ไนลอน (PA) เป็นหนึ่งในพลาสติกวิศวกรรมที่ใช้กันมากที่สุด มีคุณสมบัติทางกลและทนความร้อนได้ดีกว่าพลาสติกเอนกประสงค์ นอกจากนี้ยังมีความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทานความล้า ความต้านทานการกัดกร่อน ฉนวนไฟฟ้า และความง่ายในการประมวลผลได้ดีเยี่ยม ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในภาคยานยนต์และวิศวกรรมเครื่องกล

ในส่วนประกอบต่างๆ ของยานยนต์ เมื่อเปรียบเทียบกับโพลีโพรพีลีน (PP) PA มักใช้ในชิ้นส่วนที่ต้องการสมรรถนะที่สูงกว่า เช่น อุปกรณ์ต่อพ่วงของเครื่องยนต์ และท่อประเภทต่างๆ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับเปลี่ยน PA เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกลและความต้านทานความร้อน และเพื่อให้มีคุณสมบัติการทำงานเพิ่มเติม สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าจะตรงตามข้อกำหนดการใช้งานของส่วนประกอบโครงสร้างและฟังก์ชันต่างๆ ในรถยนต์ได้ดียิ่งขึ้น

การดัดแปลง PA (โพลิเอไมด์) ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับวิธีการดัดแปลงทางกายภาพ รวมถึงการดัดแปลงการเสริมแรงของเส้นใย การดัดแปลงการเติมอนุภาคอนินทรีย์ การดัดแปลงแบบผสม และการดัดแปลงการเกิดฟอง สำหรับ PA ที่ทนต่ออุณหภูมิสูง การดัดแปลงโคโพลีเมอร์ก็เป็นเทคนิคการดัดแปลงที่ใช้กันทั่วไปเช่นกัน

I. การวิจัยเทคโนโลยีการดัดแปลงของ PA เอนกประสงค์สำหรับการใช้งานในยานยนต์

1. การดัดแปลงเสริมไฟเบอร์

การดัดแปลงการเสริมแรงด้วยไฟเบอร์เป็นหนึ่งในเทคนิคการดัดแปลงที่ใช้บ่อยที่สุด โดยมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อเพิ่มคุณสมบัติเชิงกลของโพลีเอไมด์ (PA) เส้นใยเสริมแรงที่มักใช้คือใยแก้ว (GF) และเส้นใยคาร์บอน (CF) สมบัติทางกลของ PA ที่เสริมด้วยเส้นใยมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับชนิด ความยาว และเนื้อหาของเส้นใย ตลอดจนสถานะการยึดเกาะระหว่างผิวระหว่างเส้นใยและ PA คุณสมบัติเหล่านี้ยังได้รับผลกระทบอย่างลึกซึ้งจากกระบวนการผลิตอีกด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับเส้นใยสั้น เส้นใยต่อเนื่องและผ้าทอมีการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของ PA ได้ดีกว่า แต่กระบวนการผลิตมีความซับซ้อนมากกว่า การเตรียมคอมโพสิต PA ที่เสริมด้วยเส้นใยที่ประสบความสำเร็จนั้นต้องอาศัยการชุบเรซิน PA อย่างละเอียดลงในเส้นใยต่อเนื่องและผ้าทอ

เมื่อเปรียบเทียบกับเส้นใยสั้น คอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกเสริมเส้นใยต่อเนื่องมีคุณสมบัติเชิงกลที่ครอบคลุมสูงกว่า และกลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยและลำดับความสำคัญของการพัฒนาในสาขาต่างๆ เช่น การผลิตยานยนต์ การขนส่งทางรถไฟ และการบินและอวกาศ

ตรงกันข้ามกับเส้นใยเดี่ยว การทอด้วยเส้นใยสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเทอร์โมพลาสติกคอมโพสิตได้หลายทิศทางในระดับสองมิติหรือสามมิติ นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับเทอร์โมเซ็ตคอมโพสิต เทอร์โมพลาสติกคอมโพสิตที่เสริมด้วยเส้นใยมีวงจรการขึ้นรูปที่สั้นกว่า ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการผลิตค่อนข้างต่ำลง นอกจากนี้ ยังสามารถรีไซเคิลได้หลายครั้ง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีการใช้มากขึ้นในอุตสาหกรรมยานยนต์และภาคส่วนอื่นๆ

