Нейлон (PA), как один из наиболее часто используемых инженерных пластиков, обладает механическими свойствами и термостойкостью, превосходящими свойства пластиков общего назначения. Он также обладает превосходной износостойкостью, усталостной стойкостью, коррозионной стойкостью, электроизоляцией и простотой обработки, что делает его широко используемым в автомобильной и машиностроительной отраслях.
В различных автомобильных компонентах, по сравнению с полипропиленом (ПП), ПА чаще используется в деталях, требующих более высоких характеристик, таких как периферийные устройства двигателя и различные типы трубопроводов. Поэтому необходима модификация ПА для улучшения его механических свойств и термостойкости, а также придания ему дополнительных функциональных характеристик. Это гарантирует, что он лучше соответствует требованиям применения различных структурных и функциональных компонентов автомобилей.
Модификация ПА (полиамида) в основном включает методы физической модификации, включая модификацию армирования волокна, модификацию наполнения неорганическими частицами, модификацию смешивания и модификацию вспенивания. Для термостойкого ПА модификация сополимером также является широко используемым методом модификации.
I. Исследование технологии модификации ПА общего назначения автомобильного назначения.
1. Модификация, армированная волокном
Модификация армирования волокнами — один из наиболее распространенных методов модификации, направленный, в первую очередь, на улучшение механических свойств полиамида (ПА). Обычно используемые армирующие волокна представляют собой стекловолокно (GF) и углеродное волокно (CF). Механические свойства армированного волокном ПА тесно связаны с типом, длиной и составом волокон, а также состоянием межфазного соединения между волокнами и ПА. На эти свойства также сильно влияет процесс изготовления. По сравнению с короткими волокнами, непрерывные волокна и тканые ткани обеспечивают большее улучшение механических свойств ПА, но процессы их изготовления более сложны. Успешное приготовление таких армированных волокном модифицированных композитов ПА в решающей степени зависит от тщательной пропитки смолой ПА непрерывных волокон и тканых материалов.
По сравнению с короткими волокнами, термопластичные композиты, армированные непрерывным волокном, обладают более высокими комплексными механическими свойствами и стали предметом исследований и приоритетом разработок в таких областях, как автомобилестроение, железнодорожный транспорт и аэрокосмическая промышленность.
В отличие от одиночных волокон, переплетения волокон могут улучшить термопластичные композиты во многих направлениях в двухмерном или трехмерном масштабе. Кроме того, по сравнению с термореактивными композитами, термопластичные композиты, армированные волокнистым переплетением, имеют более короткий цикл формования, что приводит к относительно более низким производственным затратам. Кроме того, их можно многократно перерабатывать, поэтому они все чаще используются в автомобильной промышленности и других отраслях.
Помимо УФ (углеродного волокна) и ГФ (стекловолокна), для армирования ПА (полиамида) также можно использовать базальтовое волокно (БФ). Исследователи использовали экологически чистый BF в качестве армирующего материала для приготовления композитных материалов PA6/BF, стремясь решить проблему плохого межфазного сцепления между BF и матрицей смолы.
2. Модификация наполнителя неорганическими частицами.
Неорганические частицы широко доступны, экономически эффективны и могут улучшить определенные свойства пластмасс, которые в основном используются для модификации пластиковых наполнителей. Однако большинство неорганических частиц не очень совместимы со смоляной матрицей в пластмассах и обычно требуют модификации поверхности или добавления добавок, улучшающих совместимость, для улучшения межфазной совместимости. Путем добавления неорганических частиц с обработанной поверхностью к ПА (полиамиду) или введения добавок, улучшающих совместимость, в системы ПА, наполненные неорганическими частицами, можно значительно улучшить механические свойства ПА, что делает его пригодным для применения в автомобильной промышленности и других областях. Кроме того, неорганические частицы могут быть добавлены в системы PA, армированные волокном, для использования синергетического эффекта модификации неорганических частиц и волокон.
Включение диоксида кремния в PA6 (полиамид 6) для улучшения его механических свойств — это метод модификации, который помогает улучшить характеристики продуктов PA, используемых в автомобильных компонентах.
Использование талька для модификации материалов PA6 для автомобильной промышленности направлено на снижение затрат на материалы и улучшение их характеристик. Эта модификация может значительно улучшить технологичность композиционных материалов PA6 и заметно улучшить свойства на растяжение, сохраняя при этом характеристики изгиба и термические свойства чистого PA6.
Включение нанопластинок графена в PA610 можно использовать для улучшения механических и термических свойств автомобильных материалов PA610.
