El nailon (PA), como uno de los plásticos de ingeniería más utilizados, posee propiedades mecánicas y resistencia al calor superiores a las de los plásticos de uso general. También tiene una excelente resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga, resistencia a la corrosión, aislamiento eléctrico y facilidad de procesamiento, lo que lo hace ampliamente utilizado en los sectores de ingeniería mecánica y automotriz.
En diversos componentes automotrices, en comparación con el polipropileno (PP), el PA se usa con más frecuencia en piezas que requieren un mayor rendimiento, como periféricos del motor y varios tipos de tuberías. Por lo tanto, es necesario modificar la PA para mejorar sus propiedades mecánicas y resistencia al calor, y dotarla de características funcionales adicionales. Esto garantiza que cumpla mejor con los requisitos de aplicación de diversos componentes estructurales y funcionales de los automóviles.
La modificación de PA (poliamida) implica principalmente métodos de modificación física, incluida la modificación del refuerzo de fibras, la modificación del relleno de partículas inorgánicas, la modificación de la mezcla y la modificación de la formación de espuma. Para la PA resistente a altas temperaturas, la modificación del copolímero también es una técnica de modificación comúnmente utilizada.
I. Investigación sobre tecnología de modificación de PA de uso general para uso automotriz
1. Modificación reforzada con fibra
La modificación del refuerzo de fibra es una de las técnicas de modificación más utilizadas, cuyo objetivo principal es mejorar las propiedades mecánicas de la poliamida (PA). Las fibras de refuerzo utilizadas habitualmente son fibras de vidrio (GF) y fibras de carbono (CF). Las propiedades mecánicas de la PA reforzada con fibras están estrechamente relacionadas con el tipo, la longitud y el contenido de las fibras, así como con el estado de unión interfacial entre las fibras y la PA. Estas propiedades también se ven profundamente afectadas por el proceso de fabricación. En comparación con las fibras cortas, las fibras continuas y los tejidos ofrecen una mayor mejora en las propiedades mecánicas del PA, pero sus procesos de fabricación son más complejos. La preparación exitosa de tales compuestos de PA modificados reforzados con fibras depende críticamente de la impregnación completa de la resina de PA en las fibras continuas y los tejidos.
En comparación con las fibras cortas, los compuestos termoplásticos reforzados con fibras continuas poseen propiedades mecánicas integrales más altas y se han convertido en un foco de investigación y una prioridad de desarrollo en campos como la fabricación de automóviles, el transporte ferroviario y el sector aeroespacial.
A diferencia de las fibras individuales, los tejidos de fibras pueden mejorar los compuestos termoplásticos en múltiples direcciones en una escala bidimensional o tridimensional. Además, en comparación con los compuestos termoestables, los compuestos termoplásticos reforzados con tejido de fibra tienen un ciclo de moldeo más corto, lo que resulta en costos de fabricación relativamente más bajos. Además, se pueden reciclar varias veces, por lo que se utilizan cada vez más en la industria del automóvil y otros sectores.
Además de CF (fibra de carbono) y GF (fibra de vidrio), también se puede utilizar fibra de basalto (BF) para reforzar PA (poliamida). Los investigadores han utilizado BF ecológico como material de refuerzo para preparar materiales compuestos PA6/BF, con el objetivo de abordar el problema de la mala unión interfacial entre BF y la matriz de resina.
2. Modificación del relleno de partículas inorgánicas
Las partículas inorgánicas se obtienen ampliamente, son rentables y pueden mejorar ciertas propiedades de los plásticos, que se utilizan principalmente para la modificación de rellenos de plástico. Sin embargo, la mayoría de las partículas inorgánicas no son muy compatibles con la matriz de resina de los plásticos y generalmente requieren modificación de la superficie o la adición de compatibilizadores para mejorar la compatibilidad interfacial. Al agregar partículas inorgánicas tratadas en la superficie a la PA (poliamida) o al introducir compatibilizadores en sistemas de PA llenos de partículas inorgánicas, las propiedades mecánicas de la PA se pueden mejorar significativamente, lo que la hace adecuada para aplicaciones en el sector de fabricación de automóviles y otros campos. Además, se pueden agregar partículas inorgánicas a los sistemas de PA reforzados con fibras para utilizar los efectos de modificación sinérgica de las partículas y fibras inorgánicas.
La incorporación de sílice a la PA6 (poliamida 6) para mejorar sus propiedades mecánicas es un método de modificación que ayuda a mejorar el rendimiento de los productos de PA utilizados en componentes automotrices.
La utilización de talco en polvo para modificar materiales PA6 para uso automotriz tiene como objetivo reducir los costos de materiales y mejorar el rendimiento del material. Esta modificación puede mejorar significativamente la procesabilidad de los materiales compuestos de PA6 y mejorar notablemente las propiedades de tracción manteniendo el rendimiento de flexión y las propiedades térmicas de la PA6 pura.
