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    汽車用尼龍材料改性技術及其應用

    嘉峪檢測網        2023-07-12 18:57

    尼龍(PA)作為最常用的一種工程塑料,具有比通用塑料更高的力學性能和耐熱性能,同時具有優良的耐磨性、抗疲勞性、耐腐蝕性、電絕緣性和易加工性等特性,廣泛應用于汽車、機械等工程領域。
     
    在汽車各類零部件中,相對于聚丙烯(PP),PA更多應用于對性能要求更高的部件上,如發動機周邊部件、各種管路等,因此需要對PA進行改性,以提升PA的力學性能、耐熱性能,并使PA獲得更多的功能特性,從而使其更好地滿足汽車各類結構件、功能件的應用要求。
     
    PA的改性大多為物理改性,包括纖維增強改性、無機粒子填充改性、共混改性、發泡改性等,對于耐高溫PA,共聚改性也是常用的一種改性方法。
     
    一、汽車用通用PA的改性技術研究
     
    1.纖維增強改性
     
    纖維增強改性是最常用的一種改性技術,其主要目的是提升PA的力學性能,所用增強纖維主要為玻璃纖維(GF)和碳纖維(CF)。纖維增強PA的力學性能與纖維的類型、長度、含量及纖維和PA的界面結合狀態密切相關,同時也深受制備工藝的影響。與短纖維相比,連續纖維和纖維編織物對PA力學性能的提升幅度更大,但其制備工藝更為復雜,PA樹脂對連續纖維和纖維編織物的充分浸漬是成功制備這類纖維增強改性PA復合材料的關鍵因素。
     
    與短纖維相比,連續纖維增強的熱塑性復合材料具有更高的綜合力學性能,已成為汽車制造、軌道交通和航空航天等領域的研究熱點和開發重點。
     
    與單根纖維相比,纖維編織物可在二維或三維尺度上對熱塑性復合材料進行多方向上的增強,且相對熱固性復合材料,纖維編織物增強熱塑性復合材料具有較短的成型周期,因而其制造成本也相對較低,另外還可多次回收利用,故在汽車等領域得到越來越多的應用。
     
    除CF和GF外,玄武巖纖維(BF)也可用于增強PA,有研究人員以天然環保的BF作為增強材料,制備了PA6/BF復合材料,為了解決BF與樹脂基體之間界面結合較差的問題。
     
    2.無機粒子填充改性
     
    無機粒子來源廣泛,價格低廉,且能提升塑料的某些性能,大多用于塑料的填充改性。但大多數無機粒子與塑料中的樹脂基體相容性較差,一般需要對其進行表面改性,或添加增容劑,以改善界面相容性。將經過表面處理的無機粒子添加到PA中,或將增容劑加入到無機粒子填充PA體系,可使PA的力學性能得到明顯提升,從而能夠用于汽車制造等領域。另外,還可將無機粒子添加到纖維增強PA體系中,以發揮無機粒子與纖維的協同改性作用。
     
    將二氧化硅添加到PA6中,以改善PA6的力學性能,這種二氧化硅的改性方式有助于提升在汽車零部件領域應用的PA制品性能。
     
    利用滑石粉改性汽車用PA6材料,以降低材料成本并提升材料性能??擅黠@改善PA6復合材料的加工性能并能顯著提升拉伸性能,同時保持了純PA6的彎曲性能與熱性能。
     
    將石墨烯納米片加入到PA610中,可用于增強汽車用PA610材料的力學性能和熱性能。
     
    3.發泡改性
     
    輕量化是目前汽車發展的主要方向之一。利用發泡技術制備PA基微孔發泡材料,不僅可以獲得較好的輕量化效果,微泡孔的存在也能使PA材料獲得諸如隔音、隔熱等特性,提升了PA材料在汽車中的應用潛力。
     
    4.共混改性
     
    有研究人員制備了一種新能源汽車高壓連接器用無鹵阻燃增強PA66/PA6合金,采用的復配阻燃體系為二乙基次膦酸鋁和亞磷酸鋁,增強體系為GF。發現PA6對合金阻燃性能的影響很小,隨著合金中PA6含量增加,合金材料的強度和模量下降,缺口沖擊強度有所上升。經85℃/相對濕度85%老化1000h后,合金的吸水率隨PA6含量增加而上升,且高溫條件下電絕緣性能隨合金中PA6含量增加而逐漸下降。
     
    此外將丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)高膠粉與PA6共混,制備了汽車用PA6/ABS帶色合金材料。另外,通過添加鈦白粉降低了材料經熱氧老化后的顏色變化率。所制備的PA6/ABS灰色合金材料已成功應用于汽車兒童座椅配件上。
     
    5.耐熱改性
     
    有研究合成了4種馬來酸酐類共聚型耐熱劑,分別是含有剛性結構的聚(N-苯基馬來酰亞胺-alt-苯乙烯)(PNS)、含羧基的PNS(PCS)、含氟基的PNS(PFS)及含可交聯結構的聚[N-(4-羧基苯基)馬來酰亞胺-alt-三烯丙基異氰酸酯](PCT),研究了這4種耐熱劑對PA6耐熱性能的影響。結果表明,PCT改性PA6的耐熱性能最好,其次為PFS(10%)改性PA6(182.3℃),再次為PCS(10%)改性PA6(164.8℃),最后為PNS(15%)改性PA6(138.5℃)。
     
