStrippingVoltammetrycurvesrecordedusingaPANI/Gmodi-fiedelectrodeinCd2+、Pb2+、Cu2+mixedsolutionofdifferentconcentrations,fromtoptobottom,10-6mol/L、10-7mol/L、10-8mol/Land10-9mol/L图2.PANI/G(a和PANI(b的XRD谱图Figure2.XRDpatternsofPANI/G(aandPANI(b修饰的电极对Cu2+的检测下限为10-7mol/L,对Pb2+的检测下限可以达到10-8mol/L。PANI/G修饰的玻碳电极对三种离子都有检测效果。曲线中有肩峰的出现,可能是不同价态的离子之间发生的不同氧化还原反应引起的,与电极表面不同的微观环境也有关系。与PANI/G相比,PANI修饰的电极在-0.78V处没有信号变化,说明单纯的PANI在Pb2+、Cu2+存在条件下对10-5mol/L的Cd2+没有检测效果。另外由于石墨烯的掺入,PANI/G对铅离子的检测性能提高了一倍以上。4结论采用原位聚合的方法得到的聚苯胺/石墨烯复合纳米材料(PANI/G为石墨烯片层包覆聚苯胺纳米管结构,PANI/G修饰的电极对混合重金属离子Cd2+、Pb2+、Cu2+的检测效果比聚苯胺材料提高了一倍,在同种条件下对Cd2+的检测下限为10-5mol/L,对Cu2+的检测下限为10-7mol/L,对Pb2+的检测下限可以达到10-8mol/L。图3b对PANI/G修饰电极的重金属离子检测效果做了进一步的研究,通过研究对不同浓度重金属离子产生的响应信号强度的变化,可以看出PANI/GConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2021SciRes.1171References(参考文献[1]GracielaMartínez-Paredes,MaríaBegonaGonzález-García,AgustínCosta-García,Insituelectroc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m———填料质量分数;βm与式1中的t含义一样。对PPS/CNTs复合材料的导电行为采用Benoit拟合,结果见Fig.3。从拟合结果中可以得到PPS/CNTs复合材料导电逾渗的临界质量分数为219973第8期吴兰峰等:聚苯硫醚/碳纳米管复合材料的导电和力学性能phr,这与上述实验值相近,即在PPS基体中CNTs含量接近3phr时形成了逾渗网络。显然,PPS/CNTs复合材料的导电性是典型的逾渗行为。较低的逾渗阀值同样证实了CNTs均匀分散在PPS基体中,两者间良好的亲和性必然会改善复合体系的力学性能。2.3PPS/CNTs复合材料的力学性能Tab.1给出了不同PPS/CNTs复合材料的拉伸强度、模量和冲击强度与CNTs含量的关系。显然,与纯PPS试样相比,当CNTs填充量仅为1phr时,体系模量即显著增加了166%,而填充量为3phr时,拉伸强度增幅达到66%。这进一步证明了CNTs在PPS基体中的良好分散。两相间良好的界面粘接使得复合体系在拉伸过程中,界面层能够有效地将载荷传递至高强度的碳纳米管,从而显著增加了拉伸强度[4]。Tab.1ThemechanicalpropertiesofPPS/CNTscompositesSampleTensilestrength(MPaYoung′smodulus(GPaImpactstrength(kJ/m2PPS25.141.445.081phr29.883.836.713phr41.674.065.425phr43.684.356.237phr48.084.456.449phr44.324.315.83随CNTs含量的增加,复合材料的拉伸强度继续增大。不过,当CNTs含量达到3phr之后,拉伸强度的增加逐渐趋缓。如前文所述,CNTs含量达到3phr时,一方面有更多的CNTs能够承载外部载荷;但另一方面,均匀分散的CNTs开始形成逾渗网络结构,CNTs互相搭接,并随CNTs含量继续增加网络密度不断增大,此时反而容易产生CNTs的聚集(见Fig.1(c,PPS基体对CNTs的有效包覆程度变差,两相界面粘接减弱,从而形成不良的应力集中点。因此,这种CNTs的聚集和CNTs间的应力传递作用的矛盾使复合材料的拉伸强度增加趋缓。