Nylon (PA), là một trong những loại nhựa kỹ thuật được sử dụng phổ biến nhất, sở hữu các tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt vượt trội so với các loại nhựa thông dụng. Nó cũng có khả năng chống mài mòn, chống mỏi, chống ăn mòn, cách điện và dễ gia công tuyệt vời, khiến nó được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực ô tô và cơ khí.

Trong các bộ phận ô tô khác nhau, so với polypropylen (PP), PA thường được sử dụng trong các bộ phận yêu cầu hiệu suất cao hơn, chẳng hạn như thiết bị ngoại vi động cơ và các loại đường ống khác nhau. Do đó, cần phải sửa đổi PA để tăng cường các tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt của nó, đồng thời mang lại cho nó các đặc tính chức năng bổ sung. Điều này đảm bảo rằng nó đáp ứng tốt hơn các yêu cầu ứng dụng của các thành phần cấu trúc và chức năng khác nhau trong ô tô.

Việc sửa đổi PA (polyamit) chủ yếu liên quan đến các phương pháp sửa đổi vật lý, bao gồm sửa đổi gia cố sợi, sửa đổi chất làm đầy hạt vô cơ, sửa đổi pha trộn và sửa đổi tạo bọt. Đối với PA chịu nhiệt độ cao, biến tính copolyme cũng là một kỹ thuật biến tính được sử dụng phổ biến.

I. Nghiên cứu công nghệ cải tiến PA đa dụng dùng cho ô tô

1. Sửa đổi cốt sợi

Sửa đổi cốt sợi là một trong những kỹ thuật sửa đổi được sử dụng phổ biến nhất, chủ yếu nhằm tăng cường các tính chất cơ học của polyamit (PA). Sợi gia cường thường được sử dụng là sợi thủy tinh (GF) và sợi carbon (CF). Các tính chất cơ học của PA được gia cố bằng sợi có liên quan chặt chẽ với loại, chiều dài và hàm lượng sợi cũng như trạng thái liên kết bề mặt giữa sợi và PA. Những đặc tính này cũng bị ảnh hưởng sâu sắc bởi quá trình chế tạo. So với sợi ngắn, sợi liên tục và vải dệt thoi mang lại sự cải thiện lớn hơn về tính chất cơ học của PA, nhưng quy trình chế tạo chúng phức tạp hơn. Việc chuẩn bị thành công vật liệu tổng hợp PA biến tính được gia cố bằng sợi như vậy phụ thuộc rất nhiều vào quá trình ngâm tẩm kỹ lưỡng của nhựa PA vào các sợi liên tục và vải dệt thoi.

So với sợi ngắn, vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo được gia cố bằng sợi liên tục có tính chất cơ học toàn diện cao hơn và trở thành trọng tâm nghiên cứu và ưu tiên phát triển trong các lĩnh vực như sản xuất ô tô, vận tải đường sắt và hàng không vũ trụ.

Ngược lại với sợi đơn, sợi dệt có thể tăng cường vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo theo nhiều hướng trên quy mô hai chiều hoặc ba chiều. Hơn nữa, so với vật liệu tổng hợp nhiệt rắn, vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo được gia cố bằng sợi dệt có chu kỳ đúc ngắn hơn, dẫn đến chi phí sản xuất tương đối thấp hơn. Ngoài ra, chúng có thể được tái chế nhiều lần, đó là lý do tại sao chúng ngày càng được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp ô tô và các lĩnh vực khác.

Ngoài CF (sợi carbon) và GF (sợi thủy tinh), sợi bazan (BF) cũng có thể được sử dụng để gia cố PA (polyamit). Các nhà nghiên cứu đã sử dụng BF thân thiện với môi trường làm vật liệu gia cố để chuẩn bị vật liệu composite PA6/BF, nhằm giải quyết vấn đề liên kết bề mặt kém giữa BF và ma trận nhựa.