    二、汽車用耐高溫PA的改性技術研究
     
    與常規PA(PA66和PA6等)相比,耐高溫PA能夠承受更高的溫度,具有更好的耐熱性能,更適合用于制造對耐熱性能要求更高的汽車零部件。但耐高溫PA的熔點較高,成型加工性較差,一般需要與其它單體共聚,以獲得良好的加工性能。
     
    通過高溫高壓溶液縮聚的方法,在聚合釜內進行PA6T與PA66混合成鹽,而后通過直接縮聚制得PA6T/66共聚物。具有耐熱性優異和可加工性良好的特點,可用于汽車連接器。
     
    通過高溫溶液聚合法制備一種半生物基耐高溫共聚PA——聚對苯二甲酸-戊二胺/己二酸-戊二胺(PA5T/56),這種半生物基耐高溫共聚PA具有比PA6T/66更好的熱分解穩定性和成炭性,力學性能則與PA6T/66相當,可以應用于汽車的高耐熱、高強度部件領域。
     
    通過先溶液聚合后固相縮聚的方法將己二胺、共聚二胺和草酸二丁酯進行聚合反應,制得的一種高耐熱PA62共聚物材料。該類材料在汽車發動機周邊等對耐熱性能要求較高的領域具有廣泛的應用前景。
     
    鑒于聚己二酰間苯二甲胺(PAMXD6)優異的阻隔性能、力學性能、耐熱性及低吸水性能,采用GF增強改性PAMXD6,同時加入抗氧劑1098和潤滑劑TAF101,制備一種GF增強PAMXD6復合材料,其具有強度高、尺寸穩定性優良、表面性能優異(無浮纖)等特點。
     
    三、改性PA在汽車中的應用研究
     
    3.1管路類零部件
     
    管路類零部件在汽車中占據非常重要的地位,其類型繁多,包括輸油管、冷卻液管、制動管路等。汽車管路類零部件除要求相應的材料具有較好的力學性能外,還應具有優良的耐水解性、耐候性、耐高溫性等特性。
     
    PA是汽車管路類零部件常用的一種材料,但碳鏈較短的PA(如PA6和PA66)酰胺鍵密度較大,易吸水,容易影響材料的強度和耐水解性。
     
    控制PA的吸水率就成為提升車用PA管性能的一個重要因素。另外,PP的耐熱性相對較差,其會對PA的耐高溫性產生不利影響。特種工程塑料的耐熱性較好,且一些品種也具有較低的吸水率,如聚苯硫醚(PPS),將PPS與PA結合,可以獲得耐熱性和抗水解性優良的復合管,從而應用于汽車冷卻液管道中。
     
    相對短碳鏈PA(PA6,PA66),長碳鏈PA(PA12,PA612,PA11,PA1010,PA1012)的酰胺鍵密度較低,具有較低的吸水率,已成為管路類零部件最常用的PA材料。長碳鏈PA管的加工方法多為擠出成型,成型工藝對長碳鏈PA管的性能有著非常重要的影響。
     
    PA可制作成水管,應用于新能源汽車的水冷系統上,PA還可用于制作汽車空調軟管的阻隔材料。
     
    3.2其它汽車零部件
     
    除管路類零部件外,PA材料在汽車發動機周邊部件中的應用也越來越廣泛,包括增壓空氣冷卻器、進氣歧管、進氣口隔熱罩、渦輪管道諧振器、熱側渦輪風管等部件。
     
    GF增強PA具有優異的性能,可應用于多種汽車部件中,如通過無機礦物填充和GF增強的復合改性技術,再添加增韌劑、抗氧劑、潤滑劑等組分,經過精心的配方設計,由此制得的改性PA6可應用于汽車發動機罩蓋;GF增強PA6在新寶馬3系至7系汽車轉向柱模塊中已得到應用,可將質量減輕20%;GF增強PA66具有良好的力學性能和低的吸水性,可應用于制作汽車連接器。
     
    另外,各種功能化改性PA材料在汽車部件中的應用越來越廣泛,如利用高導熱PA材料制作的散熱器可應用于汽車后霧燈,其相比于傳統鋁制散熱器,不僅質量降低減輕了30%,還能滿足LED后霧燈的散熱及力學性能要求,生產成本也得到降低,實現汽車霧燈散熱器的“以塑代鋁”。
     
    通過搭配適當黏度的PA及不同種類的聚烯烴基接枝彈性體,可獲得耐低溫高流動性PA66材料,其可應用于制造汽車扎帶。PA還可應用于新能源汽車動力總成懸置系統,與金屬材料懸置系統相比,質量減輕約37%~50%,成本降低約10%~28%,且減震效果相對較優。
     
    結語
     
    對PA進行改性可以大幅提升其各項性能,拓寬PA在汽車領域的應用范圍,為此,研究者們開發了多種改性技術,包括纖維增強、無機粒子填充、發泡改性、共聚改性等。
     
    在這些改性技術中,都有一些關鍵因素對最終的改性效果產生非常重要的影響,如增強和填充改性中纖維和無機粒子與PA的界面設計、發泡改性中泡孔形態和尺寸的控制、共聚改性中單體種類、比例的選擇及合成工藝的設計等,這需要研究者進行深入的研究,以掌握各種關鍵因素的影響規律,從而進一步提升各類PA材料的改性技術,使改性PA更好地應用于汽車領域。
     
    參考資料:薛長鳴《汽車用尼龍材料改性技術及其應用研究進展》,工程塑料應用,2023.6.10
     
     
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    來源:Internet

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