与填入CNTs后拉伸强度的显著增加相比,复合材料冲击强度的增加并不明显,见Tab.1。与PPS纯样一样,复合材料仍然表现出脆性断裂的特征。但冲击强度的略微增加仍然说明PPS基体中均匀分散的CNTs在一定程度上起到了能量耗散的作用,冲击过程中剪切带尤其是较厚的界面层有大量银纹的产生,使复合材料的冲击强度有所增加。因此,从以上测试结果综合来看,CNTs的引入全面提高了PPS的力学性能,不过CNTs的用量并非越多越好,在获得较好的力学性能提升的前提下,CNTs用量控制在逾渗阀值,即2phr~3phr左右较为适宜。Fig.4DynamicstoragemodulusE′vs.temperatureforPPS/CNTscomposites2.4PPS/CNTs复合材料的动态力学性能在材料的实际应用过程中,往往许多时候是在交变负载以及温度变化的复杂环境中使用的。这就有必要进一步对PPS/CNTs复合材料的动态热力学行为进行测试。Fig.4给出了三点弯模式测量的PPS/CNTs复合材料储能模量E’与温度的关系图。从图中看出,复合材料的储能模量E′随CNTs含量的增加逐渐增加。CNTs含量为1phr时,E′就从纯PPS基体的3800MPa左右提高到了4500MPa左右,与前面力学性能测试一致,较少的CNTs填充量即可得到较大的模量增幅。同样,储能模量E’的增加主要是由于CNTs与PPS基体之间良好的界面粘接带来的有效应力传递作用所致[5]。当CNTs含量达到3phr时,储能模量E′达到最大。与前面所述的拉伸性能一样,此时CNTs形成了逾渗网络,CNTs在承受应力的同时,还起到了传递应力的作用。而当CNTs含量超过3phr时,储能模量E′反而急剧下降,这与拉伸强度的变化不同,说明在弯曲过程中,复合体系的动态力学性能对CNTs逾渗网络结构更为敏感[6]。显然,当CNTs逾渗后随其含量继续增加,在CNTs的微观聚集和CNTs间应力传递作用这对矛盾中,对材料弯曲性能的贡献则是CNTs的微观聚集占据了主导作用。3结论熔融共混制备了聚苯硫醚/碳纳米管复合材料。均匀分散的碳纳米管显著增加了复合材料的导电性,全面提高了复合材料的拉伸及冲击强度,但过多的碳纳米管对材料力学性能贡献不大。参考文献:[1]WUDF,ZHANGYS,ZHANGM,etal.Morphology,nonisothermalcrystallizationbehavior,andkineticsofpolySci.,2007,105(2:7392748.[2]GOPAKUMARTG,GHADAGERS,PONRATHNAMS,etal.83高分子材料科学与工程2021年poly(phenylenesulfide/liquidcrystallinepolymerblends:1.non2isothermalcrystallizationkinetics[J].Polymer,1997,38:220922214.[3]BENOITJM,CORRAZEB,LEFRANTS,etal.TransportpropertiesofPMMA2carbonnanotubes[J].CompositesSyntheticMetals,2001,121(123:121521216.[4]KUANHC,MACCM,CHANGWP,etal.Synthesis,thermal,mechanicalandrheologicalpropertiesofmultiwallcarbonnanotube/waterbornepolyurethanenanocomposite[J].CompositesScienceandTechnology,2005,65(11212:170321710.[5]BROZAG,KWIATKOWSKAM,ROSLANIECZ,etal.Processingandassessmentofpoly(butyleneterephthalatenanocompositesreinforcedwithoxidizedsinglewallcarbonnanotubes[J].Polymer,2005,46(16:586025867.