3. Модификация пенообразования
Облегчение – одно из основных направлений современного развития автомобилестроения. Используя технологию вспенивания для получения микропористых вспененных материалов на основе ПА, можно добиться значительного эффекта облегчения. Наличие микроячеистых пор также наделяет материал PA такими характеристиками, как звукоизоляция и теплоизоляция, что расширяет возможности применения материалов PA в автомобильной промышленности.
4. Модификация смеси
Исследователи разработали новый безгалогенный армированный огнестойкий сплав PA66/PA6 для высоковольтных разъемов в электромобилях, используя огнестойкую систему, состоящую из диэтилфосфината алюминия и гипофосфита алюминия, со стекловолокном (GF) в качестве армирующей системы. Установлено, что ПА6 оказывает минимальное влияние на огнестойкость сплава. По мере увеличения содержания ПА6 в сплаве прочность и модуль материала снижались, а ударная вязкость с надрезом улучшалась. После старения при 85°C и относительной влажности 85% в течение 1000 часов скорость водопоглощения сплава увеличивалась с увеличением содержания PA6, а электроизоляционные характеристики в условиях высоких температур постепенно снижались по мере увеличения содержания PA6 в сплаве.
Кроме того, путем смешивания порошка акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС) с высоким содержанием каучука с ПА6 был получен окрашенный материал из сплава ПА6/АБС для использования в автомобилях. Кроме того, скорость изменения цвета после термоокислительного старения была снижена за счет добавления диоксида титана. Подготовленный материал из серого сплава PA6/ABS успешно применяется в аксессуарах для детских автокресел.
5. Модификация термостойкости
В результате исследований синтезированы четыре типа термостойких агентов на основе сополимеров малеинового ангидрида: поли(N-фенилмалеимид-альт-стирол) (ПНС) с жесткой структурой, карбоксилированные ПНС (ПКС), фторированные ПНС (ПФС) и кросс-фторированные ПНС. связываемая структура поли[N-(4-карбоксифенил)малеимида-альт-триаллилизоцианурата] (ПСТ). В ходе исследования изучалось влияние этих четырех термостойких веществ на термическую стойкость ПА6 (полиамида 6). Результаты показали, что PA6, модифицированный PCT, продемонстрировал наилучшую термическую стойкость, за ним следует модифицированный PFS (10%) PA6 (182,3°C), затем модифицированный PCS (10%) PA6 (164,8°C) и, наконец, модифицированный PNS (15%) PA6 ( 138,5°С).
II. Исследование технологии модификации жаропрочных ПА для автомобильной промышленности
По сравнению с обычными PA (такими как PA66 и PA6), устойчивые к высоким температурам PA могут выдерживать более высокие температуры и обладают лучшей термостойкостью, что делает их более подходящими для производства автомобильных деталей, требующих более высоких тепловых характеристик. Однако высокотемпературные ПА имеют более высокую температуру плавления и плохую формуемость, и, как правило, их необходимо сополимеризовать с другими мономерами для достижения хороших технологических свойств.
PA6T и PA66 смешивают с образованием соли в котле для полимеризации с использованием метода поликонденсации в растворе при высокой температуре и высоком давлении, а затем сополимер PA6T/66 получают путем прямой поликонденсации. Этот сополимер характеризуется превосходной термостойкостью и хорошей технологичностью, что делает его пригодным для использования в автомобильных разъемах.
Устойчивый к высоким температурам сополимер ПА на полубиологической основе, поли(терефталевая кислота-пентаметилендиамин/коадипиновая кислота-пентаметилендиамин) (PA5T/56), был получен методом высокотемпературной полимеризации в растворе. Этот устойчивый к высоким температурам сополимер ПА на полубиологической основе демонстрирует лучшую стабильность к термическому разложению и образованию обугливания, чем ПА6Т/66, а его механические свойства сравнимы с ПА6Т/66. Его можно применять в области автомобильных компонентов, требующих высокой термостойкости и высокой прочности.
Устойчивый к высоким температурам сополимерный материал PA62 был получен полимеризацией гексаметилендиамина, сополимера диамина и дибутилоксалата методом, включающим полимеризацию в растворе с последующей твердофазной поликонденсацией. Этот тип материала имеет широкий спектр применения в таких областях, как автомобильные двигатели, где требуется высокая термостойкость.
Учитывая выдающиеся барьерные свойства, механические свойства, термостойкость и низкое водопоглощение поли(м-ксилилендипамида) (PAMXD6), был приготовлен модифицированный композитный материал PAMXD6, армированный стекловолокном (GF), путем включения антиоксиданта 1098 и смазки TAF101. . Этот композитный материал PAMXD6, армированный GF, отличается высокой прочностью, превосходной стабильностью размеров и превосходными поверхностными свойствами (без поверхностных волокон).
