汽车保险杠材料的选择与加工.docx
- 文档编号:27439631
- 上传时间:2023-07-01
- 格式:DOCX
- 页数:11
- 大小:218.64KB
汽车保险杠材料的选择与加工.docx
《汽车保险杠材料的选择与加工.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《汽车保险杠材料的选择与加工.docx(11页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
汽车保险杠材料的选择与加工
汽车保险杠材料的选择与加工
一、保险杆的材料及其性能要求
1.1保险杠:
是吸收缓和外界冲击力,防护车身前后部的安全装置,正常情况下保险杠暴露于空气之中。
所以保险杠的失效方式主要是腐蚀、擦伤、开裂、老化和失去光泽等等。
汽车保险杠作为汽车外部抗撞击件,要求材料耐腐蚀、隔热隔电、耐冲击、抗辐射抗震,并且具有高的强度高的韧性及良好的耐摩擦耐气候与耐溶剂性。
作为汽车加工、装配制品,又要具有较小的收缩率,较大的抗蠕变性,较好的尺寸稳定性、亲水性、抗静电性、涂饰着色和粘合等二次加工性能。
1.2现在的轿车前后保险杠除了要满足上述功能外,还要追求与车体造型和谐与统一,追求本身的轻量化。
为了达到这种目的,目前轿车的前后保险杠大体上可以使用聚碳酸脂和聚丙烯两种材料,采用注射成型法制成。
塑料保险杠具有强度、刚性和装饰性,从安全上看,汽车发生碰撞事故时能起到缓冲作用,保护前后车体,从外观上看,可以很自然地与车体结合在一块,浑然成一体,具有很好的装饰性,成为装饰轿车外型的重要部件。
二、替代材料的物化特性
2.1聚碳酸酯
聚碳酸酯(简称PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物,根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。
聚碳酸酯是一种强韧的热塑性树脂,其名称来源于其内部的CO3基团。
化学性质
聚碳酸酯(PC)是碳酸的聚酯类,碳酸本身并不稳定。
聚碳酸酯耐弱酸,耐弱碱,耐中性油。
聚碳酸酯不耐紫外光,不耐强碱。
PC是一种线型碳酸聚酯,分子中碳酸基团与另一些基团交替排列,这些基团可以是芳香族,可以是脂肪族,也可两者皆有。
PC是几乎无色的玻璃态的无定形聚合物,有很好的光学性。
PC高分子量树脂有很高的韧性,悬臂梁缺口冲击强度为600~900J/m,未填充牌号的热变形温度大约为130°C,玻璃纤维增强后可使这个数值增加10°C。
PC的弯曲模量可达2400MPa以上,树脂可加工制成大的刚性制品。
低于100°C时,在负载下的蠕变率很低。
PC主要性能缺陷是耐水解稳定性不够高,对缺口敏感,耐有机化学品性,耐刮痕性较差,长期暴露于紫外线中会发黄。
和其他树脂一样,PC容易受某些有机溶剂的浸浊。
物理性质
密度:
1.20-1.22g/cm^3线膨胀率:
3.8×10cm/°C热变形温度:
135°C低温-45°C。
聚碳酸酯无色透明,耐热,抗冲击,在普通使用温度内都有良好的机械性能。
聚碳酸酯的耐磨性差。
一些用于易磨损用途的聚碳酸酯器件需要对表面进行特殊处理。
特点及优点
特性:
为非结晶性热塑性塑料,优质的耐热性能、良好的透明度和极高的耐冲击强度等物理机械性能。
优点:
1、具高强度及弹性系数、高冲击强度、使用温度范围广;2、高度透明及自由染色性;3、H.D.T.高;4、耐疲劳性佳;5、耐候性佳;6、电气特性优;7、无味无臭对人体无害符合卫生安全;8、成形收缩率低、尺寸安定性良好。