[6]WUDF,WUL,ZHANGM.Rheologyofmulti2walledcarbonnanotube/poly(butyleneterephthalatecomposites[J].J.Polym.Sci.PartB:Polym.Phys.,2007,45:223922251.ElectricalandMechnicalPropertiesofPoly(PhenyleneSulfide/CarbonNanotubesCompositesWULan2feng1,2,WUDe2feng1,2,ZHANGMing1,2(1.SchoolofChemistry&ChemicalEngineering,YangzhouUniversity;2.ProvincialKeyLaboratoryofEnvironmentalMaterial&Engineering,Yangzhou225002,ChinaABSTRACT:Poly(phenylenesulfide/carbonnanotubescomposites(PPS/CNTswerepreparedviameltmixing.Themorphology,electricalandmechanicalpropertiesofPPS/CNTscompositeswerestudied.TheresultsindicatethatCNTsshownicedispersioninthePPSmatrix,whichleadstoaremarkableenhancementintheperformanceofthecomposites.SmalladditionofCNTsincreasestheconductivityofthecompositesdramatically.Thepercolationthresholdisabout2phr~3phr.ComparedwiththoseofneatPPS,boththetensilestrengthandimpactstrengthofthecompositesincrease,especiallyatlowCNTsloadings.However,excessiveadditionofCNTshasnoremarkablecontributiontotheenhancementofmechanicalpropertiesduetothecontradictionbetweentheeffectofloadtransferandaggregationofCNTs,whichisfurtherconfirmedbythedynamicthermalmechanicalanalysis(DTMA.Keywords:PPS;CNTs;composites;conductivity;mechanicalproperties(上接第35页。continuedfromp.35AdsorptionKineticsofWateronCollagenFibersTULian2mei,ZHENGXue2jing,TANGKe2yong(CollegeofMaterialsScience&Engineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450052,ChinaABSTRACT:Theadsorptionkineticsofwateroncollagenfiberswereinvestigatedinthepaper.Itisshownthatwateruptakingisrapidinthefirst6hours,followedbyaslowerrateuntilequilibriumisreached.Theamountofwateradsorbedoncollagenfibersatequilibriumincreaseswithincreasingtherelativehumidityoftheenvironment.BothLagergrenfirst2orderandthesecond2orderadsorptionkineticsmodelswereemployedtoanalyzetheexperimentaldata.Thesecond2orderkineticmodelpresentedabettercorrelationtotheexperimentaldata.Intra2particlediffusionplotsshowmulti2linearitywiththreedistinctstages:initialcurvedportion,followedbyintermediatelinearportionandthen,aplateau.Theintermediatelinearpartisconsideredtobecontrolledbyintra2particlediffusion.Thelinearplots,notpassthroughtheorigin,indicatethattheintra2particlediffusionisnottheonlyonefactorcontrollingthewateradsorptionrate.Keywords:collagenfibers;adsorption;water;kinetics93第8期吴兰峰等:聚苯硫醚/碳纳米管复合材料的导电和力学性能第39卷第11期2021年11月化工新型材料NEWCHEMICALMATERIALSVol.39No.11·1·作者简介:马鸣图(1942-,男,副总工程师,从事汽车轻量化材料和相关成形技术研究欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍氥氥氥氥。行业述评塑料复合材料在汽车轻量化中的应用马鸣图魏莉霞朱丽娟(中国汽车工程研究院股份,重庆400039摘要由于汽车工业的迅速发展,汽车产量和保有量的增多,带来了油耗、排放和安全三大问题。论述了汽车节能减排是汽车工业发展的必然趋势,轻量化是汽车节能减排的直接而有效的手段;介绍了汽车轻量化意义和轻量化工程的实施方法。塑料复合材料具有比重轻、耐腐蚀,及很强的设计性和良好的工艺性能,是重要的轻量化材料;在汽车内饰件、部分结构件应用塑料复合材料可减重60%以上。同时论述了汽车中应用量较大的釜内合金PP塑料的研究进展和典型性能,这类材料在汽车轻量化和汽车用塑料单一化中展示了广阔的前景。关键词汽车轻量化,节能减排,釜内合金PP塑料ApplicationofplasticcompositeinvehiclelightweightMaMingtuWeiLixiaZhuLijuan(ChinaAutomotiveEngineeringResearchInstituteCO.,LtdChongqing400039AbstractThebriefconditionofdevelopmentofchinaautomotiveindustrywasreviewed.Threeproblems:oilcon-sumption、emission、safetywerebroughtaboutduetotherapiddevelopmentofautoindustry、theproductionoutputandvehiclestockinChina.Energysavingandemissionreductionisnecessarytrendofvehicleindustrydevelopment.AeffectiveanddirectmethodandwayisAutolightweight.Theconcept,significanceandimplementationmethodshavebeenintro-duced.PlasticCompositebehavessmallproportion,goodcorrosionresisting,flexibledesignperformanceandbettertech-nologypropertywhichisimportantlightweightmaterial.theapplicationofplasticcompositeininteriortrimpart,somestructuralmembercanreduceweightabove60%.TherecentresearchprogressandtypicalpropertiesofPolymerizationfillingalloyPPextensivelyusedinvehiclewereintroducedinthearticleatthesametime.Thebroadprospectfortheappli-cationofPolymerizationfillingalloyPPandplasticsimplificationusedinvehicleisshowed.Keywordsvehiclelightweight,energysavingandemissionreduction,polymerizationfillingalloyPP2000年以来,中国汽车工业进入了快车道,2021年中国汽车产量为1364万辆,产销量均居世界第一,2021年在世界金融危机的影响下,中国汽车产量达到1800万辆,令世人刮目相看,汽车保有量接近8000万辆。