III. Исследования по применению модифицированных ПА в автомобилях
3.1 Компоненты трубопровода
Компоненты трубопроводов играют очень важную роль в автомобилях: они бывают самых разных типов, включая трубки подачи масла, трубки охлаждающей жидкости, тормозные магистрали и многое другое. Помимо требования к соответствующим материалам иметь хорошие механические свойства, компоненты автомобильных трубопроводов также должны обладать превосходной стойкостью к гидролизу, атмосферостойкостью и устойчивостью к высоким температурам.
PA, или полиамид, является широко используемым материалом для компонентов автомобильных трубок. Однако ПА с более короткими углеродными цепями, такие как ПА6 и ПА66, имеют более высокую плотность амидных связей и склонны к поглощению влаги, что может отрицательно сказаться на прочности и устойчивости материала к гидролизу.
Контроль скорости водопоглощения полиамида стал решающим фактором в повышении производительности автомобильных трубок из полиамида. Кроме того, ПП или полипропилен имеет относительно низкую термостойкость, что может отрицательно повлиять на устойчивость ПА к высоким температурам. С другой стороны, специальные инженерные пластики обладают лучшей термостойкостью, а некоторые их разновидности, например полифениленсульфид (ПФС), имеют более низкую скорость водопоглощения. Комбинируя PPS с PA, можно получить композитную трубку с превосходной термостойкостью и устойчивостью к гидролизу, что делает ее подходящей для использования в трубопроводах автомобильной охлаждающей жидкости.
По сравнению с короткоцепочечными ПА (ПА6, ПА66), длинноцепочечные ПА (ПА12, ПА612, ПА11, ПА1010, ПА1012) имеют более низкую плотность амидных связей и более низкую скорость поглощения воды, что делает их наиболее часто используемыми ПА-материалами для компоненты трубок. Методом обработки трубок из длинноцепочечного ПА обычно является экструзионное формование, и процесс формования оказывает очень важное влияние на характеристики трубок из длинноцепочечного ПА.
ПА можно перерабатывать в водопроводные трубы и использовать в системах водяного охлаждения транспортных средств на новых источниках энергии. ПА также можно использовать для производства барьерных материалов для шлангов автомобильных кондиционеров.
3.2 Другие автомобильные компоненты
Помимо применения в компонентах трубопроводов, материалы PA (полиамид) все чаще используются в периферийных компонентах автомобильных двигателей. Сюда входят такие детали, как воздухоохладитель с турбонаддувом, впускной коллектор, теплозащитный экран впускного канала, резонатор трубы турбонаддува и турбоканал горячей стороны.
ПА, армированный GF, демонстрирует превосходные характеристики и может использоваться в различных автомобильных компонентах. Например, путем включения неорганических минеральных наполнителей и армирования GF с помощью методов модификации композитов, а также добавления таких компонентов, как упрочнители, антиоксиданты и смазочные материалы, можно получить тщательно разработанный модифицированный PA6 для использования в крышках автомобильных двигателей. Усиленный GF PA6 уже применяется в модулях рулевой колонки новых автомобилей BMW серий 3 и 7, что позволило снизить вес на 20%. PA66, армированный GF, благодаря своим хорошим механическим свойствам и низкому водопоглощению может использоваться для производства автомобильных разъемов.
Кроме того, применение различных функционализированных модифицированных ПА-материалов в автомобильных деталях становится все более распространенным. Например, радиаторы из материалов PA с высокой теплопроводностью можно использовать в задних противотуманных фарах автомобилей. По сравнению с традиционными алюминиевыми радиаторами 30% не только снижает вес, но также соответствует требованиям к охлаждению и механическим характеристикам светодиодных задних противотуманных фонарей, а производственные затраты снижаются. Таким образом достигается принцип «пластик вместо алюминия» для автомобильных радиаторов противотуманных фар.
Комбинируя полиамид (ПА) соответствующей вязкости и различные типы привитых эластомеров на основе полиолефинов, можно получить материалы ПА66 с высокой текучестью и устойчивостью к низким температурам. Эти материалы можно использовать для изготовления автомобильных кабельных стяжек. PA также может применяться в системах крепления силовых агрегатов транспортных средств на новых источниках энергии. По сравнению с системами крепления из металлического материала наблюдается снижение веса примерно на 37% до 50% и снижение стоимости примерно на 10% до 28% при относительно превосходном эффекте демпфирования.