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    尼龍齒輪汽車零部件中的應用及開發
    發布:2017-01-20 15:29 點擊量:224
    尼龍在汽車零部件中的應用及開發  尼龍(PA)是重要的通用工程塑料品種,產量和消費曾長期居工程塑料首位,汽車是PA最大的應用市場,由于世界汽車輕量化和降低成本的趨勢,汽車上零部件要求能耐高低溫、耐油、耐化學藥品、耐候和一定的機械性能,達到節能降耗、提高車速、改進外觀和舒適性、降低成本等眾多目標。PA(主要是PA改性配混料)能較好地滿足這些要求,PA樹脂生產廠、配混料廠、加工廠(包括模具廠)和汽車廠共同合作不斷開發出改進性能和加工性、應用目標明確的各種配混料,產品繁花似錦,德州潤奧橡塑研究和開發工作十分活躍和卓有成效,推動促進汽車工業和尼龍工程塑料工業持續向前發展。   PA在汽車上應用廣泛  汽車是塑料重要和快速增長的市場,PA具有良好的綜合性能,密度低,容易成型,設計自由度大,隔熱絕緣,而且在模具和組裝成本上也有明顯的優勢。PA不僅拉伸強度高、沖擊性能優而且熱變形溫度高、耐熱、摩擦系數低,耐磨損、自潤滑、耐油、耐化學性能優,而且特別是適于用玻纖或其他材料填充增強改性,提升材料性能和檔次,滿足最終部件和客戶需求。目前PA汽車制品種類繁多,如散熱器箱、前格柵、加熱器箱、散熱器葉片、轉向柱罩、尾燈罩、吸附罐、定時齒輪外罩、風扇葉片、各種齒輪、散熱器水室、空氣濾清器外殼、進氣歧管、控制開關、進氣導管、真空連接管、安全氣囊、電氣儀表外殼、刮水器、泵葉輪、軸承、襯套、閥座、車門把手、車輪罩等,總之,涉及汽車發動機部件、電氣部件、車身部件和安全氣囊等多部位。其中汽車發動機罩下零部件用量最大,這是由于汽車向小型化、輕量化發展,發動機室體積縮小,溫度升高,要求機罩下部件更耐高溫,而PA通過改性,能充分達到上述要求。工業分析家認為PA部件不僅起保護作用,還有美觀作用。  PA中PA6和PA66用量占絕對首位,占總量90%以上,在汽車上應用也如此。此外,由于PA11和PA12具有良好的柔軟性、耐油性、耐腐蝕性、耐候性、低溫下韌性、耐磨性、耐水性和尺寸穩定性,在汽車的輸油管、制動管、剎車片、油箱外殼、液壓容器等方面獲得廣泛應用,是PA11和PA12的主要應用領域。 PA新牌號及其應用  汽車用PA牌號以改性配混料為主,填充、增強牌號用量大,還有與其他樹脂合金、EPDM或POE增韌改性和加各種助劑提高和改進阻燃性、潤滑性、耐熱性、耐磨耗性、吸水性、電性能和加工性能等牌號,近幾年比較突出的新產品為改進樹脂流動性、耐熱性、無鹵阻燃和功能性新配混料。  高流動性牌號不僅提高生產效率和降低加工成本,另一個重要作用是改進汽車部件的外觀和表面質量。 高流動性配混料  塑料新材料開發方向為:提高性能、降低成本和有利于環境(包括利用生物資源和可回收利用)。降低成本始終是原料廠和用戶追求的目標,德州潤奧橡塑一些大型PA生產廠家紛紛推出快速成型PA牌號,在不降低性能前提下,縮短成型時間,降低加工和總生產成本,其中用于汽車工業的著名產品是法國Rhodia公司推出的半結晶型PA TechnylStar,被認為是劃時代的尼龍,采用了獨特的聚合和配混技術,這種新型PA為象星一樣的高度支化、非線型結構,加工性極好,制品外觀佳,特別是玻纖增強和無機填充牌號的流動性比用PA6為基礎樹脂的配混料好得多,成型時注射壓力低30%,成型時間縮短10%,成型溫度也大幅下降,注塑機合模力可降低一半,因此在歐洲已越來越多地用于做大型板類部件,已有15種以上應用,包括做汽車發動機罩、進氣歧管、燃油桶襯里、分配器和裝飾件等。  荷蘭DSM公司開發出第二代高流動性增強PA6牌號AkulonUltraflow,韌性高于第一代產品,流動性比一般增強PA6 Akulon高80%(根據螺旋流動長度),成型時間短,意味著制品表面質量高,甚至玻纖含量高達60%的樹脂制品外觀也甚佳,發動機罩厚度可從3.2mm減薄為2.5mm,適于做汽車機罩下部件、組合件、門內把手、鏡護罩等。  美國Du Pont公司Zytel ST801A、德國BASF公司的Ultramid B3WGM24、日本東麗公司的CM1017 XL3、CM3006 LSP都是在原有牌號基礎上改進的高速成型牌號。 

