张雷+徐国浩+张伟伟++张城++魏长庆
摘 要：为了支持汽车整车及其关键零部件的绿色设计研发，以提高汽车产品的环境友好性、可再生利用性为目的，本文针对主要材料为改性PP聚丙烯（Polypropylene，PP）聚丙烯）的两款汽车副仪表板进行了生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）对比分析，采用GaBi 4 软件对生产制造过程中的物料消耗、能源消耗以及对外排放进行统计分析，并利用CML2001方法评价了生产制造及回收过程中的环境影响。对比分析结果表明：，A型汽车副仪表板较B型来说，在生产回收过程中，能耗、环境酸化和温室效应影响较严重，故优化现有的原材料制备工艺与成分含量，改良汽车副仪表板结构设计是减少环境影响的有效途径。
关键词：生命周期评价；GaBi 软件；汽车副仪表板；改性聚丙烯PP材料；酸化
中图分类号：TH145.4；；U463 文献标识码：A
Life Cycle Assessment of Vice Dashboard Assembly of Automobile
Zhang Lei1，Xu Guohao1，Zhang Weiwei1，Zhang Cheng1，Wei Changqing2
（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， ，Hefei University of Technology， ，Hefei 230009， ，Anhui，China；
2. Chery Automobile Co.，Ltd， ，Wuhu 241000，，Anhui， China）
Abstract：In order to support the green design and development of automobile and its key components，to improve the environmental friendliness and renewable of automotive products， this paper is about LCA analysis of the vice dashboard of automobile made of the modified PP （polypropylene）， using GaBi 4 software to make statistical analysis of material consumption， energy consumption and external emissions in the manufacturing process， and taking advantage of the CML2001 method to evaluate the environmental impact in manufacturing and recycling processes. The results show that： Compared with the vice dashboard of automobile of type B， in manufacturing and recycling processes of vice dashboard assembly of automobile of type A， the effects of energy consumption environmental acidification and Greenhouse are more serious， its the effective ways to reduce effects that optimizing the existing preparation technology of materials and improving the structural design of a vice dashboard assembly of automobile.
Key words：life cycle assessment （LCA）； GaBi software； vice dashboard of automobile； modified Polypropylene PP； acidification
0. 引 言
在我国，汽车工业是的能源和资源消耗较多，污染物排放也比较严重的部门之一。面对汽车产量和保有量的高速增长，我们不得不关注汽车产业持续发展所必须面临的生态环境问题[1]。虽然新型材料零部件的应用使汽车在行驶过程中的油耗降低，在一定程度上节约了能源和也减少了环境污染，但其原材料获取和加工制造阶段的能耗和污染物排放量将大于对传统材料的获取和制造[2]。所以对汽车关键零部件进行生命周期分析，是改良汽车材料，提高汽车性能，减轻环境污染的重要依据，也是实现生命周期评价方法在产品设计和生产阶段应用的有效途径。
