摘要：随着轻量化技术的不断发展，塑料已成为用量最多的汽车轻量化非金属材料。而电镀作为一种典型的塑料表面金属化工艺，不仅使塑料表面具有金属的光泽和质感，还可以改善塑料制件的综合性能，有效促进了金属材料的替代与汽车轻量化进程。文章介绍了车用塑料的概况，总结了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚丙烯（PP）、尼龙/聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）等塑料在汽车上的应用，并对其电镀工艺进行了阐述。结果表明，车用塑料的发展重点是共混改性塑料、纤维增强塑料，关键是电镀级材料的制备与工艺的改进。
关键词：汽车轻量化；车用塑料；电镀工艺；汽车轻量化
据中国汽车工业协会统计数据，2022年我国汽车产销分别完成2 702.1万辆和2 686.4万辆（连续14年稳居全球第一），同比增长3.4%和2.1%。汽车产业不断发展壮大，对推动经济增长、促进社会就业、改善民生福祉作出了突出贡献，但也让能源和环境问题日益严峻。面对全球能源紧缺和环境污染的问题，我国提出了2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”的目标。研究表明，汽车轻量化可以有效降低燃油消耗和汽车排放，汽车重量每降低10%，燃油消耗可下降6%～8%，CO2排放则可降低5%～6%[1-2]。
汽车轻量化是在保证汽车强度、刚度、安全性能和驾驶性能的前提下，尽可能地降低车辆的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排放污染。汽车轻量化技术可分为优化结构设计、轻量化材料应用和先进制造工艺三个方面，其中轻量化材料的应用是实现汽车减重最直接的途径[3]。塑料具有质量轻、成本低、易成型等良好的性能，特别是电镀工艺的应用使塑料具有金属外观和光泽，有效改善了塑料的装饰性、防腐性、机械强度等性能，让塑料已成为汽车轻量化进程中使用最多的非金属材料，并呈现出“以塑料代钢”的趋势。
本文介绍了车用塑料的概况，总结了丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS）、聚丙烯（PolyPropylene, PP）、聚酰胺（PolyAmide, PA）、聚碳酸酯（PolyCarbonate, PC）等几种用量较多的塑料在汽车上的应用，并对其电镀工艺进行了阐述，旨在为车用塑料及电镀工艺的进一步研究提供参考。
1、 塑料在汽车上的应用概况
塑料是以有机合成树脂为主要组成的高分子材料，可在加热、加压条件下塑制成型。因其质量轻、成本低、易加工、表面处理多样等优良的性能，广泛应用于汽车内饰件、外饰件、结构件及功能件。随着汽车轻量化技术的不断发展，塑料在汽车上的使用量急剧攀升。2012－2018年车用塑料消费由710万吨增至1 130万吨，全球车用塑料市值已突破460亿美元，车用塑料市场规模年复合增长率达10%以上[4]。同时，单车塑料用量也呈现出快速增长的趋势，目前已超过150 kg，占汽车总质量的12%～15%[5]。在车用塑料中，通用塑料价格较低，使用比例超过50%，其次是工程塑料使用比例约15%，特种塑料价格较高，用量相对较少。经研究统计，用量居于前列，且适合电镀的车用塑料品种有ABS、PP、PA、PC等[6-7]。
2、 ABS的车用及其电镀
2.1 ABS在汽车上的应用