นอกจาก CF (คาร์บอนไฟเบอร์) และ GF (ใยแก้ว) แล้ว ไฟเบอร์บะซอลต์ (BF) ยังสามารถใช้เพื่อเสริม PA (โพลีเอไมด์) ได้อีกด้วย นักวิจัยได้ใช้ BF ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเป็นวัสดุเสริมแรงในการเตรียมวัสดุคอมโพสิต PA6/BF โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อแก้ไขปัญหาการยึดเกาะระหว่างพื้นผิวที่ไม่ดีระหว่าง BF และเมทริกซ์เรซิน

2. การปรับเปลี่ยนตัวเติมอนุภาคอนินทรีย์

อนุภาคอนินทรีย์มีแหล่งที่มากันอย่างแพร่หลาย คุ้มค่า และสามารถเพิ่มคุณสมบัติบางอย่างของพลาสติกได้ ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับการปรับเปลี่ยนไส้พลาสติก อย่างไรก็ตาม อนุภาคอนินทรีย์ส่วนใหญ่เข้ากันไม่ได้กับเมทริกซ์เรซินในพลาสติก และโดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนพื้นผิวหรือเพิ่มตัวเข้ากันได้เพื่อปรับปรุงความเข้ากันได้ของพื้นผิว ด้วยการเติมอนุภาคอนินทรีย์ที่ผ่านการบำบัดพื้นผิวให้กับ PA (โพลีเอไมด์) หรือการแนะนำตัวเข้ากันได้ในระบบ PA ที่เต็มไปด้วยอนุภาคอนินทรีย์ ทำให้คุณสมบัติทางกลของ PA สามารถปรับปรุงได้อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในภาคการผลิตยานยนต์และสาขาอื่นๆ นอกจากนี้ อนุภาคอนินทรีย์ยังสามารถเพิ่มลงในระบบ PA ที่เสริมด้วยเส้นใย เพื่อใช้ผลการปรับเปลี่ยนการทำงานร่วมกันของอนุภาคและเส้นใยอนินทรีย์

การรวมซิลิกาเข้ากับ PA6 (โพลีเอไมด์ 6) เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกลเป็นวิธีการดัดแปลงที่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ PA ที่ใช้ในชิ้นส่วนยานยนต์

การใช้แป้งฝุ่นเพื่อปรับเปลี่ยนวัสดุ PA6 สำหรับการใช้งานในยานยนต์มีจุดมุ่งหมายเพื่อลดต้นทุนวัสดุและเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุ การปรับเปลี่ยนนี้สามารถปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูปของวัสดุคอมโพสิต PA6 ได้อย่างมาก และช่วยเพิ่มคุณสมบัติแรงดึงได้อย่างมาก ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการดัดงอและคุณสมบัติทางความร้อนของ PA6 บริสุทธิ์

การรวมกราฟีนนาโนเพลตเล็ตเข้ากับ PA610 สามารถใช้เพื่อเสริมคุณสมบัติทางกลและความร้อนของวัสดุ PA610 ในยานยนต์ได้

3. การปรับเปลี่ยนการเกิดฟอง

การลดน้ำหนักเป็นหนึ่งในทิศทางหลักในการพัฒนายานยนต์ในปัจจุบัน ด้วยการใช้เทคโนโลยีการเกิดฟองเพื่อผลิตวัสดุโฟมที่มีเซลล์ขนาดเล็กที่ใช้ PA จึงเป็นไปได้ที่จะบรรลุผลการมีน้ำหนักเบาอย่างมีนัยสำคัญ การมีอยู่ของรูพรุนระดับไมโครเซลล์ยังทำให้วัสดุ PA มีคุณสมบัติพิเศษ เช่น ฉนวนกันเสียงและฉนวนกันความร้อน ซึ่งช่วยเพิ่มศักยภาพในการใช้งานของวัสดุ PA ในอุตสาหกรรมยานยนต์

