PCR 含量突破 20% ！ BMW 如何解锁汽车内饰环保新可能

2024 年 6 月，随着 BMW Mini Cooper E 的成功量产，一款由长玻纤增强聚丙烯（PP）制成，并含有大量消费后回收材料（PCR）的仪表板托架首次投入使用。为了获得量产批准，所用材料必须满足必要的机械性能要求，以及宝马集团（BMW Group）GS 97014-3 和 GS 97014-4 标准的严格质量要求。复合材料生产商 TechnoCompound 已获批材料TechnoGreen PP LGF 20-10-04 L E 的 PCR 含量为 21%，与原生复合材料相比可减少 15% 的二氧化碳排放。这种材料使汽车制造商及其系统供应商能够将 PCR 的应用扩展到车辆内饰上，并且有助于他们实现自身的可持续发展目标，并满足预计将于 2030 年生效的欧洲报废车辆指令（ELV 指令）的要求。

标题图：Mini Cooper E 表明，高含量 PCR 也可用于内饰部件 © BMW

BMW 与 系 统 供 应 商 安 通 林 集 团（Grupo Antolin）和 TechnoCompound 合 作 开 发 了 这 款 仪 表 板 托 架。其 目 标 是 用 PCR 含 量 为 20-30% 的 20% 长 玻 纤 增 强 聚丙 烯（PP-LGF20） 来 生 产 该托 架。 为 此， 他 们 选 用 了TechnoFiber 公司产品系列中的低排放、低气味材料，以及TechnoCompound 公司 TechnoGreen 系列中的 PCR 产品。选择材料时的主要考量是其是否符合 BMW GS 97014-3 标准。OEM 厂商和系统供应商很快获得了有关排放和气味特性的信息。

最终，TechnoGreen PP LGF20 被选中并在BMW 实验室进行了全面测试。实验室获得的良好的测试结果为后续应用奠定了基础。该材料的各项指标远低于容许限值，包括单一物质、总排放量（TVOC μg/m³/kg）以及气味。TechnoGreen PP LGF 20 的配方选用长期战略供应商的原材料，在质量、可用性和价格透明度方面具有高度可靠性。

力距曲线和应力应变曲线的测定

此外，该材料必须能够承受高机械载荷。它还应能够利用仿真数据快速且经济高效地开发部件。因此，他们对该材料的机械行为进行了研究，并为仿真软件（ 求 解 器）Abaqus 和 Pam-Crash 创建了用于刚度、强度和碰撞仿真模拟的预测材料卡。通过在拉伸试验机上以不同的拉拔速度进行拉伸试验，关于塑料变形和失效行为的实验数据库被创建（图1-4）成功。其目的是确定力位移曲线和真应力应变曲线。

某些材料在部件失效前会表现出强烈的局部变形行为。在选择应变测量方法时必须考虑到这一点。因此，除了评估整体力位移曲线外，他们还采用了光学应变测量方法。该方法使我们能够以高时空分辨率测定试样上任意点的局部应变。此外，他们还进行了三点弯曲试验，以便对多轴应力状态下的材料图进行比较。

图 1：不同 PP 复合材料的弹性模量：含回收成分的产品的弹性模量接近原生料（来源：TechnoCompound；图：© Hanser）

图 2：PP 复合材料的屈服应力：PCR 产品的屈服应力值低于原生料，但仍能达到良好的性能值（来源：TechnoCompound；图：© Hanser）

用仿真软件进行分析

他们通过所选的试验系列对取样方向（纵向、横向和对角线方向）的影响进行了比较。根据材料卡的各向同性定义，对不同方向已确定的性能取平均值。在 Abaqus 求解器中，刚度、强度和碰撞的计算采用了各向同性模型 * 塑性 +* 损伤起始，准则 = 延性 +* 损伤演化（*PLASTIC + *DAMAGE INITIATION, CRITERION = DUCTILE + *DAMAGE EVOLUTION）。屈服行为和失效定义被指定为应变速率的函数，失效还被指定为应力状态（三轴向）的函数。拉伸载荷下的断裂伸长率来自于拉伸试验。材料卡定义完成后，用选定的元素边长模拟拉伸和弯曲试验并通过比较整体力位移曲线来验证和优化（如有必要）测定的输入参数。

然后，Abaqus 材料卡被转换为 Pam-Crash 求解器，以便与壳元素一起使用。建模在材料模型 103 中采用失效准则减薄和增厚进行。应变率相关的屈服曲线来自于Abaqus材料卡，失效定义在 Pam-Crash 求解器的可能性范围内进行单独调整。材料模型定义完成后，同样用选定的元素边长模拟拉伸和弯曲试验并通过比较整体力位移曲线来验证和优化（如有必要）测定的输入参数。

详细调研确保顺利启动量产

事先进行的详细专业的调研以及收集的数据确保了 Mini Cooper E 仪表板托架（PCR 含量为 21%）于 2024 年 6 月顺利启动量产。在过去两年里，大量采用 PCR 材料的汽车内饰产品也已转向量产。另外八个系列产品预计将于 2025年推出。这些系列产品将用于大众和梅赛德斯汽车的内饰应用。此外，奥迪和西雅特的 PIR I 型面板托架也将于 2025 年投入量产。目前，TchnoCompound 在 I 型面板托架领域共向 10 家汽车制造商和 14 个车型系列供应原生料、PIR 和PCR 复合材料。