ABS塑料为丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物，是一种用途极广的热塑性工程塑料。它综合了三种组分的性能，调整ABS三组分的比例，其性能也随之发生变化。因ABS塑料存在耐候变色性差、易燃等方面的不足，在汽车上使用时常与其他聚合物进行混合，制备出更为丰富的改性产品，如：ABS/PC、ABS/PA、ABS/聚氯乙烯（PolyVinyl Chloride, PVC）塑料合金等。ABS/PC合金可以提高ABS的耐热性和拉伸强度，还可以降低PC熔体粘度，改善加工性能，减少制品内应力和冲击强度对制品厚度的敏感性，主要用于汽车内、外饰，车灯等有高强度、高耐热性的零部件；ABS/PA合金具有耐翘曲性、良好的流动性、独特的亚光特性，可用于保险杠、仪表板、立柱装饰板等零部件；ABS/PVC合金，不仅具有耐热、耐冲击的性能，还具难燃自熄性，耐化学药品性，主要用于汽车仪表盘、仪表台表皮等一些要求阻燃的零部件。
2.2 ABS的电镀工艺
电镀级ABS塑料，要求金属镀层与基体有良好的结合力，丁二烯的含量应控制在18%～23%[8]。ABS塑料电镀工艺流程包括前处理、化学镀和电镀三个阶段，一般的工艺主要流程为去应力→除油→粗化→六价铬还原→钯锡活化→去氢氧化锡→化学镀镍（或铜）→预镀→电镀，其中镀前表面处理最为关键[9]。表面预处理、工艺简化、环保镀液替代等一直是研究的热点。李璐等[10]将石墨烯复合导电浆料用于ABS塑料电镀前表面处理，使ABS工件具有较好的导电性，电镀后金属光泽良好，镀层包覆完整且不易脱落，有效降低了污染；陈国华等[11]发明了一种ABS塑料电镀前的导电化表面处理方法。该工艺使用导电性能更为优异的二维石墨烯材料作为前驱体，不使用贵金属或毒性物质，导电性能好，且成本更低、更为环保，省去了传统工艺中粗化、敏化、活化及化学镀等复杂的工序；孙硕等[12]以NaH2 PO2·H2O为还原剂，在ABS塑料上沉积活性镍，并以此为活化中心进行化学镀镍，提出了一种无钯活化工艺，节约了贵金属的使用，降低了生产成本；TEIXEIRA等[13]以硫酸为基础溶液，用过氧化氢或硝酸取代铬酸作为氧化剂对ABS塑料表面进行处理，化学镀镍后性能较好。
3、 PP的车用及其电镀
3.1 PP在汽车上的应用
PP是一种无臭、无毒、无色半透明的热塑性轻质通用塑料，具有良好的耐化学性、耐热性、电绝缘性及高强度机械性能。在原料中加入增强剂、增韧剂等，能够使得聚丙烯高分子组分与大分子结构或晶体构型发生改变而提升其综合性能。如在PP中加入一定比例的玻璃纤维，可得到刚性和耐热性较高的玻璃纤维增强PP，常用于汽车结构件及工作温度较高的零部件，如：发动机舱的进气管、空气滤清器壳体、散热器风扇等；在PP中加入适量的滑石粉和碳酸钙，同样可以提高PP的刚度和耐热性，此改性PP常用于汽车保险杠骨架、仪表板、导流板、立柱等；在PP中加入烯烃类热塑性弹性体（PolyOlefin Elastomer, POE）或三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM）等增韧剂，可用于高档汽车的一些韧性要求较高的结构件。
3.2 PP的电镀工艺
从电镀工艺的角度，PP可分为普通型、电镀型、导电型。普通型PP电镀尺寸精度差、粗化麻烦，在浸蚀粗化前一定要用有机溶剂进行溶胀处理，常用的有机溶剂是二甲苯。粗化后，便可按ABS塑料的敏化、活化等工艺和程序进行处理；电镀级PP是在聚丙烯塑料中加入一定比例的ZnO、TiO2等填料，这些填料可以在化学浸蚀粗化过程中被溶解，形成粗糙表面，以提高镀层结合力。对于电镀型PP也完全可以按照ABS塑料的电镀工艺进行，只是在化学浸蚀时溶液温度要升高到70～80℃；导电型PP是由聚丙烯中加入质量分数约为30%的石墨粉而得到，其导电性能良好，可以按照金属件工艺进行电镀。电镀级PP的研制与粗化工艺的改进，一直是PP电镀工艺研究的热点。张小虎等[14]发明的一种低收缩的电镀级聚丙烯复合材料，采用异形无机填料或异形填料与常规填料的复配，制备了收缩率接近ABS塑料的聚丙烯。