采用碱石灰硼硅酸盐玻璃制成的3M玻璃微珠在广泛的轻量化汽车应用领域得到了应用，包括：热塑性塑料、片状和团状模塑料（SMC和BMC）、车底涂料、结构发泡材料和汽车车身填充材料。

受日益高涨的“降低温室气体排放”要求的驱动，全球的汽车制造商们正在加紧寻求新的方法，以提高乘用车和轻型卡车的燃油效率。

伴随着更加完善的空气动力学设计以及对内燃机发动机的持续改进，汽车制造商们用于满足能效目标要求的重大战略之一是减重，从而引发了对更轻的同时又不有损性能的新型材料的广泛研究。例如，车用塑料在取代金属方面已广泛使用了多年，与大约30年以前的汽车相比，汽车重量平均降低了数百磅，这意味着一个显著的进步：根据美国能源部的信息，汽车总重量每降低10%，燃油经济性就可提高7%。今天的研究工作主要集中在新的能进一步减轻部件重量，同时在性能和加工方面又可保持一种令人满意的平衡的低密度塑料配混材料上。

实现5%～13%的减重效果

在此方面作出努力的主要扮演者之一是总部位于韩国首尔的Hanil E-Hwa有限公司，该公司被认为是韩国最具创新力的一级供应商之一，其在韩国、中国、印度、土耳其、斯洛伐克和美国拥有生产和研发设施。Hanil E-Hwa的客户包括：现代汽车公司、起亚汽车公司、现代重工集团和大宇重工业公司。Hanil E-Hwa获得了ISO 9001和QS 9000认证，以及生产商APQP（先期产品质量策划）标准。

面对一家主流汽车OEM客户为“寻求创新方法，降低部件重量，同时又不牺牲机械性能和美观性”而提出的挑战，这家全球领先的内饰塑料装饰部件供应商，通过在一种专有的聚丙烯（PP）配混料中采用3M的玻璃微珠取代传统的滑石粉填料，已在其众多的关键部件上实现了5%～13%的减重效果。

据Hanil E-Hwa的研发小组工程师Su-Wan Song介绍，由于Hanil E-Hwa所承担的环境责任，以及由于开发超轻、超强复合材料部件对于该公司而言是一项重大技术战略，因此该公司被其客户邀请参加了新的轻型塑料配混料的开发工作。“这是Hanil E-Hwa第一次被邀请参与新材料的开发。” Song先生说：“我们期待着我们的材料和工艺专知能够为这项开发工作作出重大贡献。”

Hanil E-Hwa选择了生产玻璃微珠的3M公司作为其材料开发团队的一员。3M玻璃微珠是一种高强度、低密度的填料，自1970年代以来，它就已经被汽车行业用于减轻部件重量并提高燃油效率。

图1 从左到右：3M韩国公司的Dae-Soon Park，Hanil E-Hwa有限公司的Su-Wan Song,3M美国公司的Steve Amos

3M产品开发部门及工程添加剂部门的Steve Amos解释说，今天，新一代的高强度玻璃微珠对于Hanil E-Hwa正在研究的轻量化应用是理想的选择。“这种高强度/重量比的3M玻璃微珠能够应用于许多要求极高的注塑和挤出工艺中，它能够减少翘曲和不均匀的收缩，并提高尺寸稳定性，同时还能降低整个系统成本。此外，其较低的密度在帮助满足减重目标方面是一个重要因素。”

总体而言，Hanil E-Hwa需要为诸多的汽车平台开发3种规格的材料，他们对新材料的最终要求是实现减重目标，同时确保机械性能与目前的滑石粉填充聚丙烯相似。

为实现这一目标，除了重新设计一种更薄的部件外，Hanil E-Hwa的工程师们研究了许多优化的材料配方，最终，他们将其研究目标缩小到了3个以聚丙烯作为基础树脂的有潜力的解决方案上：第一个选择是不使用填料；第二个选择涉及到对配混料进行发泡，以创建一种蜂窝结构；第三个选择是采用3M玻璃微珠取代大多数的滑石粉填料，以实现减重目标。

Song介绍说，不含填料的配混料改善了抗刮擦性能，但降低了尺寸稳定性，而重量只降低了5%。发泡聚丙烯的减重效果最好，达到20%～30%，但所生产产品的表面质量很差。而且，它也是成本最高的替代方案，要求投资新的模具和设备。