加工
PC可注塑、挤出、模压、吹塑、热成型、印刷、粘接、涂覆和机加工,最重要的加工方法是注塑。
成型之前必须预干燥,水分含量应低于0.02%,微量水份在高温下加工会使制品产生白浊色泽,银丝和气泡,PC在室温下具有相当大的强迫高弹形变能力。
冲击韧性高,因此可进行冷压,冷拉,冷辊压等冷成型加工。
挤出用PC分子量应大于3万,要采用渐变压缩型螺杆,长径比1:
18~24,压缩比1:
2.5,可采用挤出吹塑,注-吹、注-拉-吹法成型高质量,高透明瓶子。
PC合金种类繁多,改进PC熔体粘度大(加工性)和制品易应力开裂等缺陷,PC与不同聚合物形成合金或共混物,提高材料性能。
2.2聚丙烯
聚丙烯,英文名称:
Polypropylene(PP)。
它是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。
聚丙烯包括丙烯与少量乙烯的共聚物在内。
通常为半透明无色固体,无臭无毒。
由于结构规整而高度结晶化,故熔点可高达167℃。
耐热、耐腐蚀,制品可用蒸汽消毒是其突出优点。
密度小,是最轻的通用塑料。
缺点是耐低温冲击性差,较易老化,但可分别通过改性予以克服。
共聚物型的PP材料有较低的热变形温度(100℃)、低透明度、低光泽度、低刚性,但是有更强的抗冲击强度,PP的冲击强度随着乙烯含量的增加而增大。
由于结晶度较高,这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。
PP不存在环境应力开裂问题。
物理性能
聚丙烯为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物,密度只有0.90--"0.91g/rm,是目前所有塑料中最轻是品种之一。
它对水特别稳定,在水中的吸水率仅为0.01%,分子量约8万一15万。
成型性好,但因收缩率大(为1%~2.5%).厚壁制品易凹陷,对一些尺寸精度较高零件,还难于达到要求,制品表面光泽好,易于着色。
力学性能
聚丙烯的结晶度高,结构规整,因而具有优良的力学性能。
温度和加载速率对聚丙烯的韧性影响很大。
当温度高于玻璃化温度时,冲击破坏呈韧性断裂,低于玻璃化温度呈脆性断裂,且冲击强度值大幅度下降。
提高加载速率,可使韧性断裂向脆性断裂转变的温度上升。
在室温和低温下,由于本身的分子结构规整度高,所以冲击强度较差。
聚丙烯最突出的性能就是抗弯曲疲劳性,俗称百折胶。
热性能
聚丙烯具有良好的耐热性,制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌,在不受外力的条件下,150℃也不变形。
脆化温度为-35℃,在低于-35℃会发生脆化,耐寒性不如聚乙烯,其熔点为176℃。
化学稳定性
聚丙烯的化学稳定性很好,除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外,对其它各种化学试剂都比较稳定;但低分子量的脂肪烃、芳香烃和氯化烃等能使聚丙烯软化和溶胀,同时它的化学稳定性随结晶度的增加还有所提高,所以聚丙烯适合制作各种化工管道和配件,防腐蚀效果良好。
电性能
聚丙烯的高频绝缘性能优良,由于它几乎不吸水,故绝缘性能不受湿度的影响。
它有较高的介电系数,且随温度的上升,可以用来制作受热的电气绝缘制品。
它的击穿电压也很高,适合用作电气配件等。
抗电压、耐电弧性好,但静电度高,与铜接触易老化。
耐候性
聚丙烯对紫外线很敏感,加入氧化锌、硫代二丙酸二月桂酯、碳黑或类似的乳白填料等可以改善其耐老化性能。