通过亲水改性，其表面粗化均匀，电镀性能较好，镀层结合力理想，降低了生产成本，提高了电镀产品的耐高温性；朱明高等[15-16]将25%的超细CaCO3粉和5%的自制增强剂与PP共混，研制出了电镀级聚丙烯。该材料可在酸性溶液中以300 W，20～30 kHz的超声波粗化，且粗化效果、电镀层结合较好；王溢等[17]发明了一种尺寸稳定、可电镀聚丙烯复合材料的制备方法。该方法通过配方的设计及基料、填充物、助剂的选择，有效解决了聚丙烯尺寸稳定性差的问题。同时，加入的弱碱性电镀添加剂促使材料表面被酸性溶液粗化，电镀外观良好。
4、 PA的车用及其电镀
4.1 PA在汽车上的应用
PA是分子主链上含有重复酰胺基团的热塑性树脂总称，俗称尼龙。PA塑料具有良好的力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其他填料填充增强改性。玻璃纤维增强PA可用于发动机舱内的塑料件及发动机零部件；高耐热PA/ABS合金，用于汽车后视镜、油箱盖、挡泥板等；PA/聚苯醚（PolyPhenylene Ether, PPE）合金具有优异的耐热、强度、阻燃、导电等性能，可用于汽车中央电气盒、翼子板、大型挡板、护板等。
4.2 PA的电镀工艺
普通PA工件电镀前应检查应力，其方法是将工件浸入正庚烷中，若5～15 s内出现裂纹则需要去除应力。有应力的工件可放入冷水中升温至沸腾，保持3 h后随水缓冷，即可消除内应力。PA电镀前的预处理工艺与ABS 塑料大体相同，只是粗化工艺有差异。电镀材料研制，环保及工艺改进依然是研究的热点。刘春艳[18]发明了一种电镀尼龙材料及其制备方法，将经过偶联剂、稀土离子处理的改性矿物和相溶剂添加进聚酰胺。该方法使得改性后的矿物在尼龙中的分散能力和相容性明显提升，材料的刚性和低温冲击韧性及电镀性能大幅改善；仇峰涛等[19]公开了一种高强度高耐热尺寸稳定的电镀尼龙PA6 灯壳材料及其制备方法，将高数目高硅含量的滑石粉及高径厚比小粒径的云母粉进行复配，显著提高了尼龙PA6的强度、耐热性和尺寸稳定性，提高了电镀表面效果，适合用于车灯壳等电镀件；BRANDES等[20]研究并实践了尼龙膨胀、调校、钯活化、还原、化学镍、预镀铜或镍、酸铜、光亮镍、装饰铬等工艺，与传统的铬酸/硫酸粗化工艺相比，不仅镀层理想，还避免了六价铬对环境的污染；陆建华等[21]发明了一种可电镀汽车内门把手的专用尼龙，其将尼龙、玻璃纤维、玻璃微珠、热稳定剂、抗氧剂、润滑剂、助理剂按照配比混合，得到的尼龙材料收缩率低、机械性能好，镀层结合力更强。
5、 PC的车用及其电镀
5.1 PC在汽车上的应用
PC是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，具有冲击强度高、耐疲劳性佳、尺寸稳定性良好、透明及自由染色性好的特性。但因其抗划痕和耐磨性较差，常以塑料合金的形式用于汽车内外饰。如PC/聚对苯二甲酸乙二酯（Poly Ethylene Terephthalate, PET）、PC/聚对苯二甲酸丁二酯（Poly Butylene Terephthalate, PBT）合金既有PC的高耐热和耐冲击性，又有聚酯的耐磨和加工性能，适合制作汽车车身构件、侧护板、汽车门框及低温冲击性能要求较高的保险杠。
5.2 PC的电镀工艺
