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实力减重,在不改变现有工艺的情况下通过材料降低密度和部件重量
2019年01月24日    阅读量:1033    新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

轻量化不再仅仅是替代金属的问题。越来越多的情况下,是由更加轻巧的聚合物代替在用的塑料。新的低密度复合材料不仅表现出良好的材料和加工性能,最重要的是,它们提供了各种间接优势,这可以通过发动机舱隔壁和车门槛来说明中国化工网okmart.com

多年来,轻量化一直是汽车行业的一个重要话题。尽管重点是在开发初期即用塑料替代较重的金属材料,但最近的焦点越来越集中在用更轻型的聚合物材料取代成熟的塑料材料。这一方面证明了近年来塑料应用技术的快速发展,同时也提出了越来越多的新问题。全新构思部件的开发、测试和委托加工需要花费大量的时间和金钱。所以,汽车行业正在寻找低风险的直接使用式解决方案,不仅可以减轻重量,还可以实现较重材料一对一的快速更换,在理想情况下,不仅具有额外的技术优势,而且也不会增加成本。

最近,德国Kerpen的A. Schulman公司即将成功完成的两个项目,对于先进复合材料可以满足这些要求提供了证据。这两个项目分别是采用新型轻量化复合材料生产发动机舱隔壁盖和车门槛。新的产品明显比大规模生产中使用成熟的对应材料制得产品的重量更轻,也不需要对现有注塑模具和/或工艺进行重新调整。此外,它们还带来了额外的有趣特性。

在开发新型轻量化材料时,复合材料企业本质上可以通过两个“螺钉”来调节。一方面,可以对聚合物进行改性;另一方面,可以使用降低密度的填料。本文所述案例将对这两种方法所提供的可能性进行说明。

 

发动机舱隔壁盖:特性相同,密度下降

第一种通过聚合物改性获得较轻部件这一方法的灵感是与德国曼海姆Röchling Automotive SE & Co KG为一家德国汽车生产商的量产汽车联合开发的机舱隔壁盖(和/或排水系统)获得的(图1)。该部件尺寸为255 mm x 270 mm,壁厚介于1.5毫米至2.5毫米之间。之前的版本重148g,由玻纤增强的聚酰胺(PA)Schulamid 6 GF30制成。其材料特性、尺寸稳定性和收缩性与新开发的轻量化塑料相近。

一直以来,通过与较轻的聚合物混合来获取低密度的聚酰胺都不是问题。但在这种情况下,降低材料密度的同时要保证机械性,这是一个挑战。解决这一问题的方法是使用含30%玻纤的聚烯烃改性聚酰胺复合材料Schulamid RD6 GF30。该材料在整个项目框架内进行开发,同时也成为A. Schulman的PA产品组合的一部分。

已经有含不同玻纤含量的等级可供,材料特性总结于表1和表2。值得一提的是,尽管密度降低了9%,但新材料Schulamid 6 GF30的伸长率、拉伸模量和拉伸应力特性与标准的PA6相当。制造轻量化的直接使用式机舱隔壁盖重量为136g,或者比原来用PA-GF30制成的部件轻9%。

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不需要更换现有的模具

按照规定,这两种材料的收缩率相同,所以无需更换模具。在Röchling Automotive公司进行注塑时,RD版的材料甚至可以在更低的模具和熔融温度下进行加工。而且,由于进行了有针对性的改性,RD版材料吸水性更低。这对材料尺寸稳定性,尤其是在潮湿工况下作业的车辆所用的材料而言,具有积极的影响(表1)。

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除了低密度外,Schulamid RD6 GF30还明显改善了对非极性热塑性弹性体(TPE)的粘接性,后者被广泛用作车用密封剂。传统上,PA和TPE很难混合使用。但在本案例中,两者的结合变得很简单,因为复合材料中的聚合物经改性后,可以与标准TPE进行粘接,所以采用更为价廉的聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯(SEBS)就成为可能。