1. 改性聚丙烯材料
改性聚丙烯（PP）作为轿车副仪表板的材料，具有熔体流动性能好、注塑质量高、力学性能好、尺寸稳定性好、耐热等级高等优点，特别是具有更好的强度、刚性和装饰性，对提高汽车性能、和质量、，保障汽车使用安全和车身轻量化等都有着积极的意义[3]。近年来，将普通聚丙烯经过填充、增强、共混改性再作为原料制作汽车、电器、仪表等工业配套零部件也已成为其重要的应用领域。例如使用共聚聚丙烯或经过改性的聚丙烯可制作汽车保险杠、仪表板、方向盘、蓄电池外壳、支架、挡泥板、曲柄、止动器、风扇叶片、空调罩壳等[4]，但是常用的改性PP聚丙烯（PP+EPDM）多含有橡胶等材料，橡胶材料的制备多采用硫化的方式，这难免造成生产的过程中放出过多的SO2气体，造成环境的酸化污染。
2. 副仪表板总成的生命周期评价
2.1. 生命周期评价方法
生命周期评价（ Life Cycle Assessment LCA ）是一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的采集和加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程[5]。ISO 对LCA 的定义是：：汇总和评估一个产品（或服务）体系在其整个生命周期间的所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法[6]。一个完整的生命周期评价LCA包括4个组成部分： ：目标与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释[7]。
（1）目标与范围定义
该阶段是对LCA研究的目标和范围进行界定，是LCA研究中的第一步，也是最关键的部分。
（2）清单分析
清单分析是对所研究系统中输入和输出数据建立清单的过程。清单分析主要包括数据的收集和计算，以此来量化产品系统中的相关输入和输出。
（3）影响评价
影响评价的目的是根据清单分析阶段的结果对产品生命周期的环境影响进行评价。这一过程将清单数据转化为具体的影响类型和指标参数，更便于认识产品生命周期的环境影响。
（4）结果解释
根据目的和范围要求对评价结果进行评估，分析产品生命周期中的重大问题，进而形成结论和建议[8]。
2.2. 汽车副仪表板总成
汽车副仪表板总成是指位于驾驶座旁边的用于安装手刹制动和换档换挡杆等部件的仪表板，，包括副仪表板 、烟灰缸内外壳、电子按钮板、橡胶垫及弹簧卡子等配件，，这些部件大部分为塑料件[9]。随着汽车工业的飞速发展，，对副仪表板总成件的质量要求也越来越高，PP改性材料以其良好的加工性能、冲击性能以及密度小等优点在汽车副仪表板制造中用量较大[10]。
2.3. 目标与范围的确定
本文选用本体材料为PP+EPDM-T20和GMT（PP+GF）的某两款汽车副仪表板总成作为研究对象，目的是通过对这该两款车型副仪表板总成的LCA生命周期评价，分析副仪表板总成生命周期阶段的能源和环境影响，为车企产品设计人员选用产品材料和改进车型零部件结构提供参考依据。
汽车副仪表板总成的整个生命周期过程如图1所示。根据研究目的确定研究范围，其重点是原材料，以及产品生产制造、使用和回收处理的全过程。与其他它各阶段相比，销售和运输阶段对环境的影响较小，故本文可对其忽略不计。因此，把汽车副仪表板总成的整个生命周期过程分为原材料获取、加工制造、使用和回收处理4个阶段。
图1 副仪表板总成的生命周期过程
某两款车型的不同材料副仪表板总成的主要参数见表1，表中的数据来源于某汽车厂。生命周期评价LCA的功能单位确定为单件汽车副仪表板总成的产品质量（（kg））。
表1 某两款汽车副仪表板总成的主要参数
参数 A款车型副仪表板本体总成 B款车型副仪表板本体总成
单件副仪表板本体总成质量/kg 2.228 2.562
主要成分 PP+EPDM PP+GF
生产工艺 注塑成型 冲压成型
结构特征 上下本体联接造型 整体造型
汽车寿命/a 15 15
回收方式 回收再成型 回收再成型
注： 汽车寿命按15 a行驶30 0000 km
用改性聚丙烯制造注塑成型仪表板的工艺过程为：原料干燥-注塑成型-修整-包装[11]。
2.4. 清单分析
2.4.1. 原材料及其生产阶段
由于生产的配方保密，因此本文只列出部分原材料数据。两款车型副仪表板本体总成的主要零部件及其原材料清单如见表2和表3所示。副仪表板本体总成原材料提取阶段的主要污染物排放和能耗见表4。
表2 A款车型单件副仪表板本体总成所需的原材料
所需材料名称 材料质量/kg 所含主要物质名称 物质质量/kg 备注
PP+EPDM-T20 1.805 填充热塑性塑料