PC的预处理工艺流程包括内应力检查、去应力、溶胀处理、化学浸蚀粗化。应力检查是将工件浸入质量分数为70%的丙酮的水溶液中，在室温下停放1 min，观察是否出现裂纹。而去应力的方法是在烘箱中缓缓升温至110～130 ℃，保温2～6 h后缓冷；溶胀是将工件浸入甲醇、乙醇、苯酚和乙醚等溶剂中浸渍，至表面稍微发白为止；化学浸蚀粗化可采用ABS的高硫酸型化学粗化溶液，但温度宜高一些，也可在氢氧化钠、硝酸钠、亚硝酸钠等粗化液中进行。合金材料的制备、表面预处理工艺改良是PC电镀研究的热点。张钊[22]发明了一种聚碳酸酯组合物及其制备方法，将PC、ABS、电镀改善剂、添加剂按配方比例组合，并进一步优化了该组合物的注塑工艺，镀层及电镀效果优良；赵文霞等[23]采用无铬且低污染的MnO2-H2 SO4-H3PO4-H2O体系对PC表面进行微蚀处理，并实验得出了最佳的微蚀液组成、微蚀时间及温度；LUO等[24]提出了一种PC无钯表面活化工艺，利用不含任何钯、锡、银的酸和盐活化液活化，并用超声波对表面进行处理，产生的表面缺陷作为直化学镀铜的活性点。该工艺简洁，不涉及贵金属或有毒金属，能有效降低成本，减少环境污染；JIA等[25]用二氧化氯自由基高效氧化剂，在温和条件下通过光辐射对PC进行氧化改性处理，化学镀铜、镍的金属附着力得到了改善。
6、 其他塑料的车用及其电镀
除以上四种应用较多的车用塑料外，聚乙烯（PolyEthylene, PE）、PET、聚甲醛（Polyf Ormal- dehyde, POM）、聚苯醚（PolyPhenylene Oxide, PPO）、PVC等也广泛应用于汽车工业[26]。PE的绝缘性和化学稳定性好，易于加工，常用于汽车内护板、行李箱、油箱、护套、挡泥板等；PET抗蠕变性、耐疲劳性、耐摩擦性、尺寸稳定性都很好，改性的PET常用于汽车倒车镜架、音响喇叭、天窗边框、顶棚等；POM强度比ABS 塑料高，被誉为“超钢”或者“赛钢”，具有较好的力学性能、绝缘性、耐溶剂性和可加工性，改性POM可用于汽车动力阀、万向节轴承、把手、车窗升降装置等；PPO无毒、透明、相对密度小，具有优良的机械强度、抗蠕变性、耐热性和尺寸稳定性，PPO/聚苯乙烯（Polystyrene, PS）、PPO/PA、PPO/PBT等合金常用于汽车轮毂罩、车灯壳体、保险丝盒、大型挡板、缓冲垫等；PVC电器性能好，耐酸碱、化学稳定性好，可用于汽车防撞系统、车门内饰板面料、仪表板表层及密封件等。以上塑料的电镀工艺的主要差别在前处理和粗化工序，只要与之相适应的粗化工艺，形成最佳的粗化表面，就能在其表面顺利进行敏化、活化、化学镀和电镀，在此不再赘述。
纤维增强塑料是在塑料或树脂中加入纤维状的材料和织物而成的复合材料，已成为汽车轻量化材料的重要发展方向[27]。玻璃纤维增强塑料（Glass Fiber Reinforced Plastic, GFRP），也称玻璃钢，具有比强度高，耐腐蚀、电绝缘性能好，容易着色等优点，常用于汽车车身结构件、翼子板、顶盖、保险杠等；碳纤维增强塑料具有强度高、弹性好、耐疲劳和耐磨性好等特性，多用于高档汽车的车身、底盘、轮毂等；天然纤维塑料是利用黄麻、剑麻等天然植物纤维作为增强材料，不仅性能优异而且绿色环保，可用于车门内饰板、车顶内衬、座椅靠背和仪表板等。纤维增强塑料是以塑料、树脂为基体，其电镀工艺的研究重点依然是电镀级材料的制备与电镀工艺的改进。如钟国刚等[28]对碳纤维强聚醚醚酮复合材料的化学镀镍工艺进行了研究，镀件经过除油、粗化、调整、浸钯、活化解胶等严格的工序得到了理想的镀镍层，为纤维增强塑料表面化学镀镍提供了参考。
7、 结语与展望
随着汽车轻量化技术的不断发展，塑料已然成为用量最多的轻量化非金属材料。电镀工艺的广泛应用不仅使塑料制件具有金属的外观和质感，改善了汽车零部件的美观性、舒适性，还可以提升塑料制件的力学性能、化学稳定性，丰富了塑料在汽车上的应用。车用塑料电镀，促进了金属材料的替代，加速了汽车轻量化的进程。共混改性塑料、纤维增强塑料以其优异的性能在汽车上的应用越来越广泛，电镀级材料的制备与电镀工艺的改进将成为塑料表面金属化技术发展的关键。
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