特点
无毒、无味,密度小,强度、刚度、硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100℃左右使用。
具有良好的电性能和高频绝缘性不受湿度影响,但低温时变脆、不耐磨、易老化。
适于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。
常见的酸、碱等有机溶剂对它几乎不起作用,可用于食具。
成型工艺
注塑机选用:
对注塑机的选用没有特殊要求。
由于PP具有高结晶性,需采用注射压力较高及可多段控制的电脑注塑机。
锁模力一般按3800t/m2来确定,注射量20%-85%即可。
干燥处理:
如果储存适当则不需要干燥处理。
熔化温度:
PP的熔点为160-175℃,分解温度为350℃,但在注射加工时温度设定不能超过275℃。
熔融段温度最好在240℃。
模具温度:
模具温度50-90℃,对于尺寸要求较高的用高模温,型芯温度比型腔温度低5℃以上。
注射压力:
采用较高注射压力(1500-1800bar)和保压压力(约为注射压力的80%)。
大概在全行程的95%时转保压,用较长的保压时间。
注射速度:
为减少内应力及变形,应选择高速注射,但有些等级的PP和模具不适用(出现气泡、气纹)。
如刻有花纹的表面出现由浇口扩散的明暗相间条纹,则要用低速注射和较高模温。
流道和浇口:
流道直径4-7mm,针形浇口长度1-1.5mm,直径可小至0.7mm。
边形浇口长度越短越好,约为0.7mm,深度为壁厚的一半,宽度为壁厚的两倍,并随模腔内的熔流长度逐肯增加。
模具必须有良好的排气性,排气孔深0.025mm-0.038mm,厚1.5mm,要避免收缩痕,就要用大而圆的注口及圆形流道,加强筋的厚度要小(例如是壁厚的50-60%)。
均聚PP制造的产品,厚度不能超过3mm,否则会有气泡(厚壁制品只能用共聚PP)。
熔胶背压:
可用5bar熔胶背压,色粉料的背压可适当调高。
制品的后处理:
为防止后结晶产生的收缩变形,制品一般需经热水浸泡处理。
三、保险杠材料的确定
材料的确定需要从零件的使用性能、工业性能、经济性、可靠性、环境影响等方面来考虑。
3.1使用性能的比较:
聚碳酸酯不耐紫外光,不耐强碱。
主要性能缺陷是耐水解稳定性不够高,对缺口敏感,耐有机化学品性,耐刮痕性较差,长期暴露于紫外线中会发黄。
和其他树脂一样,PC容易受某些有机溶剂的浸浊。
聚碳酸酯无色透明,耐热,抗冲击,在普通使用温度内都有良好的机械性能。
聚碳酸酯的耐磨性差,但可以通过对其表面进行特殊处理,改善其耐磨性。
而聚丙烯对紫外线也很敏感,但是当加入氧化锌、硫代二丙酸二月桂酯、碳黑或类似的乳白填料等可以改善其耐老化性能。
由于结晶度较高,这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。
PP不存在环境应力开裂问题。
它对水特别稳定,在水中的吸水率仅为0.01%,所以聚丙烯的高频绝缘性能优良,故绝缘性能不受湿度的影响。
但是当温度高于玻璃化温度时,冲击破坏呈韧性断裂,低于玻璃化温度呈脆性断裂,且冲击强度值大幅度下降。
提高加载速率,可使韧性断裂向脆性断裂转变的温度上升。
在室温和低温下,由于本身的分子结构规整度高,所以冲击强度较差。
聚丙烯的化学稳定性很好,除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外,对其它各种化学试剂都比较稳定;但低分子量的脂肪烃、芳香烃和氯化烃等能使聚丙烯软化和溶胀。
3.2工艺性能的比较:
工艺性能是指:
所选材料所具备的工艺和技术性能。
聚碳酸酯和聚丙烯的加工工艺见上文。
读者可自行比较。
3.3经济性的比较:
市面上的聚丙烯在15元/千克左右,而聚碳酸酯也在13元/千克左右,所以当原材料不经过特殊处理时,聚碳酸酯和聚丙烯价格不相上下。
3.4可靠性比较:
根据原材料的力学性能和化学组成我们知道,PP材料由于结晶度较高,所以材料的表面刚度和抗划痕特性很好而且不存在环境应力开裂问题。
聚丙烯的化学稳定性很好,除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外,对其它各种化学试剂都比较稳定。
所以在正常工作条件下,PP材料具有较好的环境适应能力。
而聚碳酸酯(PC)是碳酸的聚酯类,碳酸本身并不稳定。
聚碳酸酯耐弱酸,耐弱碱,耐中性油。
PC主要性能缺陷是耐水解稳定性不够高,对缺口敏感,耐有机化学品性,耐刮痕性较差,长期暴露于紫外线中会发黄。
和其他树脂一样,PC容易受某些有机溶剂的浸浊。
由于PC为非结晶性热塑性塑料,所以具有优质的耐热性能、良好的透明度和极高的耐冲击强度等物理机械性能。
但是,在保险杠正常工作条件下,这些优点并不能凸现出来。
3.5对环境影响方面的比较:
聚丙烯和聚碳酸酯均为热塑性材料,均可回收再利用。
综上得出聚丙烯(PP),是较为合适的金属保险杠替代材料。
四、提高材料性能的途径及加工
通过上述分析可知,尽管聚丙烯有众多优点,但是,聚丙烯同时存在一些不足之处。
最大的缺点是耐寒性差,低温易脆断;其次是收缩率大,抗蠕变性差,制品尺寸稳定性差,容易产生翘楚变形。
与传统工程塑料相比,聚丙烯还存在一些缺陷,如耐候性差,耐光、热及抗老化性差,亲水和抗静电性差,涂饰着色和粘合等二次加工性能差,与其他极性聚合物和无机填料的相容性差。
从而限制了它作为保险杠合适材料,所以,为了满足作为汽车保险杠材料的苛刻要求,就必须对聚丙烯改性。
聚丙烯改性的方法多种多样,总体上可划分为化学改性和物理改性两大类。
化学改性主要是通过改变聚丙烯分子链的结构,从而改变材料的性能。
物理改性是通过改变聚丙烯的高次结构,以达到改善材料性能的目的。
物理改性主要包括:
共混改性、填充改性、复合增强和表面改性等。
作为制作保险杠的PP材料,要求具有超高击强度、耐温度性好、耐候性好、高流动性、足够的刚性等性能。
均聚及共聚PP都冲达不到此要求,只有将PP采用物理改性后,其性能才能达到要求。
4.1原料PP的选择
丙烯单体聚合成PP的成产工业有溶液法语本体法两种。
溶液法可生产均聚PP,也可引入乙烯单体与丙烯单体共聚成共聚PP。
本体法只能产生均聚PP。
其中以共聚PP质量最好,本体法产生的均聚PP质量最差。
本体PP有分子量分布宽、大块不溶物多、含氯量高、酸臭味浓、贮存期短、后加工过程腐蚀设备等缺陷。
4.2增韧剂的选择
根据保险杠对原料PP的要求,国内外的一些研制单位或生产厂家对改性PP提出下列参数标准(表1、标2)。
为使改性PP能达到表1、表二所列的技术指标要求,原料PP一定要增韧。
用于PP的增韧剂有多种,如乙丙橡胶、天然橡胶、顺丁橡胶、聚异丁烯、SBS、EVA、丁基橡胶、聚乙烯等。
为保证PP与增韧剂混合的好,即两者的相与相之间有最佳表面粘合,可以选择EPR作为PP增韧剂,同时适当添加PE,使其与EPR起增韧协同作用。
增韧剂品种确定后,添加量是个必须解决的问题。
按共混理论,共混物的特性以连续相为主要特征,分散相呈次要特征。
因此,选用EPR与PE的添加量决不能超过PP,但又不能太少,否则起不到增韧的目的。
