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[复合材料] 新型玻纤增强聚酰胺:满足高温和结构应用需求

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发表于 2016-4-27 21:30:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
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新型玻纤增强聚酰胺:满足高温和结构应用需求

新型玻纤增强聚酰胺:满足高温和结构应用需求

        图1 巴斯夫开发出了具有极高的热稳定性和成本竞争力的特殊级别的聚酰胺Ultramid Endure,该材料能满足诸如共振器、中冷气端盖、进气管、节流阀以及进气歧管等部件较高的耐高温要求。创新的稳定技术赋予了该新材料较大的耐热老化性能。上右:传统材料在高温下受氧侵蚀后会遭到破坏。下右:采用新材料制成的部件表面很难受到氧的侵蚀

        无论是耐高温的引擎盖下,还是复杂的可实现各种功能集成的结构部件,伴随着使用要求的日益提高,用于替代金属的塑料正面临着更大更多的挑战,这种挑战推动着材料供应商们不断地去开发新的高性能材料。在K 2010展会中,巴斯夫全新推出了两款新的玻纤增强聚酰胺,满足了这两方面的应用要求。
        新型高耐热聚酰胺
        随着汽车向更高能源效率方向的发展,使得发动机舱的温度不断提高。例如,目前的汽车制造商们正在试图采用涡轮增压技术来改善能源效率。涡轮增压,就是加大进气量,使发动机达到一个有助于燃料最佳燃烧的性能状态,这就要求使用涡轮增压器,它会导致发动机舱内的压力和温度更高,特别是在进气管内。例如,对于涡轮增压的柴油发动机而言,涡轮增压器与中冷器之间的温度通常高达200℃,严重时还会达到230℃。
        出于重量方面的考虑,汽车制造商们希望用塑料取代金属来制作发动机周边的零部件,并希望尽可能地降低成本。然而,面对越来越充满挑战的应用要求,特别是在发动机附近的高温应用方面,用聚合物材料取代金属正变得更加困难:高性能的塑料因系统成本的原因而常常被拒之门外,而价格相对便宜的塑料则在性能上不能满足应用要求。
        利用新的特殊级别的Ultramid Endure聚酰胺(PA),现在巴斯夫的研究人员已成功地找到了脱离此困境的解决方案。Ultramid Endure是一种玻璃纤维增强的聚酰胺,它结合了出色的耐热老化性和PA66良好的加工性能,与巴斯夫标准级别的Ultramid A3WG7 PA66相比,其加工性得到了明显改善。基于这些综合的性能优势,使得以合理的系统成本生产出暴露在高热环境中的引擎盖下的各种部件成为可能,而且还有利于重量的显著降低。
        1. 新型稳定剂确保了长期耐热稳定性
        新的Ultramid Endure能够轻易地满足220℃高温下的连续使用要求,并可承受240℃的极端温度考验,这使得聚酰胺的应用范围得到扩展,能够应用于高温领域。相比之下,拥有同样玻璃纤维含量的Ultramid A3WG7的长期使用温度是170℃,而像Ultramid A3W2G6之类的耐热级别的Ultramid W2产品(PA 66/6)也只能在190℃的温度下连续使用。
        这种对材料耐热老化性能的显著改善是利用巴斯夫开发的创新的热稳定技术而得以实现的。利用该技术,可在材料表面形成一层保护层,即使在220℃的高温下,该保护层也能够提供连续保护而防止材料出现氧化。该技术的这一效果尤其在长久使用的表面上表现明显。传统的PA66在220℃下连续使用1000h后,其表面就会形成氧化通道,从而使更多的氧气继续向更深层侵蚀。对于Ultramid Endure而言,基于新的稳定剂和密封方式,使其表面能够快速得到密封,从而使材料得到保护。即使在220℃下使用4个月后,其表面也仅产生一层稀薄的碳黑。
        通常,引擎盖下的部件需要采用焊接方式被粘接在一起。由于玻纤含量低,因此在焊缝处能够形成一个微弱的焊点,特别是在老化后。这种新的稳定机理不仅保护了聚合物本身,而且对潜在的脆弱点起到增强作用,焊缝也能够在高温下连续使用而保持完好,甚至在220℃的高温下连续使用1000h后,在焊缝处也无明显的裂纹产生,焊缝处仍保持较高的强度。
       