聚丙烯 1.173 3 含量比例65%
乙烯丙烯共聚物 0.180 5 含量比例10%
滑石粉 0.306 9 含量比例17%
ABS 0.169 非填充热塑性塑料
丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物 0.152 1 含量比例90%
65Mn 0.09 低合金钢
铁 0.087 8 含量比例97.6%
电镀锌 0.035 锌合金
锌 0.034 8 含量比例99.4%
45CrNi 0.002 高合金钢
铁 0.001 9 含量比例96.5%
电镀锌镍 0.002 锌合金
锌 0.001 9 含量比例92.8%
PE 0.016 非填充热塑性塑料
聚乙烯 0.016 0 含量比例100%
45钢 0.001 低合金钢
铁 0.0010 含量比例98.6%
EPDM 0.004 橡胶
乙烯丙烯共聚物 0.0018 含量比例45%
炭黑 0.0010 含量比例25%
注：PP-聚丙烯，EPDM-三元乙丙橡胶，T-滑石粉。，ABS-丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯。，PE-聚乙烯。
表3 B款车型单件副仪表板本体总成所需的原材料
所需材料名称 材料质量/kg 所含主要物质名称 物质质量/kg 备注
PP+GF 2.014 玻璃钢
聚丙烯 1.409 8 含量比例70%
玻璃纤维 0.604 2 含量比例30%
ABS 0.465 非填充热塑性塑料
丙烯晴/丁二烯/苯乙烯共聚物 0.418 5 含量比例90%
70G30HSLR 0.09 填充热塑性塑料
尼龙 0.061 2 含量比例68%
玻璃纤维 0.026 1 含量比例29%
金属锌 0.0008 锌合金
锌 0.000 8 含量比例99.4%
POM 0.0042 非填充热塑性塑料
多聚甲醛 0.004 1 含量比例98%
聚氨酯 0.01 非填充热塑性塑料
二氧化钛 0.006 0 含量比例60%
聚氨酯 0.003 9 含量比例39%
SWRCH18A 0.0285 低合金钢
铁 0.028 1 含量比例98.5%
EPDM 0.011 橡胶
乙烯丙烯共聚物 0.004 9 含量比例45%
炭黑 0.002 7 含量比例25%
注：POM-聚甲醛。，70G30HSLR-尼龙树脂。，ABS-丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯。，SWRCH18A –冷镦钢。
表4 副仪表板本体总成原材料提取阶段主要污染物排放和能耗 （单位：kg）
污染物与能耗 PP+EPDM材料提取阶段 PP+GF材料提取阶段
能耗/MJ 322.669 149.927
污染物 CO2 2.450 CO2 1.147
CO 8.37×10-4 CO 1.76×10-4
SO2 3.64×10-3 SO2 1.18×10-4
NO 2.77 E-11 NO 6.65 E-12
注：数据来源于GaBi4软件数据库。
2.4.2. 汽车副仪表板总成制造阶段
A款汽车副仪表板本体总成主要是上下两块副仪表板组成，如见表5所示，其主要材料为聚丙烯（PP）作为基体，混有橡胶（EPDM）增韧剂和矿物粉填料。其主体部件的主要生产主要工艺采用注塑成型，将干燥后的塑料粒子在注塑机中通过螺杆剪切和料桶加热熔融后注入模具中冷却成型，。工艺流程为：：注塑（仪表板本体等零件）→ 焊接（主要零件）→ 装配（相关零件）[12]。而B款汽车副仪表板本体总成则是整体冲压造型，所含结构如见表6所示，其主要材料为聚丙烯（PP）作为基体，并混有玻璃纤维（GF）。其工艺制造流程为：将玻璃纤维毡和PP片材叠合后，经加热、加压、浸渍、冷却定型和切断等工序制成GMT片材，然后采用冲压成型工艺，按样板将GMT片料下料，加热到一定温度装模，快速合模加压，经冷却、脱模、切边和修整得到GMT制品。运用GaBi4软件对汽车副仪表板本体总成生产过程进行建模，如图2所示。
图2 汽车副仪表板本体总成生产过程的GaBi4软件模型
由于汽车副仪表板本体总成零部件数量太多，本文主要考虑主要零部件机加工过程中的耗电量，具体数据如见表5和表6所示。
表5 A型副仪表板本体总成关键零部件加工制造阶段所需能耗
零件 材料 重量/kg 数量 能耗/MJ
副仪表板上本体 PP+EPDM-T20 0.583 1 1.024 214
副仪表板下本体 PP+EPDM-T20 1.040 1 1.827 072
副仪表板前挡板 ABS 0.120 1 0.186 408
垫块 PE 0.004 4 0.007 236
杯托总成 ABS/PP+EPDM-T20 0.1 1 0.162 472
电话储藏室总成 ABS/PP+EPDM-T20 0.138 1 0.223 561