通过实现显示,EPR与PE的添加量在15%~40%之间为好。
4.3交联改性
从表1、表2可以看出,适宜制作汽车保险杠的PP材料必须具有超高冲击强度,常温下在400J/m以上,低温下在50J/m以上。
而均聚PP冲击强度常温下最高只能达到50J/m。
经过增韧改性后,其冲击强度在常温下也只能达到90J/m左右。
采用交联改性,PP/增韧剂共混物产生了类似硫化橡胶的网状结构,冲击强度得到大幅提高,
可以达到保险杠所要求的超高冲击强度。
PP/增韧剂和交联改性,目前已工业化了的方法是有机过氧化物的化学交联方法。
4.3.1有机过氧化物的化学交联改性
适用于PP交联改性的有机过氧化物,有过氧化二异丙苯、过氧化二叔丁基、2,5二甲基—2.5—双叔丁过氧基己烷等。
因为这些有机过氧化物半衰期的分解温度与PP的熔融温度相接近。
这样,在PP的交联过程中,这些有机过氧化物才能完全分解,不至于发生延缓PP交联的时间,从而影响到PP/增韧剂共混物最终产品和性能。
有机过氧化物在对PP交联的同时,也会产生使PP降解的副反应,从而减弱了交联效果,降低了PP/增韧剂共混物最终产品的冲击强度。
为了抑制副反应,增进交联效果,需要添加二乙烯基苯、乙烯基三乙氧基硅烷等作交联助剂,组成交联体系。
在交联体系作用下,PP/增韧剂共混物的交联改性才会有较好的效果。
表3为我们采用有机过氧化物交联体系对PP/增韧剂共混交联改性的实验数据。
从表3不难看出,尽管有机过氧化物的交联改性PP是目前较为成熟且已实现工业化方法,但在实际操作中,仍存在其工艺较难掌握,容易发生交联过度或交联不足现象。
交联过度时,PP/增韧剂共混物的冲击性能虽然能达到或接近指标要求,但其熔体流动速率低,流动性差,这对注成型保险杠制品的工艺是很不利的;交联不足时,其熔体流动速率虽然高了,流动性好,但是冲击性能却远远达不到指标要求。
此外,有机过氧化物交联体系还存在有机过氧化易燃,甚至易爆、有毒,交联助剂易自聚、贮存周期短,在注塑成型过程中产生恶臭味气体等缺陷。
同时,为了增加PP/增韧剂共混物最终制品的耐寒性,需要添加抗氧剂,但抗氧剂与有机过氧化物的性质是互相接触的。
因此,这两种物质的适量添加也很难解决。
4.3.2非过氧化物的化学交联改性
针对有机过氧化物交联体系的种种缺陷,人们探索了使用非过氧化物交联体系对PP/增韧剂共混物交联改性的可能性。
表4所列为采用非过氧化物交联体系对PP/增韧剂共混物交联改性的实验数据。
很显然,采用非过氧化物交联体系对PP的交联改性,不仅可行,而且操作工艺容易掌握,所制的超高冲击强度PP材料性能良好。
此外,非过氧化物还有不易燃烧、不爆炸、低毒、气味小、来源丰富、价格便宜、交联过程中无副反应等优点。
4.3.3添加第四组分
以非过氧化物交联体系对PP/增强剂共混物进行交联改性,制取超高冲击强度PP材料的过程中,得到的共混物产品的热变形温度偏低,这是其刚性较差的缘故。
增加刚性的方法有填充滑石、碳酸钙、云母混合填充剂等无机填料,也可添加刚性高聚物。
为了不影响或少影响PP材料的其他性能,可以以刚性物质作为第四组分添加,结果热变形温度得到提高。
超高冲击强度PP材料的研制获得成功。
表5为研制的技术参数。
结论:
超强冲击强度PP材料,有关厂家汽车保险杠的注塑实验,他们一致认为,这种材料在注塑时,技术工艺容易掌握,生产工艺稳定,成型性能良好;保险杠脱模经过24小时的自然冷却,外形尺寸稳定。
同时,制品的主要技术质量合乎标准。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 汽车 保险杠 材料 选择 加工