4. การปรับเปลี่ยนแบบผสมผสาน

นักวิจัยได้พัฒนาโลหะผสม PA66/PA6 เสริมแรงสารหน่วงไฟที่ปราศจากฮาโลเจนสำหรับขั้วต่อไฟฟ้าแรงสูงในยานพาหนะไฟฟ้า โดยใช้ระบบหน่วงการติดไฟที่ประกอบด้วยอะลูมิเนียมไดเอทิลฟอสฟิเนตและอะลูมิเนียมไฮโปฟอสไฟต์ โดยมีเส้นใยแก้ว (GF) เป็นระบบเสริมแรง พบว่า PA6 มีผลต่อการหน่วงการติดไฟของโลหะผสมน้อยที่สุด เมื่อปริมาณ PA6 ในโลหะผสมเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงและโมดูลัสของวัสดุลดลง ในขณะที่ความต้านทานแรงกระแทกแบบมีรอยบากดีขึ้น หลังจากการบ่มที่อุณหภูมิ 85°C และความชื้นสัมพัทธ์ 85% เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง อัตราการดูดซึมน้ำของโลหะผสมจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณ PA6 และประสิทธิภาพของฉนวนไฟฟ้าภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงจะค่อยๆ ลดลงเมื่อปริมาณ PA6 ในโลหะผสมเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ ด้วยการผสมผงยางสูง Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) กับ PA6 ทำให้เกิดการเตรียมวัสดุโลหะผสม PA6/ABS สำหรับยานยนต์ นอกจากนี้ อัตราการเปลี่ยนสีหลังการแก่ชราด้วยเทอร์โมออกซิเดชันลดลงโดยการเติมไททาเนียมไดออกไซด์ วัสดุโลหะผสม PA6/ABS สีเทาที่เตรียมไว้ได้ถูกนำไปใช้กับอุปกรณ์เสริมสำหรับเบาะนั่งสำหรับเด็กในรถยนต์แล้ว

5. การปรับเปลี่ยนความต้านทานความร้อน

การวิจัยได้สังเคราะห์สารทนความร้อนโคโพลีเมอร์มาลิกแอนไฮไดรด์สี่ประเภท ได้แก่ โพลี (N-ฟีนิลมาเลอิไมด์-อัลท์-สไตรีน) (PNS) ที่มีโครงสร้างแข็ง, PNS แบบคาร์บอกซิเลต (PCS), PNS ที่มีฟลูออริเนต (PFS) และสารทนความร้อนแบบครอส- โครงสร้างที่เชื่อมโยงได้ของโพลี[N-(4-คาร์บอกซีฟีนิล)มาเลอิไมด์-อัลต์-ไตรอัลลิล ไอโซไซยานูเรต] (PCT) การศึกษานี้ตรวจสอบผลกระทบของสารทนความร้อนทั้งสี่ชนิดนี้ต่อการต้านทานความร้อนของ PA6 (โพลีเอไมด์ 6) ผลลัพธ์ชี้ให้เห็นว่า PA6 ที่ดัดแปลงด้วย PCT แสดงความต้านทานความร้อนที่ดีที่สุด ตามด้วย PFS (10%) PA6 ที่ถูกดัดแปลง (182.3°C) จากนั้น PCS (10%) ที่ถูกดัดแปลง PA6 (164.8°C) และสุดท้าย PNS (15%) ที่ถูกดัดแปลง PA6 ( 138.5°ซ)

ครั้งที่สอง การวิจัยเทคโนโลยีการดัดแปลง PA ทนอุณหภูมิสูงสำหรับการใช้งานในยานยนต์

เมื่อเปรียบเทียบกับ PA ทั่วไป (เช่น PA66 และ PA6) PA ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่าและทนความร้อนได้ดีกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ที่ต้องการประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม PA ที่อุณหภูมิสูงมีจุดหลอมเหลวที่สูงกว่าและมีความสามารถในการขึ้นรูปได้ต่ำกว่า และโดยทั่วไปจำเป็นต้องทำโคพอลิเมอร์ร่วมกับโมโนเมอร์อื่นๆ เพื่อให้ได้คุณสมบัติการประมวลผลที่ดี

PA6T และ PA66 ผสมกันเพื่อสร้างเกลือในกาต้มน้ำโพลีเมอร์ไรเซชันโดยใช้วิธีโพลีคอนเดนเสชันของสารละลายอุณหภูมิสูงและความดันสูง จากนั้นโคโพลีเมอร์ PA6T/66 จะถูกผลิตขึ้นผ่านการควบแน่นโดยตรง โคโพลีเมอร์นี้มีคุณสมบัติต้านทานความร้อนได้ดีเยี่ยมและมีความสามารถในการขึ้นรูปที่ดี จึงเหมาะสำหรับใช้ในขั้วต่อรถยนต์