另一方面，采用3M玻璃微珠取代滑石粉，重量可减轻5%～13%，同时使得利用现有模具和设备成为可能。虽然机械性能有所损失，但仍在可接受的范围之内。最终，围绕3M玻璃微珠填充材料的新材料规格被大家所接受。

Hanil E-Hwa已为这种新的配混料申请了专利，该材料已于2010年开始应用于几款新的车型上。据Song先生介绍，采用了新的3M玻璃微珠填料的装饰部件有望使每辆汽车的重量平均降低1kg。

减轻TPO部件的重量

作为Cascade Engineering旗下的子公司，位于美国密歇根州的树脂配混商Grand Rapids公司的Noble Polymers业务单元，已开发了一种低密度的聚烯烃树脂配方，它可将TPO部件重量降低达20%。这种母料散状树脂添加剂中含有来自3M公司的空心玻璃微珠，它取代了树脂，从而可降低注塑成型、热成型和挤压成型的热塑性塑料部件的密度。

“公司平均燃油经济标准，以及减少工业排放和实现更具可持续性生产方法的驱动，已引发了对改进的TPO生产方法的日益增长的需求。”Grand Rapids公司Noble Polymers业务单元经理Tim Patterson说，“我们用玻璃微珠添加剂取代了母料材料中的烃基树脂，减轻了部件重量，从而帮助降低了燃油消耗。”

Noble Polymers主要向汽车、办公设备和建筑等行业销售现成的以及订制配方的TPO树脂，该公司还提供材料选择、综合的设计分析和经验丰富的试验等服务。

“将可降低密度的添加剂用于填充的TPO原材料中并非是一个新概念。” Patterson指出，“各种各样的填料都已被用于降低TPO部件的密度，但玻璃微珠则在加工性和树脂取代方面更具优势。我们已经发现，玻璃微珠的加入还给TPO部件带来了另外的优势，包括：改善了部件的刚度、提供了尺寸稳定性并减小了收缩。”

据Patterson介绍，传统的树脂替代矿物填料如煤胞、石棉粒子、短切玻璃纤维和CaCO3等，每单位重量的体积要比玻璃微珠小得多，例如，1kg的典型玻璃微珠拥有1666.7cm3的体积，而同样重量的CaCO3，体积只有370.4cm3，这样，其树脂替代潜力就只有玻璃微珠的一小部分。

图2 3M玻璃微珠在专有的聚丙烯树脂中的应用，帮助Hanil E-Hwa有限公司实现了高达13%的部件减重效果

1．玻璃微珠

空心玻璃微珠技术由3M公司于1960年代开发，如今该材料已被用于航空、军工、涂料、造船以及油、气的开采、生产和其他工业领域。3M高级产品开发专家、能源及先进材料部门实验室的Steve Amos解释说，3M的玻璃微珠采用化学稳定的苏打石灰硼硅酸盐玻璃制成，并产生了一系列的特性，包括：9～70mm的大小、0.15～0.60g/cm3的密度，以及250～30000psi（17.5～2100kg/cm2）的抗压强度。

Noble Polymers的材料工程师Bo Wang解释说，3M与Noble Polymers在树脂母料的开发方面展开了数月的合作，该玻璃微珠供应商贡献了有关喂料螺杆设计和porting refinements方面的经验，并推荐了加工参数，从而帮助确保了在配方和TPO生产过程中玻璃微珠的耐受性。3M还帮助Noble Polymers获得了有关添加水平的信息，并完成了质量检测以确保玻璃微珠在成型和挤出过程中不被破坏。

2．玻璃微珠的选择

Bo Wang指出，为一个母料选择3M玻璃微珠的级别取决于TPO部件的最终应用。例如，TPO注塑成型中的压力要求采用具有增强压碎强度的玻璃微珠，如3M的iM30K产品，其压碎强度达到30000psi（2100kg/cm2）。而具有较低压碎强度的玻璃微珠如K46（压碎强度6000psi，或420kg/cm2），可被用于要求较低的热成型、模压成型和挤出加工中。玻璃微珠的强度一般与密度成比例，这样低强度的玻璃微珠密度也较低，因而在减轻TPO重量方面要比更高强度的厚壁玻璃微珠更具潜力。

据Bo Wang介绍，玻璃微珠的大小会影响TPO的表面质量，同时也会影响压力在复合材料中的传递，更小的玻璃微珠可以提供更加有利的影响和张力特性。“通常，更低强度（更低密度）的玻璃微珠最适合用于诸如挤出和热成型的工具箱、摇杆面板和木塑板等。”Bo Wang说，“而更高强度的玻璃微珠被要求用于注塑成型的汽车内、外饰部件，以及其他的工业用部件。”

