2024 年 6 月，隨著 BMW Mini Cooper E 的成功量產(chǎn)，一款由長玻纖增強聚丙烯（PP）制成，并含有大量消費后回收材料（PCR）的儀表板托架首次投入使用。為了獲得量產(chǎn)批準，所用材料必須滿足必要的機械性能要求，以及寶馬集團（BMW Group）GS 97014-3 和 GS 97014-4 標準的嚴格質(zhì)量要求。復合材料生產(chǎn)商 TechnoCompound 已獲批材料TechnoGreen PP LGF 20-10-04 L E 的 PCR 含量為 21%，與原生復合材料相比可減少 15% 的二氧化碳排放。這種材料使汽車制造商及其系統(tǒng)供應商能夠?qū)?PCR 的應用擴展到車輛內(nèi)飾上，并且有助于他們實現(xiàn)自身的可持續(xù)發(fā)展目標，并滿足預計將于 2030 年生效的歐洲報廢車輛指令（ELV 指令）的要求。

標題圖：Mini Cooper E 表明，高含量 PCR 也可用于內(nèi)飾部件 © BMW

BMW 與 系 統(tǒng) 供 應 商 安 通 林 集 團（Grupo Antolin）和 TechnoCompound 合 作 開 發(fā) 了 這 款 儀 表 板 托 架。其 目 標 是 用 PCR 含 量 為 20-30% 的 20% 長 玻 纖 增 強 聚丙 烯（PP-LGF20） 來 生 產(chǎn) 該托 架。 為 此， 他 們 選 用 了TechnoFiber 公司產(chǎn)品系列中的低排放、低氣味材料，以及TechnoCompound 公司 TechnoGreen 系列中的 PCR 產(chǎn)品。選擇材料時的主要考量是其是否符合 BMW GS 97014-3 標準。OEM 廠商和系統(tǒng)供應商很快獲得了有關(guān)排放和氣味特性的信息。

最終，TechnoGreen PP LGF20 被選中并在BMW 實驗室進行了全面測試。實驗室獲得的良好的測試結(jié)果為后續(xù)應用奠定了基礎(chǔ)。該材料的各項指標遠低于容許限值，包括單一物質(zhì)、總排放量（TVOC μg/m³/kg）以及氣味。TechnoGreen PP LGF 20 的配方選用長期戰(zhàn)略供應商的原材料，在質(zhì)量、可用性和價格透明度方面具有高度可靠性。

力距曲線和應力應變曲線的測定

此外，該材料必須能夠承受高機械載荷。它還應能夠利用仿真數(shù)據(jù)快速且經(jīng)濟高效地開發(fā)部件。因此，他們對該材料的機械行為進行了研究，并為仿真軟件（ 求 解 器）Abaqus 和 Pam-Crash 創(chuàng)建了用于剛度、強度和碰撞仿真模擬的預測材料卡。通過在拉伸試驗機上以不同的拉拔速度進行拉伸試驗，關(guān)于塑料變形和失效行為的實驗數(shù)據(jù)庫被創(chuàng)建（圖1-4）成功。其目的是確定力位移曲線和真應力應變曲線。

某些材料在部件失效前會表現(xiàn)出強烈的局部變形行為。在選擇應變測量方法時必須考慮到這一點。因此，除了評估整體力位移曲線外，他們還采用了光學應變測量方法。該方法使我們能夠以高時空分辨率測定試樣上任意點的局部應變。此外，他們還進行了三點彎曲試驗，以便對多軸應力狀態(tài)下的材料圖進行比較。

圖 1：不同 PP 復合材料的彈性模量：含回收成分的產(chǎn)品的彈性模量接近原生料（來源：TechnoCompound；圖：© Hanser）

圖 2：PP 復合材料的屈服應力：PCR 產(chǎn)品的屈服應力值低于原生料，但仍能達到良好的性能值（來源：TechnoCompound；圖：© Hanser）