โคโพลีเมอร์ PA ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงกึ่งชีวภาพ, โพลี (กรดเทเรฟทาลิก-เพนทาเอทิลีน ไดเอมีน/กรดโค-อะดิปิก-เพนทาเอทิลีน ไดเอมีน) (PA5T/56) ถูกเตรียมผ่านการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของสารละลายอุณหภูมิสูง โคโพลีเมอร์ PA ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงกึ่งชีวภาพมีความเสถียรในการสลายตัวเนื่องจากความร้อนและการเกิดถ่านได้ดีกว่า PA6T/66 ในขณะที่คุณสมบัติทางกลของ PA6T/66 เทียบเคียงได้กับ PA6T/66 สามารถนำไปใช้ในด้านชิ้นส่วนยานยนต์ที่ต้องการทนความร้อนสูงและมีความแข็งแรงสูง

วัสดุโคโพลีเมอร์ PA62 ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงถูกผลิตขึ้นโดยการโพลิเมอไรซ์เฮกซะเมทิลีนไดเอมีน, โคโพลีเมอร์ไดเอมีน และไดบิวทิลออกซาเลตโดยผ่านวิธีการที่เกี่ยวข้องกับโพลีเมอไรเซชันของสารละลายตามด้วยโพลีคอนเดนเสทในสถานะของแข็ง วัสดุประเภทนี้มีการใช้งานที่หลากหลายในพื้นที่ เช่น รอบเครื่องยนต์ของรถยนต์ที่ต้องการความต้านทานความร้อนสูง

เมื่อพิจารณาถึงคุณสมบัติกั้นที่โดดเด่น สมบัติเชิงกล ทนความร้อน และการดูดซึมน้ำต่ำของโพลี (m-xylylene adipamide) (PAMXD6) วัสดุคอมโพสิต PAMXD6 ดัดแปลงที่เสริมใยแก้ว (GF) จึงถูกเตรียมขึ้นโดยการรวมสารต้านอนุมูลอิสระ 1098 และสารหล่อลื่น TAF101 . วัสดุคอมโพสิต PAMXD6 ที่เสริมแรง GF นี้โดดเด่นด้วยความแข็งแรงสูง ความคงตัวของขนาดที่ดีเยี่ยม และคุณสมบัติพื้นผิวที่เหนือกว่า (ปราศจากเส้นใยพื้นผิว)

สาม. การวิจัยการประยุกต์ใช้ PA ดัดแปลงในรถยนต์

3.1 ส่วนประกอบท่อ

ส่วนประกอบท่อมีบทบาทสำคัญในรถยนต์ โดยมีหลายประเภท รวมถึงท่อจ่ายน้ำมัน ท่อน้ำหล่อเย็น สายเบรก และอื่นๆ นอกเหนือจากการกำหนดให้วัสดุที่เกี่ยวข้องมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี ส่วนประกอบท่อยานยนต์ยังควรมีความต้านทานไฮโดรไลซิส ทนต่อสภาพอากาศ และทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยมอีกด้วย

PA หรือโพลีเอไมด์เป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปสำหรับส่วนประกอบท่อยานยนต์ อย่างไรก็ตาม PA ที่มีโซ่คาร์บอนสั้นกว่า เช่น PA6 และ PA66 มีความหนาแน่นของพันธะเอไมด์สูงกว่า และมีแนวโน้มที่จะดูดซับความชื้น ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อความแข็งแรงของวัสดุและความต้านทานต่อไฮโดรไลซิส

การควบคุมอัตราการดูดซึมน้ำของ PA ได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพของท่อ PA ในรถยนต์ นอกจากนี้ PP หรือโพลีโพรพีลีนยังมีความต้านทานความร้อนค่อนข้างต่ำ ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงของ PA ได้ ในทางกลับกัน พลาสติกวิศวกรรมชนิดพิเศษมีความต้านทานความร้อนได้ดีกว่า และบางพันธุ์ก็มีอัตราการดูดซึมน้ำที่ต่ำกว่า เช่น โพลีฟีนิลีนซัลไฟด์ (PPS) ด้วยการรวม PPS เข้ากับ PA ทำให้ได้ท่อคอมโพสิตที่มีความต้านทานความร้อนและความต้านทานไฮโดรไลซิสได้ดีเยี่ยม ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในท่อส่งน้ำหล่อเย็นในรถยนต์

เมื่อเปรียบเทียบกับ PA สายสั้น (PA6, PA66), PA สายยาว (PA12, PA612, PA11, PA1010, PA1012) มีความหนาแน่นของพันธะเอไมด์ต่ำกว่า และแสดงอัตราการดูดซึมน้ำที่ต่ำกว่า ทำให้พวกมันเป็นวัสดุ PA ที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับ ส่วนประกอบท่อ โดยทั่วไปวิธีการประมวลผลสำหรับท่อ PA แบบโซ่ยาวคือการขึ้นรูปแบบอัดขึ้นรูป และกระบวนการขึ้นรูปมีผลกระทบที่สำคัญมากต่อประสิทธิภาพของท่อ PA แบบโซ่ยาว