2. Sửa đổi chất độn hạt vô cơ

Các hạt vô cơ có nguồn gốc rộng rãi, tiết kiệm chi phí và có thể tăng cường một số tính chất nhất định của nhựa, chủ yếu được sử dụng để sửa đổi chất làm đầy nhựa. Tuy nhiên, hầu hết các hạt vô cơ không tương thích lắm với nền nhựa trong nhựa và thường yêu cầu sửa đổi bề mặt hoặc bổ sung các chất tương thích để cải thiện khả năng tương thích bề mặt. Bằng cách thêm các hạt vô cơ được xử lý bề mặt vào PA (polyamit) hoặc đưa chất tương thích vào hệ thống PA chứa đầy hạt vô cơ, các tính chất cơ học của PA có thể được cải thiện đáng kể, khiến nó phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất ô tô và các lĩnh vực khác. Ngoài ra, các hạt vô cơ có thể được thêm vào hệ thống PA được gia cố bằng sợi để tận dụng hiệu ứng biến đổi tổng hợp của các hạt và sợi vô cơ.

Việc kết hợp silica vào PA6 (polyamit 6) để tăng cường tính chất cơ học của nó là một phương pháp cải tiến giúp cải thiện hiệu suất của các sản phẩm PA được sử dụng trong linh kiện ô tô.

Việc sử dụng bột talc để biến đổi vật liệu PA6 dùng trong ô tô nhằm mục đích giảm chi phí vật liệu và nâng cao hiệu suất vật liệu. Việc sửa đổi này có thể cải thiện đáng kể khả năng xử lý của vật liệu composite PA6 và tăng cường đáng kể các đặc tính kéo trong khi vẫn duy trì hiệu suất uốn và tính chất nhiệt của PA6 nguyên chất.

Việc kết hợp các tấm nano graphene vào PA610 có thể được sử dụng để tăng cường các tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu PA610 ô tô.

3. Sửa đổi tạo bọt

Trọng lượng nhẹ là một trong những hướng chính trong phát triển ô tô hiện nay. Bằng cách sử dụng công nghệ tạo bọt để sản xuất vật liệu xốp vi tế bào gốc PA, có thể đạt được hiệu quả làm nhẹ đáng kể. Sự hiện diện của các lỗ xốp vi mô cũng mang lại cho vật liệu PA những đặc tính như cách âm, cách nhiệt, nâng cao tiềm năng ứng dụng của vật liệu PA trong ngành công nghiệp ô tô.

4. Sửa đổi pha trộn

Các nhà nghiên cứu đã phát triển hợp kim PA66/PA6 được gia cố chống cháy không chứa halogen mới cho các đầu nối điện áp cao trong xe điện, sử dụng hệ thống chống cháy bao gồm nhôm diethylphosphinate và nhôm hypophosphite, với sợi thủy tinh (GF) làm hệ thống gia cố. Người ta thấy rằng PA6 có ảnh hưởng tối thiểu đến khả năng chống cháy của hợp kim. Khi hàm lượng PA6 trong hợp kim tăng lên, độ bền và mô đun của vật liệu giảm trong khi độ bền va đập được cải thiện. Sau khi lão hóa ở 85°C và độ ẩm tương đối 85% trong 1000 giờ, tốc độ hấp thụ nước của hợp kim tăng theo hàm lượng PA6 và hiệu suất cách điện trong điều kiện nhiệt độ cao giảm dần khi hàm lượng PA6 trong hợp kim tăng lên.

Hơn nữa, bằng cách trộn bột cao su cao Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) với PA6, vật liệu hợp kim PA6/ABS có màu dùng cho ô tô đã được điều chế. Ngoài ra, tốc độ thay đổi màu sắc sau quá trình lão hóa oxy hóa nhiệt đã giảm bằng cách thêm titan dioxide. Chất liệu hợp kim PA6/ABS màu xám được chuẩn bị sẵn đã được ứng dụng thành công vào phụ kiện ghế ô tô trẻ em.

5. Sửa đổi khả năng chịu nhiệt

Nghiên cứu đã tổng hợp được 4 loại chất chịu nhiệt copolyme maleic anhydrit là poly(N-phenylmaleimide-alt-styrene) (PNS) có cấu trúc cứng, PNS được carboxyl hóa (PCS), PNS fluoride hóa (PFS) và chất kết hợp chéo. cấu trúc có thể liên kết của poly[N-(4-carboxyphenyl)maleimide-alt-triall isocyanurate] (PCT). Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của 4 chất chịu nhiệt này đến khả năng chịu nhiệt của PA6 (polyamit 6). Kết quả chỉ ra rằng PA6 biến đổi PCT thể hiện khả năng chịu nhiệt tốt nhất, tiếp theo là PA6 biến đổi PFS (10%) (182,3°C), sau đó là PA6 biến đổi PCS (10%) (164,8°C), và cuối cùng là PA6 biến đổi PNS (15%) ( 138,5°C).