用仿真軟件進行分析

他們通過所選的試驗系列對取樣方向（縱向、橫向和對角線方向）的影響進行了比較。根據(jù)材料卡的各向同性定義，對不同方向已確定的性能取平均值。在 Abaqus 求解器中，剛度、強度和碰撞的計算采用了各向同性模型 * 塑性 +* 損傷起始，準則 = 延性 +* 損傷演化（*PLASTIC + *DAMAGE INITIATION, CRITERION = DUCTILE + *DAMAGE EVOLUTION）。屈服行為和失效定義被指定為應變速率的函數(shù)，失效還被指定為應力狀態(tài)（三軸向）的函數(shù)。拉伸載荷下的斷裂伸長率來自于拉伸試驗。材料卡定義完成后，用選定的元素邊長模擬拉伸和彎曲試驗并通過比較整體力位移曲線來驗證和優(yōu)化（如有必要）測定的輸入?yún)?shù)。

然后，Abaqus 材料卡被轉(zhuǎn)換為 Pam-Crash 求解器，以便與殼元素一起使用。建模在材料模型 103 中采用失效準則減薄和增厚進行。應變率相關(guān)的屈服曲線來自于Abaqus材料卡，失效定義在 Pam-Crash 求解器的可能性范圍內(nèi)進行單獨調(diào)整。材料模型定義完成后，同樣用選定的元素邊長模擬拉伸和彎曲試驗并通過比較整體力位移曲線來驗證和優(yōu)化（如有必要）測定的輸入?yún)?shù)。

詳細調(diào)研確保順利啟動量產(chǎn)

事先進行的詳細專業(yè)的調(diào)研以及收集的數(shù)據(jù)確保了 Mini Cooper E 儀表板托架（PCR 含量為 21%）于 2024 年 6 月順利啟動量產(chǎn)。在過去兩年里，大量采用 PCR 材料的汽車內(nèi)飾產(chǎn)品也已轉(zhuǎn)向量產(chǎn)。另外八個系列產(chǎn)品預計將于 2025年推出。這些系列產(chǎn)品將用于大眾和梅賽德斯汽車的內(nèi)飾應用。此外，奧迪和西雅特的 PIR I 型面板托架也將于 2025 年投入量產(chǎn)。目前，TchnoCompound 在 I 型面板托架領(lǐng)域共向 10 家汽車制造商和 14 個車型系列供應原生料、PIR 和PCR 復合材料。

為了滿足未來的應用需求，各大汽車制造商對更高比例的 PCR 提出了要求。TechnoCompound 及其合作伙伴正在開發(fā)相關(guān)技術(shù)，以便對輕量化包裝 “黃袋”（德國的一種回收系統(tǒng)）中的塑料廢棄物進行升級再造并用于生產(chǎn)高質(zhì)量的技術(shù)部件。此外，以下工藝和配方技術(shù)方法及其組合已投入使用：

◆ 根據(jù)內(nèi)部開發(fā)的算法對不同的 PCR 原料源進行混合和均化，從而確保作為混配輸入材料流的 PCR 原料預混料具有恒定的流變性能和機械性能。
◆ 在混配擠出機中使用適合產(chǎn)品的脫氣方法。
◆ 根據(jù)產(chǎn)品和應用添加特定的添加劑。
◆ 敏感材料特性的在線過程監(jiān)測和控制。
◆ 原材料和復合材料的除臭。
◆ PCR 原材料流的分類，同時借助人工智能輔助，盡
量減少外來聚合物、多余的填料和關(guān)鍵雜質(zhì)的比例，例如：
牢固粘附或遷移到塑料中的雜質(zhì)。

特殊改性的 PCR 牌號

目前，TechnoCompound 系列增加了越來越多 PCR含量高達 35wt-% 的即用型 PP 基 TechnoGreen 牌號。此外， 該 公 司 全 新 的 Concentrate Dilution Concept（CDC）產(chǎn)品能 夠使常用于 結(jié) 構(gòu) 部 件 的 PPLGF 復合材料與專門開發(fā)的 PCR基 rPP 復 合 材 料 相 結(jié) 合， 從 而獲得必要的機械性能并盡可能減少最終產(chǎn)品的碳足跡（表 1）。

TechnoCompound 通過拉擠工藝可生產(chǎn)出性能與原生料產(chǎn)品相當?shù)母哔|(zhì)量復合材料。當多種即用型（RTU）牌號無法滿足需求時，CDC 牌號也可用作理想的解決方案。

圖 3：多種長玻璃纖維增強 PP 復合材料的屈服伸長率：含 PCR 成分產(chǎn)品的值基本符合特定應用要求（來源：TechnoCompound；圖：© Hanser）