新型玻纤增强聚酰胺:满足高温和结构应用需求

新型玻纤增强聚酰胺:满足高温和结构应用需求

        图2 Ultramid Structure LF长玻纤增强聚酰胺的特殊性是,可在注塑成型过程中形成三维玻璃纤维网状结构(图中上右的白色),从而赋予部件(如用于车身上的碰撞吸能块)以独特的力学性能

        2. 非常好的性能基准
        基于该稳定技术,使得Ultramid Endure即使经受了3000h的220℃的疲劳试验以后,仍保持较高的强度,而PA66/6以及更强的热塑性塑料如PPA等,在相对较短的时间内其强度则表现出了明显的下降。
        在设计部件时,除了热老化性能外,材料在连续使用温度下所具有的性能也具有决定性的影响,刚性和强度尤其重要。如果刚性和强度足够,可减小壁厚而不影响部件的完整性。在此方面,Ultramid Endure也同样表现良好,其在200℃下的断裂应力远高于同类产品。
        除了零部件的性能外,系统成本也是开发商考虑的一个重要因素。一般,材料的加工性能决定了它们更广泛应用的可能性。该新材料比其他的高性能材料具有更宽泛的加工窗口,因而可以毫无问题地满足加工要求。
        3. 用于现代发动机概念的材料
        凭借极其优异的热老化性能和良好的加工性能,使得Ultramid Endure成为一种成本可接受的、能够满足发动机高温应用要求的高性能树脂材料。其可能的应用包括增压管上的所有组件,如中冷器端盖、共振器、进气管线和节流阀,以及在涡轮增压器的冷却器一侧上的某些组件。集成了水冷式中冷器的进气歧管有可能成为该材料今后的一个应用领域。
        Ultramid Structure LF长玻纤增强聚酰胺
        在K 2010展会中,巴斯夫还推出了新级别的长玻纤增强(LF)聚酰胺Ultramid Structure LF。作为巴斯夫产品组合中以金属替代为目的的新品种,该产品的性能得到了极大改进。
        通常,用长玻纤增强塑料制成的部件所具有的独特优势是,在传统的注射成型过程中,可形成三维的玻璃纤维网络,从而使终端产品能够在高、低温环境下均可表现出出色的物理性能。这种纤维网络形成部件的骨架,即使在烧成灰烬后仍保持不变。正是基于这种纤维网络结构,使得Ultramid Structure LF的热变形性、蠕变性和吸能性均可与金属想媲美,且不会损失塑料固有的优越性能。
        该LF树脂由拉挤工艺生产而出,首先形成含有无捻玻璃纤维的长股塑料,然后在第二工步中将这些长股塑料切成12mm长的粒料。客户们能够在传统的注塑机上加工这些粒料。在成型后的塑料部件中,由于纤维分布合理,因而直接可形成由3~6mm长的纤维构成的三维纤维网络而无需任何额外的工作。对于加工商们来说,他们能够在避免更多投资成本的基础上获得一种新的高性能材料:与传统的纤维长度只有0.3mm的增强聚酰胺相比,这种新材料能够为部件带来全新的性能优势。
        这些优越的部件特性来自于长玻纤提供的更高的力学性能:LF级别的聚酰胺Ultramid Structure在高温下表现出了极好的刚性和强度,而在低温下则表现出了出色的撞击强度。良好的蠕变性能、极小的翘曲变形量以及非常高的吸能性等,都赋予了该材料优越的抗碰撞性能,因而比传统的材料具有更大的性能优势。
        总之,新的LF级别的Ultramid Structure聚酰胺在汽车行业中具有多种潜在应用,发动机支架和嵌有金属的座椅结构就是该材料应用的典型例子。因此,作为吸能部件,它们能够在撞击中受到可控的破坏,以吸收尽可能多的能量,从而保护汽车的其余部分。
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