La incorporación de nanoplaquetas de grafeno en PA610 se puede utilizar para fortalecer las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales PA610 para automóviles.
3. Modificación de espuma
El aligeramiento es una de las direcciones principales en el desarrollo automotriz actual. Al utilizar tecnología de espuma para producir materiales espumados microcelulares a base de PA, es posible lograr un efecto de aligeramiento significativo. La presencia de poros microcelulares también dota al material de PA de características como aislamiento acústico y aislamiento térmico, mejorando el potencial de aplicación de los materiales de PA en la industria automotriz.
4. Modificación de la mezcla
Investigadores han desarrollado una nueva aleación PA66/PA6 reforzada retardante de llama y libre de halógenos para conectores de alta tensión en vehículos eléctricos, utilizando un sistema retardante de llama compuesto por dietilfosfinato de aluminio e hipofosfito de aluminio, con fibras de vidrio (GF) como sistema de refuerzo. Se encontró que PA6 tenía un efecto mínimo sobre el retardo de llama de la aleación. A medida que aumentó el contenido de PA6 en la aleación, la resistencia y el módulo del material disminuyeron mientras que la resistencia al impacto entallada mejoró. Después de envejecer a 85°C y 85% de humedad relativa durante 1000 horas, la tasa de absorción de agua de la aleación aumentó con el contenido de PA6, y el rendimiento del aislamiento eléctrico en condiciones de alta temperatura disminuyó gradualmente a medida que aumentó el contenido de PA6 en la aleación.
Además, mezclando polvo con alto contenido de caucho de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) con PA6, se preparó un material de aleación coloreado de PA6/ABS para uso automotriz. Además, la tasa de cambio de color después del envejecimiento termooxidativo se redujo añadiendo dióxido de titanio. El material de aleación gris PA6/ABS preparado se ha aplicado con éxito a accesorios para asientos de coche para niños.
5. Modificación de la resistencia al calor
La investigación ha sintetizado cuatro tipos de agentes resistentes al calor de copolímero de anhídrido maleico, que son poli (N-fenilmaleimida-alt-estireno) (PNS) con una estructura rígida, PNS carboxilado (PCS), PNS fluorado (PFS) y un agente cruzado. estructura enlazable de poli[isocianurato de N-(4-carboxifenil)maleimida-alt-trialilo] (PCT). El estudio examinó el impacto de estos cuatro agentes resistentes al calor sobre la resistencia térmica de PA6 (poliamida 6). Los resultados indicaron que la PA6 modificada con PCT exhibió la mejor resistencia térmica, seguida por la PA6 modificada con PFS (10%) (182,3 °C), luego la PA6 modificada con PCS (10%) (164,8 °C) y finalmente la PA6 modificada con PNS (15%) ( 138,5°C).
II. Investigación sobre tecnología de modificación de PA resistente a altas temperaturas para uso automotriz
En comparación con los PA convencionales (como PA66 y PA6), los PA resistentes a altas temperaturas pueden soportar temperaturas más altas y poseen una mejor resistencia al calor, lo que los hace más adecuados para la fabricación de piezas de automóviles que requieren un mayor rendimiento térmico. Sin embargo, los PA de alta temperatura tienen un punto de fusión más alto y una peor moldeabilidad y, en general, necesitan copolimerizarse con otros monómeros para lograr buenas propiedades de procesamiento.
El PA6T y el PA66 se mezclan para formar una sal en una caldera de polimerización utilizando un método de policondensación en solución a alta temperatura y alta presión, y luego el copolímero PA6T/66 se produce mediante policondensación directa. Este copolímero se caracteriza por una excelente resistencia al calor y una buena procesabilidad, lo que lo hace adecuado para su uso en conectores para automóviles.
Se preparó un copolímero PA resistente a altas temperaturas de base semi-biológica, poli (ácido tereftálico-pentametilendiamina/ácido coadipico-pentametilendiamina) (PA5T/56), mediante polimerización en solución a alta temperatura. Este copolímero PA resistente a altas temperaturas de base semibiológica exhibe una mejor estabilidad de descomposición térmica y formación de carbón que el PA6T/66, mientras que sus propiedades mecánicas son comparables a las del PA6T/66. Se puede aplicar en el campo de componentes de automoción que requieren alta resistencia al calor y alta resistencia.
Se produjo un material de copolímero PA62 resistente a altas temperaturas polimerizando hexametilendiamina, un copolímero de diamina y oxalato de dibutilo mediante un método que implica polimerización en solución seguida de policondensación en estado sólido. Este tipo de material tiene una amplia gama de aplicaciones en áreas como alrededor de motores de automóviles donde se requiere una alta resistencia al calor.
En vista de las excelentes propiedades de barrera, propiedades mecánicas, resistencia al calor y baja absorción de agua de la poli (m-xilileno adipamida) (PAMXD6), se preparó un material compuesto PAMXD6 modificado reforzado con fibra de vidrio (GF) incorporando el antioxidante 1098 y el lubricante TAF101. . Este material compuesto PAMXD6 reforzado con GF presenta alta resistencia, excelente estabilidad dimensional y propiedades superficiales superiores (libre de fibras superficiales).