为了满足未来的应用需求，各大汽车制造商对更高比例的 PCR 提出了要求。TechnoCompound 及其合作伙伴正在开发相关技术，以便对轻量化包装 “黄袋”（德国的一种回收系统）中的塑料废弃物进行升级再造并用于生产高质量的技术部件。此外，以下工艺和配方技术方法及其组合已投入使用：

◆ 根据内部开发的算法对不同的 PCR 原料源进行混合和均化，从而确保作为混配输入材料流的 PCR 原料预混料具有恒定的流变性能和机械性能。
◆ 在混配挤出机中使用适合产品的脱气方法。
◆ 根据产品和应用添加特定的添加剂。
◆ 敏感材料特性的在线过程监测和控制。
◆ 原材料和复合材料的除臭。
◆ PCR 原材料流的分类，同时借助人工智能辅助，尽
量减少外来聚合物、多余的填料和关键杂质的比例，例如：
牢固粘附或迁移到塑料中的杂质。

特殊改性的 PCR 牌号

目前，TechnoCompound 系列增加了越来越多 PCR含量高达 35wt-% 的即用型 PP 基 TechnoGreen 牌号。此外， 该 公 司 全 新 的 Concentrate Dilution Concept（CDC）产品能 够使常用于 结 构 部 件 的 PPLGF 复合材料与专门开发的 PCR基 rPP 复 合 材 料 相 结 合， 从 而获得必要的机械性能并尽可能减少最终产品的碳足迹（表 1）。

TechnoCompound 通过拉挤工艺可生产出性能与原生料产品相当的高质量复合材料。当多种即用型（RTU）牌号无法满足需求时，CDC 牌号也可用作理想的解决方案。

图 3：多种长玻璃纤维增强 PP 复合材料的屈服伸长率：含 PCR 成分产品的值基本符合特定应用要求（来源：TechnoCompound；图：© Hanser）

图 4：玻璃纤维增强聚丙烯（PP）复合材料的夏比缺口冲击强度：回收料成分降低了复合材料的缺口冲击强度（来源：TechnoCompound；图：© Hanser）

具 有 100% 原 生 料（GK1A 级）基质的 TechnoGreen PP LGF 60 是该产品的基础。该材料在加工商的注塑机上与最高可含 100% PCR（GK4 级）的 TechnoFin rPP混合。当混合比例为 1:2 时，与加工相同纤维含量的原生料相比可减少 55% 的二氧化碳排放。

含 PCR 的 RTU 牌 号 已 被 投入 批 量 应 用， 而 CDC 牌 号 则 正在 接 受 OEM 厂 商 和 一 级 供 应 商的 评 估。 在 所 有 产 品 系 列 中，TechnoCompound 含 回 收 料 的产品目前占年销售额的 70%。约三分之一复合材料的 PCR 含量达20% 以上。该公司计划持续提高这一比例。这些环保材料解决方案为汽车行业的一级供应商和 OEM厂商提供了机会，确保其符合报废车辆法规，并且有助于新产品后续开发。TechnoCompound 还为战略合作伙伴开发相应的闭环解决方案提供全面支持，从而减少生态足迹。其业务领域还包括用于非食品行业的 PCR 包装材料。

碳足迹认证

TechnoCompound 还为 PCR 牌号提供特殊服务。自2023 年以来，这些牌号的碳足迹和二氧化碳减排量已由该生产商的合作伙伴 ConClimate 测定并标明 PIR-PCR 比率。这些数值基于 Substain 软件的计算，该软件使用公认的排放因子来计算二氧化碳排放量（范围 1、2、 3），其中包含包装。此外，TechnoCompound 还计划于未来提供公司的碳足迹以及符合母公司 Polymer Group 可持续发展目标的脱碳计划。

表 1：多种 RTU 和 CDC 牌号的特性：PCR 再生料是特定应用的理想选择（来源：TechnoCompound）

该公司还参与了当前塑料回收和回收料利用的研究。例如，随着高质量回收材料的需求不断增长，深入了解机械回收塑料废弃物的材料特性和成分并优化现有工艺至关重要。为此，TechnoCompound 正与巴斯夫（BASF）、恩德斯豪斯（Endress+Hauser）以及德国拜罗伊特大学和耶拿大学合作研究如何改进塑料的机械回收。由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助的“SpecReK”（塑料回收光谱研究）项目旨在回收过程中可靠、准确地识别塑料废弃物的成分并提高回收塑料的质量。该项目将采用现代测量技术与人工智能（AI）相结合的方法。

结论与展望

光谱方法被用于此次研究。这些方法利用光与材料的相互作用来获取有关回收塑料化学结构的信息。项目合作伙伴希望利用这些信息来实时确定加工过程中的材料由哪些类型的塑料、添加剂和杂质组成。接下来，人工智能算法将识别测量数据模式并提出应添加哪些成分或如何调整回收工艺以提高回收塑料质量的建议。

基于回收料的长玻纤增强 PP 复合材料可为汽车行业的可持续发展做出重要贡献。除了作为原生料的替代品外，它们还可用于替代聚酰胺（PA）和金属，从而进一步减少二氧化碳排放。与后者相比，其密度更低、加工更节能、更易于搬运，因此能够进一步实现节能减排。目前，它们已可用于生产 PCR 含量为 20-60% 的车辆内饰结构部件。扶手托架、中控台、后挡板、座椅外壳和车门模块等部件目前正在进行批量生产验证。

本文由荣格独家翻译自 Plastics Insights 杂志
作者：Rifat Erden

来源：荣格-《国际塑料商情》

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