使用Schulamid RD6 GF30后,不仅是重量,而且2C部件的总体成本也明显下降,这表明,更轻型的材料不仅实现了部件的轻量化,而且同样吨位的材料可以生产出更多部件。价格更低的TPE材料还有助于削减部件总的成本。因此,收缩率相当于典型PA6-GF30复合材料的Schulamid RD6 GF30非常适合作为现有模具加工的直接使用式材料。归功于该材料与TPE结合力的改善,与“原先的”材料相比,Schulamid RD6 GF30为生产企业带来了额外的价值。

 

因填料更好,车门槛变得更轻

第二个开发项目使用了具有相应填料的轻型复合材料。与来自德国诺伊斯的3M公司合作开发了将中空玻璃微球作为轻质填料的材料。作为3M公司中空玻璃微球的官方配混合作伙伴,A. Schulman已经将其产品组合扩展到将轻质聚丙烯(PP)复合材料包括在内。这些材料被用作如塑料车门槛门(1250 mm x 300毫米,壁厚1.8至2.5毫米)(图3)等。

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车门槛通常是由滑石填充的PP(通常含20%)如Polyfort FIPP 20 T(制造商:A. Schulman)制成。这个联合项目的目标是开发一种具有箱桶收缩率,但填料重量明显更低的材料。要做到这一点,填料的体积含量应保持不变。这一目标只能通过与新的填料结合才能实现。其挑战在于:找到一个新的填料组合,尽管密度降低,体积含量相同,但依然具有相似的机械特性。

通过采用含有中空玻璃微球与进一步特别挑选的矿物元素相结合的填料的新型复合材料Polyfort PPC MGB 6 RD实现了这一目标(表2和图4),它使得新的PP复合材料的密度降低了将近15%(现在:0.90 g/cm³,原来:1.05 g/cm³)。

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中空玻璃球:与更出色的抗划伤性能相结合

用新材料制成的车门槛模型,各方面均可与用滑石填充的聚丙烯制成的零件相媲美,重量只有475克,而当前在用系列部件的重量是570 g,比对应产品要轻15%。

与此同时,Polyfort PPC MGB 6RD可以用滑石增强PP产品完全一样的系列模具生产。不仅实验室测量的新型中空玻璃微球复合材料的收缩率与原先的系列材料一样,实际尺寸也是如此。

此外,该复合材料显示出较高的流动性:一方面, 填料颗粒的流动性越强, 其流动性越好,如其熔体流动速率(MFR)所示(表2) 。因此,在级联注塑成型中,长件只能通过两个浇口而不是五个浇口进行填充,并且注射压力也可以降低至200bar。但该材料不用调整现有工厂技术或改变工艺参数即可进行加工。

就像用RD6 GF30制作的发动机舱隔壁盖的例子一样,此处所提供的解决方案带来了额外的价值,这要归功于Polyfort PPC MGB 6 RD材料,因为它比通常使用的滑石增强聚丙烯复合材料具有更出色的抗刮擦性。在特定应用领域,这是一项优势。还应该注意到,这个属性是材料与生俱来的,即不需要另外进行“复合”,因此也就省去了用额外的昂贵设备来提高材料抗刮擦性。与前一个改性滑石增强PP抗刮擦材料相比,使用新的中空玻璃微球复合材料显著减少了刮擦试验中形成的明显的刮痕(根据大众汽车指定的PV 3952测试标准进行刮擦试验)。

可以在不同的OEM处找到与本文案例所介绍、已经进入非常后期测试阶段和/或计划进入系列化生产的开发产品相近的产品。

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总结与展望

本文的例子表明,用更轻且具有更多优势的塑料代替轻质塑料是很有可能的。如果考虑到它的额外优势,那么替代材料成本通常不会更贵。如文中所列的新的复合材料开发周期更短,甚至提高了成型加工的多样性,同时,还能适应更为严苛的经济考量下的应用需求。

来自A. Schulman的新型轻量化材料的使用范围,绝不仅限于车门槛和发动机舱隔壁盖。光是Polyfort PPC MGB 6 RD所具有的与生俱来的耐刮擦性就使得它可用于汽车内饰可见部件中,而采用中空玻璃微球的轻量化复合材料的具体应用正在推进中。特别是当该复合材料与其它玻纤混合时,可获得高刚性、特别轻型的材料。


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