圖 4：玻璃纖維增強聚丙烯（PP）復合材料的夏比缺口沖擊強度：回收料成分降低了復合材料的缺口沖擊強度（來源：TechnoCompound；圖：© Hanser）

具 有 100% 原 生 料（GK1A 級）基質(zhì)的 TechnoGreen PP LGF 60 是該產(chǎn)品的基礎(chǔ)。該材料在加工商的注塑機上與最高可含 100% PCR（GK4 級）的 TechnoFin rPP混合。當混合比例為 1:2 時，與加工相同纖維含量的原生料相比可減少 55% 的二氧化碳排放。

含 PCR 的 RTU 牌 號 已 被 投入 批 量 應 用， 而 CDC 牌 號 則 正在 接 受 OEM 廠 商 和 一 級 供 應 商的 評 估。 在 所 有 產(chǎn) 品 系 列 中，TechnoCompound 含 回 收 料 的產(chǎn)品目前占年銷售額的 70%。約三分之一復合材料的 PCR 含量達20% 以上。該公司計劃持續(xù)提高這一比例。這些環(huán)保材料解決方案為汽車行業(yè)的一級供應商和 OEM廠商提供了機會，確保其符合報廢車輛法規(guī)，并且有助于新產(chǎn)品后續(xù)開發(fā)。TechnoCompound 還為戰(zhàn)略合作伙伴開發(fā)相應的閉環(huán)解決方案提供全面支持，從而減少生態(tài)足跡。其業(yè)務(wù)領(lǐng)域還包括用于非食品行業(yè)的 PCR 包裝材料。

碳足跡認證

TechnoCompound 還為 PCR 牌號提供特殊服務(wù)。自2023 年以來，這些牌號的碳足跡和二氧化碳減排量已由該生產(chǎn)商的合作伙伴 ConClimate 測定并標明 PIR-PCR 比率。這些數(shù)值基于 Substain 軟件的計算，該軟件使用公認的排放因子來計算二氧化碳排放量（范圍 1、2、 3），其中包含包裝。此外，TechnoCompound 還計劃于未來提供公司的碳足跡以及符合母公司 Polymer Group 可持續(xù)發(fā)展目標的脫碳計劃。

表 1：多種 RTU 和 CDC 牌號的特性：PCR 再生料是特定應用的理想選擇（來源：TechnoCompound）

該公司還參與了當前塑料回收和回收料利用的研究。例如，隨著高質(zhì)量回收材料的需求不斷增長，深入了解機械回收塑料廢棄物的材料特性和成分并優(yōu)化現(xiàn)有工藝至關(guān)重要。為此，TechnoCompound 正與巴斯夫（BASF）、恩德斯豪斯（Endress+Hauser）以及德國拜羅伊特大學和耶拿大學合作研究如何改進塑料的機械回收。由德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的“SpecReK”（塑料回收光譜研究）項目旨在回收過程中可靠、準確地識別塑料廢棄物的成分并提高回收塑料的質(zhì)量。該項目將采用現(xiàn)代測量技術(shù)與人工智能（AI）相結(jié)合的方法。

結(jié)論與展望

光譜方法被用于此次研究。這些方法利用光與材料的相互作用來獲取有關(guān)回收塑料化學結(jié)構(gòu)的信息。項目合作伙伴希望利用這些信息來實時確定加工過程中的材料由哪些類型的塑料、添加劑和雜質(zhì)組成。接下來，人工智能算法將識別測量數(shù)據(jù)模式并提出應添加哪些成分或如何調(diào)整回收工藝以提高回收塑料質(zhì)量的建議。

基于回收料的長玻纖增強 PP 復合材料可為汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。除了作為原生料的替代品外，它們還可用于替代聚酰胺（PA）和金屬，從而進一步減少二氧化碳排放。與后者相比，其密度更低、加工更節(jié)能、更易于搬運，因此能夠進一步實現(xiàn)節(jié)能減排。目前，它們已可用于生產(chǎn) PCR 含量為 20-60% 的車輛內(nèi)飾結(jié)構(gòu)部件。扶手托架、中控臺、后擋板、座椅外殼和車門模塊等部件目前正在進行批量生產(chǎn)驗證。

本文由榮格獨家翻譯自 Plastics Insights 雜志
作者：Rifat Erden

來源：榮格-《國際塑料商情》

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