Noble Polymers的开发工作表明，TPO部件的成型收缩程度与玻璃微珠在混合物中的体积百分比成反比。部件的模量（刚性）也随玻璃微珠与树脂的比率而增加。这些有利的属性如刚性和热变形温度（HDT）的提高，以及线性热膨胀系数（CLTE）、收缩、翘曲和凹痕的降低等，会随着玻璃微珠在树脂混合料中百分比的增加而持续得到改善，抗拉强度、伸长率和冲击强度也随之降低。

母料中添加剂的互补能够在某种程度上使这些数据得到改善。“通常情况下，塑料是柔韧的，在应力下会遭受韧性破坏，而玻璃会增加刚性但更易于出现脆性断裂。”Bo Wang说，“通过向母料中添加一种抗冲改性剂，可降低潜在的脆性断裂风险并保持刚性优势，从而使得提高TPO的冲击强度成为可能。”根据Bo Wang的说法，在母料添加剂混合物中的玻璃微珠含量是可变的，而且可以根据客户的要求达到50%的重量比。采用这种含玻璃微珠成分的母料制成的部件要比仅有树脂的部件轻20%，或者更多。

“加工试验表明，Noble Polymers公司的含有玻璃微珠的母料配方可使TPO的注塑成型周期缩短20%。” Bo Wang说，“显而易见的好处是，由于采用空心玻璃取代了树脂而改变了材料的热性能，从而缩短了冷却时间。”

Noble Polymers与每个客户一起，确定TPO部件的精确特性，并在分段的浇口工艺中平衡多重利益，从而在满足必要的力学性能的同时，使得密度的降低最佳化，由此而为客户带来了专有的机密配方。

Noble Polymers公司业务经理Tim Patterson预测，该公司几乎一半的TPO母料客户要求提供一定程度的订制配方，而采用该公司标准的母料材料就可满足这一要求。

降低了超过25%的SMC重量

位于美国密歇根州Troy的Continental Structural Plastics公司（以下简称“CSP公司”）是北美最大的片状模塑料（SMC）和玻璃纤维毡热塑性塑料（GMT）复合材料部件生产商之一，其产品主要用于汽车、重卡和其他行业中。该公司拥有多个工厂，主要生产SMC原材料，以及采用模压成型工艺为通用汽车公司、克莱斯勒汽车公司、福特汽车公司、丰田汽车公司、International Truck公司和约翰迪尔公司以及其他的客户生产玻璃纤维增强的引擎罩、挡泥板、底护板、油底盘和其他部件。最近，该公司介绍了其在热固性塑料部件减重方面取得的新的重大进展，这些部件被用作含表面应用在内的汽车和非汽车用面板。

作为一家向汽车OEM和其他行业的制造商提供成型塑料部件的供应商，CSP公司按照CAFE标准（即“公司平均燃油经济性标准”）以及行业对改善燃油经济性的要求，积极推进减重和产品质量的改善。该公司在此方面的研究进展以“在不影响生产工艺和不牺牲产品质量的前提下，达到切实降低片状模塑料（SMC）密度的目的”为开端。

作为CSP公司材料及研发部门总经理，Probir Guh介绍说：“SMC含有一个采用玻璃纤维增强的树脂基体以及碳酸钙填料。为‘在不牺牲机械性能的前提下降低密度’而作出的努力主要集中在改变碳酸钙的含量，以及采用低密度的填料来取代它。可替代的填料包括碳纤维、有机填料和纳米粒子。我们发现，3M的玻璃微珠在性能上通常要优于其他的填料，这要归功于它们的固有强度和较低的密度，以及这种玻璃材料的球形结构——它有助于改善树脂的流动性，并实现潜在的更高的填料填充量。”

根据Guha的介绍，由于玻璃微珠采用化学稳定的玻璃制成，因而具有较高的强度/重量比。与替代填料相比，CSP公司发现，这些玻璃微珠降低了密度、改善了抗磨损性、限制了热膨胀、增加了表面硬度、提高了尺寸稳定性并有助于控制材料和工艺成本。通过采用3M的K37玻璃微珠作为填料，CSP公司已使非A级结构部件的密度达到1.3g/cm3，与未改性的SMC相比，重量降低了大约32%。这些3M玻璃微珠的尺寸大小只有40mm，但其压碎强度达3000psi（210kg/cm2），实际密度只有0.37g/cm3。