汽车产量的增多,保有量的加大,在给人们出行带来方便和带动产业发展的同时,也产生了能耗、安全和排放三大问题。2021年中国石油产量为4.23亿t,进口2.4亿t,石油的对外依存度达55%。在石油消耗中,汽车是消耗石油的大户,汽油消耗占国内汽油总产量的85%;汽车柴油消耗占全国柴油消耗总量的35%,农用车柴油的消耗占中国柴油总产量的11%,两者占中国柴油总产量的46%。汽车工业发展的另外一个问题就是排放,在大城市中汽车排放污染已占到城市大气污染的80%,汽车的尾气排放除少量的有害气体之外,还有大量的温室气体排放,每燃烧一升汽油,将产生2.2~2.5kg的CO2;温室气体是近年来全球变暖、南北极冰层融化、气候反常的一个重要因素。2021年10月,地球大气层中CO2含量已达到390ppm(×10-6,下同,而人类赖以生存的地球无反常感觉的大气层中CO2的最高含量为430ppm,因此世界各国特别关注温室气体的排放。汽车工业的发展、汽车产量、保有量增多、运行车辆增多也带来了交通安全问题。从2005年以后,中国每年死于交通事故的人数都超过10万人,每年伤亡人数超过20万人,即百万辆汽车死亡人数超过0.5万人。随着汽车产量的增多,这一数字还会增加。每年交通事故的损失巨大。因此如何提高汽车运行过程中的安全性和出现交通事故后减少对人身的伤害(被动安全性也是汽车工业所面临的重大安全问题。摆在汽车工业面前的一个十分紧迫的问题就是节能减排,同时也提高汽车的安全性,汽车的节能减排,除了降低风阻、提高发动机的效率、降低摩擦之外,一个最直接、最有效的方法和途径就是轻量化。1汽车轻量化意义重大1.1汽车轻量化是节能减排的重要方法和途径对一般乘用车而言,重量每减少10%,可节油7%~8%,CO2排放可减少6%~7%,其他有害气体排放可减少3%~化工新型材料第39卷4%;对大部分商用车而言,每减重1000kg,油耗可降低6%~7%。美国福特汽车公司的全顺车在欧洲试验结果表明,满足欧Ⅳ标准条件下,每百公里油耗Y与自重X满足以下关系:Y=0.003X+3.3434(1油耗的下降,意味着CO2、氮氧化物(NOx等有害气体排放量的下降。对各种类型车的大量试验结果表明,车辆的油耗与汽车的质量成线性关系。图1表示汽车运行阻力分析。可以看出,在汽车运行的4种阻力中,只有空气动力学阻力与汽车的自重无关,其他3种阻力均与汽车自重呈线性关系;这进一步表明汽车轻量化可以有效减低汽车运行的阻力,从而降低油耗和排放。汽车减重10%,对不同类型车型油耗影响的计算机模拟结果见图2,可见减重可以有效提高汽车的燃油经济性。1.2汽车轻量化是提高汽车动力性、舒适性和竞争力的必然选择汽车轻量化后,在同样的发动机情况下,由于汽车运行阻力的降低,而使发动机的动力性能提升、加速性能改善。同时,由于汽车轻量化而使汽车中附加的舒适性相关的附件、汽车电器、电子的增重与轻量化相平衡而不另外增加汽车的重量,即可在较高舒适性的前提条件下,保持节能减排。另外,汽车轻量化实施过程中将会采用一系列的新技术、新工艺、新材料,从而提升汽车的档次,也提高了汽车的竞争能力。1.3汽车轻量化对相关工业具有很好的带动作用汽车轻量化是高强度钢、先进高强度钢、轻量化的材料铝合金、镁合金、塑料复合材料的优势集成,汽车轻量化将会促进这些新技术、新材料的发展,从而对汽车相关工业具有强大的带动作用。1.4汽车轻量化是社会发展的需要当前,我国石油对外依存度已超过55%,石油的进口和储备已涉及到我国的能源战略安全,汽车轻量化有效的节能不仅可以减少大气污染,还有利于我国石油的战略储备和能源安全,从而保证我国国民经济的正常运行和社会发展的正常需要。因此,汽车轻量化有利于满足法规要求、可以使轴荷更好的分配、在不加重的前提条件下提高舒适性、有利控制CO2排放,即可以降低摩擦消耗、降低有害气体排放、改进行驶的动力学性能、提高行驶的舒适性、优化动力对质量的比。因此无论普通燃油车、混合动力车和新能源汽车都需要轻量化。总之,从社会发展的角度,从能源战略储备的角度以及环境和社会发展的需要,汽车轻量化都具有重要意义。