III. Investigación sobre la aplicación de PA modificada en automóviles
3.1 Componentes de tuberías
Los componentes de tuberías desempeñan un papel muy importante en los automóviles, con una amplia variedad de tipos que incluyen tuberías de suministro de aceite, tuberías de refrigerante, líneas de frenos y más. Además de requerir que los materiales correspondientes tengan buenas propiedades mecánicas, los componentes de tuberías de automóviles también deben poseer excelentes características de resistencia a la hidrólisis, resistencia a la intemperie y resistencia a altas temperaturas.
PA, o poliamida, es un material comúnmente utilizado para componentes de tubos para automóviles. Sin embargo, las PA con cadenas de carbono más cortas, como PA6 y PA66, tienen una mayor densidad de enlaces amida y son propensas a la absorción de humedad, lo que puede afectar negativamente la resistencia del material y la hidrólisis.
Controlar la tasa de absorción de agua de la PA se ha convertido en un factor crucial para mejorar el rendimiento de los tubos de PA para automóviles. Además, el PP, o polipropileno, tiene una resistencia al calor relativamente pobre, lo que puede afectar negativamente la resistencia a altas temperaturas del PA. Los plásticos de ingeniería especiales, por otro lado, exhiben una mejor resistencia al calor y algunas variedades también tienen una tasa de absorción de agua más baja, como el sulfuro de polifenileno (PPS). Al combinar PPS con PA, se puede obtener un tubo compuesto con excelente resistencia al calor y a la hidrólisis, lo que lo hace adecuado para su uso en tuberías de refrigerante para automóviles.
En comparación con los PA de cadena corta (PA6, PA66), los PA de cadena larga (PA12, PA612, PA11, PA1010, PA1012) tienen una densidad de enlace amida más baja y exhiben una menor tasa de absorción de agua, lo que los convierte en los materiales de PA más utilizados para componentes de la tubería. El método de procesamiento de los tubos de PA de cadena larga suele ser el moldeo por extrusión, y el proceso de moldeo tiene un impacto muy importante en el rendimiento de los tubos de PA de cadena larga.
La PA se puede fabricar en tuberías de agua y utilizar en los sistemas de refrigeración por agua de vehículos de nueva energía. La PA también se puede utilizar para producir materiales de barrera para mangueras de aire acondicionado de automóviles.
3.2 Otros componentes automotrices
Más allá de las aplicaciones en componentes de tuberías, los materiales PA (poliamida) se utilizan cada vez más en componentes periféricos de motores de automóviles. Esto incluye piezas como el enfriador de aire turboalimentado, el colector de admisión, el protector térmico del puerto de admisión, el resonador del tubo del turbo y el conducto del turbo del lado caliente.
La PA reforzada con GF exhibe un rendimiento excelente y puede usarse en una variedad de componentes automotrices. Por ejemplo, incorporando cargas minerales inorgánicas y refuerzo de GF mediante técnicas de modificación de compuestos, y añadiendo componentes como agentes endurecedores, antioxidantes y lubricantes, se puede producir una PA6 modificada meticulosamente formulada para su uso en cubiertas de motores de automóviles. El PA6 reforzado con GF ya se ha aplicado en los módulos de la columna de dirección de los nuevos coches BMW Serie 3 a Serie 7, logrando una reducción de peso de 20%. El PA66 reforzado con GF, con sus buenas propiedades mecánicas y baja absorción de agua, se puede utilizar para fabricar conectores para automóviles.
Además, la aplicación de diversos materiales de PA modificados funcionalizados en piezas de automóviles se está generalizando cada vez más. Por ejemplo, se pueden utilizar radiadores fabricados con materiales PA de alta conductividad térmica en las luces antiniebla traseras de los automóviles. En comparación con los radiadores de aluminio tradicionales, el 30% no solo reduce el peso, sino que también cumple con los requisitos de refrigeración y rendimiento mecánico de las luces antiniebla traseras LED, y se reducen los costos de producción. De esta forma se consigue el "plástico en lugar de aluminio" para los radiadores de faros antiniebla de automóviles.
Combinando poliamida (PA) con una viscosidad adecuada y diferentes tipos de elastómeros de injerto a base de poliolefina, es posible obtener materiales PA66 con alta fluidez y resistencia a bajas temperaturas. Estos materiales se pueden utilizar para la fabricación de bridas para cables para automóviles. La PA también se puede aplicar en los sistemas de montaje del tren motriz de vehículos de nueva energía. En comparación con los sistemas de montaje de material metálico, hay una reducción de peso de aproximadamente 37% a 50% y una reducción de costos de aproximadamente 10% a 28%, con efectos de amortiguación relativamente superiores.