表6 B型副仪表板本体总成关键零部件加工制造阶段所需能耗
零件 材料 重量/kg 数量 能耗/MJ
副仪表板本体 PP+GF 1.208 1 3.408 521
铰链销 70G30HSLR 0.013 1 0.031 485
扶手箱包覆骨架 ABS 0.225 1 0.349 515
杯托总成 ABS/PP+GF 0.21 1 0.592 441
储物盒 ABS/PP+GF 0.44 1 1.231 492
2.4.3. 汽车副仪表板总成使用阶段
副仪表板总成在汽车使用寿命期间一般不会出现中途更换的情况。由于副仪表板总成在使用过程中不产生负面的环境影响，本文暂且忽略该阶段的环境影响。
2.4.4. 汽车副仪表板总成回收阶段
由于汽车产量和用量的急速增长，报废汽车典型塑料零部件的回收利用对资源与环境的影响已日益凸显。废旧汽车最理想的回收方式就是原零件重用或再制造，再制造就是将已经损耗的产品重新恢复到既有利用价值又有经济价值的状态，是循环经济的高级形式[13]。
仪表板因涉及种各种材料而成为汽车上较难回收的零件之一。PP类仪表板的回收再利用，一般采用将废旧PP仪表板粉碎，添加由70%～92%的石蜡聚合物和8%～30%的无机填料组合的混合物，之后加热熔融和捏炼，生产树脂合成物，并将其用作生产新仪表板的基体[14]。单件汽车副仪表板总成粉碎过程消耗电能为0.068 kW·h，加热熔融过程消耗电能1.50 kW·h。处理好废旧汽车典型塑料零部件对利用再生资源、减少环境污染和改善人类生存环境具有非常重大的意义。
3. 环境影响评价
对两款汽车副仪表板总成进行全生命周期分析后，选取对环境影响较大的几种污染物作为研究对象。表7列出了两款副仪表板本体总成污染物排放量，图3为两款副仪表板本体总成污染物对比分析数据图。结果数据显示：A型汽车副仪表板总成较B型产生更多的污染物，其对环境的影响也比B型大。
表7 两款副仪表板总成污染物排放量 （单位：kg）
主要污染物 A型副仪表板总成 B型副仪表板总成
CO2 80.357 89 38.306 860
CO 1.931 672 0.053 755
CH4 3.006 130 0.089 875
SO2 4.535 942 0.343 631
NOx 6.283 110 0.223 391
图3 两款汽车副仪表板总成污染物对比数据图
运用LCA软件GaBi4对两款汽车副仪表板总成进行生命周期评价，可得到主要材料为改性PP的汽车副仪表板总成生命周期阶段对能源与环境的影响评价结果。最终将其全生命周期环境影响按照CML2001[CML2001 - Dec. 07，Western Europe（EU）]生命周期影响评价方法进行标准化和加权评估，结果如图4所示。
图4 两款汽车副仪表板总成的环境影响对比图
由图4可知，生产汽车副仪表板本体总成过程所产生的主要环境影响主要为温室效应与环境酸化，而原材料PP/EPDM较PP/GF对环境造成的影响更为明显。其主要原因为这主要是因为PP/EPDM材料的生产主要采用动态硫化的方法[15]，在制备过程中能耗较大并附带会产生大量SO2气体。
4. 结束语结论
一.（1）汽车零部件原材料的制备、生产制造、使用和回收过程都对环境有影响， 需进行全生命周期分析才能做出全面合理的评价。
二.（2）由汽车副仪表板总成生命周期评价结果显示，温室效应和酸化的环境影响较为显著。
三.（3）GaBi软件基于LCA方法对汽车副仪表板本体总成进行生命周期分析，找出了其生命过程中对环境影响最大的阶段和影响类型，从而为制定汽车零部件绿色生产方案做准备。
四.（4）造成环境影响的原因主要是汽车副仪表板生产工艺过程中原材料的获取及生产造成的。因此，要降低环境影响可以改进其PP/EPDM材料的生产工艺、，调整改性PP材料的成分含量、，使用PP/GF材料替代，提高生产效率，提高能源的利用效率。
五.（5）由A型副仪表板本体总成与B型结构特征比较可知，对汽车生产制造商而言，可以优化副仪表板总成结构设计，改进注塑模具，将副仪表板上下本体融合，形成整体副仪表板本体，以减少主体材料与连接紧固件的使用量，达到汽车副仪表板设计集安全性、绿色性、舒适性与轻量化于一身的目的。
[参 考 文 献]
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作者简介：
责任作者：张 雷（1978-），男，，安徽合肥人，。博士，主要研究方向为机电产品绿色设计与制造。
Tel：13956088853
E-mail：zhlei@hfut.edu.cn
通讯作者：徐国浩（1988-），，男，， 山东烟台人，。硕士，主要研究方向为机械制造及其自动化。
Tel：13696508198
E-mail：guohaodaxia.student@sina.com
通讯地址：安徽省合肥市合肥工业大学屯溪路124信箱