PA สามารถผลิตเป็นท่อน้ำและใช้ในระบบระบายความร้อนด้วยน้ำของยานพาหนะพลังงานใหม่ PA ยังสามารถนำมาใช้ในการผลิตวัสดุกั้นสำหรับท่อเครื่องปรับอากาศในรถยนต์ได้อีกด้วย

3.2 ส่วนประกอบยานยนต์อื่นๆ

นอกเหนือจากการใช้งานในส่วนประกอบท่อส่งแล้ว วัสดุ PA (โพลิเอไมด์) ยังถูกนำมาใช้ในส่วนประกอบรอบนอกของเครื่องยนต์ยานยนต์เพิ่มมากขึ้น ซึ่งรวมถึงชิ้นส่วนต่างๆ เช่น เครื่องทำความเย็นแบบอากาศเทอร์โบชาร์จ ท่อร่วมไอดี แผงป้องกันความร้อนพอร์ตไอดี เครื่องสะท้อนเสียงท่อเทอร์โบ และท่อเทอร์โบด้านร้อน

PA ที่เสริมแรง GF นำเสนอประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมและสามารถใช้กับส่วนประกอบยานยนต์ได้หลากหลาย ตัวอย่างเช่น ด้วยการรวมเอาสารตัวเติมแร่อนินทรีย์และการเสริมแรง GF ผ่านเทคนิคการปรับเปลี่ยนแบบคอมโพสิต และการเติมส่วนประกอบต่างๆ เช่น สารเพิ่มความแกร่ง สารต้านอนุมูลอิสระ และสารหล่อลื่น จึงสามารถผลิต PA6 ที่ได้รับการดัดแปลงสูตรอย่างพิถีพิถันเพื่อใช้ในฝาครอบเครื่องยนต์ของรถยนต์ได้ PA6 ที่เสริมแรง GF ได้ถูกนำมาใช้ในโมดูลคอพวงมาลัยของรถยนต์ BMW Series 3 ถึง Series 7 ใหม่แล้ว ซึ่งลดน้ำหนักลงได้ถึง 20% PA66 เสริมแรง GF ซึ่งมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีและการดูดซึมน้ำต่ำ สามารถใช้ในการผลิตขั้วต่อรถยนต์ได้

นอกจากนี้ การใช้วัสดุ PA ที่ได้รับการดัดแปลงตามฟังก์ชันต่างๆ ในชิ้นส่วนยานยนต์กำลังแพร่หลายมากขึ้น ตัวอย่างเช่น หม้อน้ำที่ทำจากวัสดุ PA ที่มีค่าการนำความร้อนสูง สามารถใช้กับไฟตัดหมอกหลังรถยนต์ได้ เมื่อเปรียบเทียบกับหม้อน้ำอะลูมิเนียมแบบดั้งเดิม ไม่เพียงแต่น้ำหนักจะลดลงถึง 30% เท่านั้น แต่ยังตรงตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพการทำความเย็นและกลไกของไฟตัดหมอกหลัง LED และต้นทุนการผลิตก็ลดลงอีกด้วย ส่งผลให้ได้ "พลาสติกแทนอลูมิเนียม" สำหรับหม้อน้ำไฟตัดหมอกรถยนต์

ด้วยการรวมโพลีเอไมด์ (PA) เข้ากับความหนืดที่เหมาะสมและอีลาสโตเมอร์กราฟต์ที่ใช้โพลีโอเลฟินประเภทต่างๆ จึงสามารถได้วัสดุ PA66 ที่มีความสามารถในการไหลสูงและทนต่ออุณหภูมิต่ำได้ วัสดุเหล่านี้สามารถใช้ในการผลิตสายรัดสายไฟรถยนต์ได้ PA ยังสามารถนำมาใช้ในระบบติดตั้งระบบส่งกำลังของรถยนต์พลังงานใหม่ได้อีกด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับระบบการติดตั้งวัสดุโลหะ น้ำหนักที่ลดลงประมาณ 37% ถึง 50% และต้นทุนที่ลดลงประมาณ 10% ถึง 28% โดยมีเอฟเฟกต์การหน่วงที่ค่อนข้างเหนือกว่า