2轻量化的实施途径汽车轻量化的实施必须首先进行轻量化的概念设计,通过几何形状的优化,包括采用优化的轻量化结构、去掉汽车零部件的冗余部分和采用空心结构,从而产生相关的轻量化;通过合理的选材,包括应用高强度和超高强度的轻量化材料、低密度的材料,如铝合金、镁合金、塑料复合材料等,利用这些材料优势的集成,达到既轻量化又保证满足各种法规,特别是碰撞安全法规的要求。当采用各种高强度材料时,就会涉及材料先进的成形技术,因此,通过采用先进的成形技术,包括超高强度钢的热冲压成形技术、塑料复合材料的气辅成形技术、铝合金和镁合金的半固态成形技术等,使复杂零部件成形和满足零部件功能的要求,并取得轻量化。因此,汽车轻量化实际是各种高强度轻量化材料优势的集成,各种先进制造技术的优势集成,是设计、材料、制造工艺技术多个专业优势的集成。其轻量化的实施途径见图3。图3汽车轻量化的实施路径3塑料复合材料在汽车轻量化中的应用3.1塑料复合材料对汽车的减重效果塑料复合材料具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好、易成形从而降低了复杂零件的加工难度,塑料基的复合材料可设计性强,耐冲击并可绝热、不导电,因此,是汽车轻量化的重要材料。典型塑料的比重仅为钢的1/7,和钢相比,塑料复合材料减重的潜力示于图4,图中示出了零件等弯曲弯度和等弯曲强度下塑料对钢的减重百分数。3.2塑料复合材料在汽车上应用的零件示例塑料复合材料在汽车上有广泛的应用,包括内饰件、装饰件和许多结构件,特别是近年来塑料复合材料正由内饰件和装饰件向结构件发展,以减轻汽车结构件目前的重量。典型的构件有发动机的进气歧管、各种内饰的拉手、发动机油底·2·第11期马鸣图等:塑料复合材料在汽车轻量化中的应用图4塑料复合材料减重的比例壳、汽车悬架的变截面板簧、发动机罩盖以及部分车门的内外板、发动机盖板等。塑料复合材料目前在汽车上应用的品种有PP、PE、PVC、PA、POM、PC等,以及短纤维和长纤维增强的塑料复合材料。汽车用的工程塑料大体可以分为两大类,目前在不同乘用车车型上应用的重量比大约为8%~10%,商用车车型上1%~2%。除了上述构件之外,在混合动力车上,还有一个重要的应用就是电池支架,在内饰件中有仪表板、发动机的进气歧管。汽车用塑料复合材料有热固性和热塑性两类,考虑到汽车回收方便和法规的要求,目前热固性塑料用量正在下降,由于热固性塑料价格较便宜,特别是树脂类的复合材料包括SMC、长纤维增长的复合材料在商用车上还有较多的应用,如导流板、发动机油壳等。热塑性复合材料用量正在扩大,重点包括:ABS、尼龙和聚丙烯等。考虑到汽车回收的方便,目前汽车塑料的一个重要的发展趋势,是汽车用塑料的单一化,以便于管理,扩大应用,便于回收。3.3汽车用塑料复合材料的发展汽车用塑料复合材料的发展趋势是单一化和扩大热塑性塑料的应用,重点是PP塑料的扩大应用。长期以来,汽车用PP塑料的改性是通过共混料加入橡胶弹性体以提高PP塑料的强度和韧性,但是在共混料掺入橡胶弹性体时,很难保证细颗粒弹性体分布均匀,针对这种情况,近年来,国外开发了釜内合金。通过催化反应在釜内合金中加入橡胶弹性体,确保弹性体颗粒的分布均匀和颗粒细小,以及基础料和共混料的性能的一致性。该类釜内合金PP塑料基础料性能及一汽奔腾和吉利熊猫保险杠的性能、改性料的性能分别列于表1、表2、表3和表4。表1釜内合金两种PP塑料的性能实验项目材料一材料二23.519.8断裂标称应变36160拉伸弹性模量761366弯曲强度18.819.82弯曲弹性模量1243947.6悬臂梁缺口冲击强度1242缺口冲击破坏情况PP无缺口冲击破坏情况NN表2吉利和一汽釜内合金改性材料的力学性能实验项目一汽改性吉利改性18.117.7断裂标称应变60490拉伸弹性模量755529弯曲强度31.529.1弯曲弹性模量17101300悬臂梁缺口冲击强度3145缺口冲击破坏情况PP无缺口冲击破坏情况NN表3一汽保险杠取样的力学性能试验项目保险杠(裸件保险杠(涂漆件拉伸强度16.416.9断裂标称应变3040弯曲强度30.735.8弯曲弹性模量11881333悬臂梁缺口冲击强度33.430.7缺口冲击破坏情况PP无缺口冲击破坏情况N55(P表4釜内合金制作的吉利熊猫保险杠的性能性能指标单位熊猫保险杠技术要求原用材料釜内合金基础料釜内合金改性料拉伸强度MPa≥1716.619.817.7断裂伸长率%曲强度MPa≥1926.319.8229.1弯曲模量MPa≥1100917947.61300悬臂梁冲击强度(23℃KJ/m2≥4