    耐熱性PA  作為大量應用的工程塑料,提高耐熱性始終是生產廠和用戶的目標。PA進一步滲入汽車市場推動力是開發出定位于汽車機罩下應用的新一代樹脂,保持高剛性、高韌性同時,提高耐熱性和流動性,半芳香族尼龍(PA9T,聚對苯二甲酰1,9壬二胺)是代表性實用耐熱PA,Zytel HTN 和PPA亦為半芳香族尼龍樹脂。 美國Du Pont公司的高溫尼龍Zytel HTN已為用戶熟悉,具有高耐熱性,可替代PPS和熱固性樹脂用于氣動剎車系統,節約成本和部件輕型化。隨著機罩下溫度升高,近幾年對高溫尼龍需求增加,其市場競爭加劇,除以聚鄰苯二甲酰胺(PPA)為基礎樹脂的Zytel HTN外,Solvay高性能聚合物(Advanced Polymers)公司推出了系列PPA樹脂牌號,能連續耐溫200℃,尺寸穩定性極高,符合發動機室小型化要求,由于部件多,空間小,空氣流動差,導致發動機室溫度更高,因此要求更耐高溫牌號。此外,瑞士EMSGrivory公司也推出了耐高溫的Grivory HT高溫尼龍系列樹脂。預計新應用還有汽車新一代42V電子系統,老的系統是上世紀50年代開始使用的,已不能滿足汽車現代化、多功能、自動化程度更高的要求,重新設計系統的部件對材料高溫性能提出了明確的要求。Du Pont公司開發的半透明PA66 Zytel牌號,做42V電子系統保險絲盒,成本比聚砜和聚醚砜便宜20%。  Rhodia公司開發的2個用于冷卻水箱和冷卻、加熱回路的玻纖增強PA66 Technyl牌號,能在130℃下長期連續使用,最高承受溫度達160℃。  發動機室進氣歧管(AIM)是近幾年開發成功的主要塑料汽車部件,目前以PA(包括PPA)為主要原料。   無鹵阻燃和其他PA  汽車、電子電器、家用電器、辦公室和通訊設備等領域要求阻燃PA,采用無毒、低發煙性、高耐熱阻燃劑,研究效率高、使PA力學性能下降少的無鹵阻燃劑和各種阻燃劑的協同效應是無鹵阻燃PA開發重點。早在20世紀80年代末,BASF公司就推出無鹵阻燃PA Ultramid KR425,達UL94 V-0級,低溫沖擊強度達20kg.cm/cm,在此基礎上不斷推出新牌號,如1995年的KR4455。荷蘭AKZ0工程塑料公司也推出無鹵阻燃PA,荷蘭DSM工程塑料公司推出的不含鹵素和磷的未增強PA6牌號AkulonK2 2 5 -KS , 比重小,流動性極好,0.75mm樣片達UL94 V-0級,AkulonK224-HG56是30%玻纖增強PA6,比標準玻纖增強阻燃牌號密度低,容易加工,不易起霜,1.5mm樣片達UL94-V0級。隨著歐盟的RoHS、WEEE和ELV等指令發布和實施,美國、日本和我國等也相繼推出相應法規,無鹵阻燃PA需求增大,生產廠顯著加快了性能符合要求、成本合理的無鹵阻燃PA牌號開發步伐,適應經濟全球化和人們增長的健康理念的要求。  提高功能性牌號包括了激光焊接、耐乙二醇、高耐磨性、可在線涂漆等牌號,其中生產廠花大力氣開發能激光焊接牌號,適應高度一體化、高耐熱、復雜形狀制品開發要求,限于篇幅,不做詳細介紹。   代表性汽車用PA新材料 進氣歧管專用PA  汽車發動機進氣歧管(AIM)是近年開發成功的塑料汽車部件范例,塑料AIM不僅質輕,而且由于內壁光滑,改進氣體流動性(提高流量),隔熱效果好,進氣效率高,因而提高發動機性能和燃料利用率。目前主要材料是PA6和PA66,更耐溫的PPA,還有PA/sPS共混物、酚醛樹脂等。美國初期選用PA66,采用去芯成型(lost core process)工藝制備,該法工藝復雜、成本高、生產效率低,逐漸被其他新工藝替代,目前已轉向先注塑兩片PA6 AIM部件,德州潤奧橡塑然后靠振動焊接法連接。  B A S F 公司在A IM用PA6 材料開發上起先鋒作用,高熱穩定玻纖增強PA6Ultramid BGWG6用于歧管系統底部和內部部件,暴露的上部外罩選用Ultramid B3G G6,均含30%玻纖,為鈦灰色金屬外觀粒料,符合汽車廠Audi公司發動機風格要求,不需涂漆。  日本UBE公司開發出AIM專用PA6牌號1015GNKF,具有AIM要求的物性和振動焊接要求的二次加工性和焊接強度。日本東麗公司也推出AIM專用注塑級30%玻纖增強PA6牌號,耐熱性高,亦能用振動焊接法連接。  汽車機罩下空間有限,有時實施振動焊接法有困難,為適應復雜形狀和結構更緊湊的AIM連接要求,而且,