1．A级表面部件

鉴于高强度玻璃微珠技术方面的最新进展，现在CSP公司可以使SMC部件密度的降低以及可喷涂SMC部件重量的减轻达到一个新的水平。

该公司的材料开发经理Mike Siwajek解释说，用在最新的SMC材料中的玻璃微珠不同于早期的40μm的材料，最明显的区别是，它们拥有更小的尺寸，但压碎强度更高，达到30000psi（2100kg/cm2），是K37玻璃微珠的10倍。它们通常只有16μm的直径大小，而这些更小的玻璃微珠的实际密度是0.60g/cm3（见表）。

“我们发现，3M玻璃微珠的流动性使其能很好地整合到SMC的生产中，并通过改善树脂的流动性而切实提高了加工效率。” Siwajek说，“就SMC原材料的存放期而言，流动性优势特别重要。甚至在存放几个月之后，含有新的更小型玻璃微珠的树脂配方仍然流动很好并可靠地充满模具。对于一个具体的部件，我们能确保采用3M iM30K玻璃微珠的部件重量要比采用碳酸钙填料的部件重量减轻大约25%。

据Siwajek介绍，早期所采取的降低SMC部件密度的方法，是在现有的加工中使用纳米黏土和其他的配方改良产品取代碳酸钙，这有时会导致与部件在模内收缩有关的尺寸问题，现在这一问题已通过使用玻璃微珠填料而得到了解决。今天，CSP公司已证明了其能够实现所要求的尺寸控制标准，同时满足甚至极高的部件公差要求，如汽车引擎罩的公差要求。

2．表面加工

CSP公司介绍说，采用玻璃微珠填料生产SMC面板的一个重大挑战是喷涂性。虽然采用K37玻璃珠能够获得1.3g/cm3的密度并为SMC面板带来良好的力学性能，但如此制成的部件将不能满足OEM的A级表面标准要求。由于这种40mm的玻璃微珠处在或者接近于一个SMC部件的表面，因此在砂磨期间易于从面板中拔出，或者破碎，从而在喷涂表面留下空点和不可接受的瑕疵。

然而，采用3M新的更小的16μm玻璃微珠iM30K，以及采用适当的表面处理，密度的降低可与良好的表面质量一同得到实现。“基于iM30K玻璃微珠更小的尺寸以及增强的压碎强度，CSP公司能够满足OEM针对低密度的、具有可喷涂表面的面板所提出的A级标准要求。”Siwajek说，“针对这一挑战，3M提供了研磨和纹理表面分析技术予以应对，并且他们已提供了相关材料和使用方法等信息，从而使我们能够满足OEM对采用16μm玻璃微珠填料生产的SMC面板的表面质量要求。”

3．SMC部件举例

Mike Siwajek解释说，一个采用新的低密度SMC填料材料所实现的产品得到明显改善的范例是，美国一款大型SUV的引擎罩重量降低了11.5Lb（5.215kg）。采用标准方法制造的这款48in×65in（121.9cm×165.1cm）引擎罩组装件的重量是40.5Lb（18.367kg），它包括一个重21.5Lb（9.75kg）的外板和一个重19Lb（8.617kg）的内板。

这一轻型引擎罩由一个密度为1.5g/cm3的外板和一个未修饰的密度为1.3g/cm3的内板组成，其中，外板采用了iM30K玻璃微珠，重16Lb（7.26kg），减轻了5.5Lb（2.49kg）；内板采用了较大的K37玻璃微珠，重13Lb（5.90kg），额外降低了6Lb（2.72kg）的重量。通过采用这样的玻璃微珠组成，这一组合的引擎罩重量由40.5Lb（18.37kg）降低到了29Lb（13.15kg），重量减轻了28%。Siwajek指出，这一重量的降低是通过采用可接受的结构特性而实现的，因为强度试验表明，采用16mm的3M玻璃微珠制成的密度更低的部件处在未来新的OEM尺寸标准偏差和安全规范所限定的范围之内。

“这种SMC工艺的开发，完美地吻合了与要求更轻重量和提高生产效率的以能源为驱动的市场变化。” Probir Guha总结说，“到目前为止，我们的经验证明了采用玻璃微珠以及利用当前具有良好生产能力的生产工艺，能够实现密度的降低，与未改性的材料相比，只是在强度上有细微的差别。CSP公司正在继续与汽车OEMs展开合作，去探索SMC外观部件的减重机遇，并致力于在其他车辆上的应用，如重卡、农用设备和防御装备等。”