    激光焊接條件溫和,焊接質量好,制品殘余應力小。因此,樹脂廠花相當大精力開發激光焊接PA料,Bayer公司、BASF公司和Du Pont公司都先后開發出激光焊接PA6和PA66牌號,制備高度一體化、更耐熱的AIM。BASF公司激光PA6牌號Ultramid B3G6 LT對波長1064mm的Nd-YAG激光透光率高達72%(2mm厚制品),成型時間短,適于加工厚壁和復雜形狀制品。美國Du Pont公司開發出激光焊接PA66牌號,據說激光透過率不如PA6牌號。Bayer公司推出三個激光焊接黑色玻纖增強PA6牌號。  如前所述,半芳香族PA具有更高的耐熱性, 35%玻纖增強PPAAmodel A-6135 HSL已被成功用于制備商品名叫SLX的AIM,PPA高溫和高濕下拉伸強度比PA66高得多,有更高的剛性、抗拉伸蠕變性和耐化學性,綜合性能超過普通PA,是值得注意的動向。 PA納米復合材料  PA納米復合材料是1990年日本豐田中央研究所與PA樹脂廠UBE公司共同開發成功的,是世界最早的聚合物納米復合材料,用做汽車定時器罩。近年來,基于環保和成本的要求和考慮,利用納米材料改進PA阻隔性在汽車燃油系統的開發和應用備受關注。  意大利Fiat汽車公司已決定用PA納米復合材料作為燃油管阻隔材料,替代原來的PVDF阻隔材料,多層燃油管包括PA12外層、PA6/PA12共聚物粘接層、含2%納米粘土的PA6/PA66共聚物阻隔層、PA6內層,這種全PA結構燃油管,有便于回收的優點。  PA6和有機改性納米層狀硅酸鹽(最高含量30%,重量分數)母料加入HDPE后能提高HDPE阻隔性,甲苯對這種HDPE/PA共混物的滲透率與甲苯對純PA相近,用于制備汽車燃油箱和油管內襯,可替代多層復合結構。  日本UBE公司開發出尼龍/粘土納米復合材料(NCH)牌號,滿足越來越嚴格的對汽車燃油揮發泄漏量限制,有PA6系的1022C2和PA66系的5034C2,氧透過率(23℃,65%RH下,30mm厚)分別為22cc/m2?d和23cc/m2?d,水蒸氣透過率(40℃,90%RH下,30mm厚)分別為65g/m2?d和72g/m2?d,均約為一般尼龍牌號一半左右。應用目標為汽車燃油管,納米復合材料降低汽油、甲醇和有機溶劑滲透率,UBE公司的Ecobesta是PA6/PA66共混物為基礎樹脂的納米復合材料,比未填充PA6的對汽油的阻隔性高3倍。   市場消費和預測  目前歐洲平均每輛車用材料中塑料占10%(重量分數),塑料在汽車上用量穩步增長,目前每輛車用塑料120Kg左右,先進車型用量更多,如BMW(寶馬)公司的BMW 328i型轎車每輛用塑料162Kg,占汽車總重的1德州潤奧橡塑1.6%,其中PA為21.8Kg。美國每年用于汽車發動機室的PA已超過5.44萬t,(大部分為玻纖和無機填充增強牌號),德州潤奧橡塑目前最大的應用制品是AIM,歐洲尼龍AIM占有率領先于美國和日本。據BASF公司的報道,每年汽車用PA配混料消費為80萬t左右。  德州潤奧橡塑我國2 0 0 8 年中級轎車每輛平均用3kg PA工程塑料。2010年將升至4.2kg,低于發達國家用量,預計2020年前,中國每輛車用PA工程塑料以年均20%~30%速率增長,由于有許多合資汽車廠,有利于較快地接近歐美和日本的水平。  汽車是PA工程塑料最大終端應用,世界PA和PA66工程塑料中汽車應用占有比例分別為34%和50%,反過來汽車工業推動和要求PA改性料升級換代和高性能牌號開發。汽車廠根據部件要求對PA原料廠提出性能規格要求,經常要求配混料廠為其“定做”部件的專用PA配混料牌號。  結語  P A 是重要的工程塑料,為保護地球環境,減少使地球變暖的CO2排放量,滿足不同汽車廠家及其部件的要求,PA樹德州潤奧橡塑脂和配混料不斷開發出綜合性能更優和滿足專門性能的PA改性配混料,新牌號層出不窮,有利于汽車小型化、輕量化,汽車是PA最大應用市場,反過來又影響和促進PA改性料向高性能化、系列化和專用化方向發展和新牌號的研究開發。拉動PA在汽車上用量穩步增長的主要因素是提高汽車部件性能和降低車重生產成本和有利于環境,包括改進制品外觀(表面質量),提高舒適性和部件一體化,一體化后組裝容易,節省空間,簡化設計。PA樹脂和配混料廠在提高材料耐熱性、加工性(流動性和激光焊接性等)




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