II. Nghiên cứu công nghệ biến tính PA chịu nhiệt độ cao dùng trong ô tô

So với PA thông thường (như PA66 và PA6), PA chịu nhiệt độ cao có thể chịu được nhiệt độ cao hơn và có khả năng chịu nhiệt tốt hơn, khiến chúng phù hợp hơn để sản xuất các bộ phận ô tô đòi hỏi hiệu suất nhiệt cao hơn. Tuy nhiên, PA nhiệt độ cao có điểm nóng chảy cao hơn và khả năng tạo khuôn kém hơn và thường cần được đồng trùng hợp với các monome khác để đạt được đặc tính xử lý tốt.

PA6T và PA66 được trộn để tạo thành muối trong ấm trùng hợp bằng phương pháp polycondensation dung dịch áp suất cao, nhiệt độ cao, sau đó chất đồng trùng hợp PA6T/66 được sản xuất thông qua quá trình polycondensation trực tiếp. Chất đồng trùng hợp này được đặc trưng bởi khả năng chịu nhiệt tuyệt vời và khả năng xử lý tốt, khiến nó phù hợp để sử dụng trong các đầu nối ô tô.

Chất đồng trùng hợp chịu nhiệt độ cao PA bán sinh học, poly(axit terephthalic-pentamethylene diamine/axit co-adipic-pentamethylene diamine) (PA5T/56), được điều chế thông qua phản ứng trùng hợp dung dịch ở nhiệt độ cao. Chất đồng trùng hợp PA chịu nhiệt độ cao bán sinh học này thể hiện độ ổn định phân hủy nhiệt và hình thành than tốt hơn PA6T/66, trong khi các đặc tính cơ học của nó tương đương với PA6T/66. Nó có thể được ứng dụng trong lĩnh vực linh kiện ô tô đòi hỏi khả năng chịu nhiệt cao và độ bền cao.

Vật liệu copolyme PA62 chịu nhiệt độ cao được sản xuất bằng cách trùng hợp hexamethylene diamine, copolyme diamine và dibutyl oxalate thông qua phương pháp bao gồm phản ứng trùng hợp dung dịch, sau đó là phản ứng đa ngưng tụ ở trạng thái rắn. Loại vật liệu này có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như xung quanh động cơ ô tô, nơi cần có khả năng chịu nhiệt cao.

Do các đặc tính rào cản nổi bật, tính chất cơ học, khả năng chịu nhiệt và khả năng hấp thụ nước thấp của poly(m-xylylene adipamide) (PAMXD6), vật liệu composite PAMXD6 được gia cố bằng sợi thủy tinh (GF) đã được điều chế bằng cách kết hợp chất chống oxy hóa 1098 và chất bôi trơn TAF101 . Vật liệu composite PAMXD6 được gia cố bằng GF này có độ bền cao, độ ổn định kích thước tuyệt vời và đặc tính bề mặt vượt trội (không có sợi bề mặt).

III. Nghiên cứu ứng dụng PA biến tính trong ô tô

3.1 Thành phần đường ống

Các bộ phận đường ống đóng vai trò rất quan trọng trong ô tô, với nhiều loại khác nhau bao gồm ống cấp dầu, ống làm mát, dây phanh, v.v. Ngoài việc yêu cầu các vật liệu tương ứng phải có tính chất cơ học tốt, các bộ phận đường ống ô tô cũng phải có khả năng chống thủy phân, chống chịu thời tiết và chịu nhiệt độ cao tuyệt vời.

PA, hay polyamit, là vật liệu thường được sử dụng cho các bộ phận ống ô tô. Tuy nhiên, PA có chuỗi carbon ngắn hơn, chẳng hạn như PA6 và PA66, có mật độ liên kết amit cao hơn và dễ bị hấp thụ độ ẩm, điều này có thể ảnh hưởng xấu đến độ bền và khả năng chống thủy phân của vật liệu.

Kiểm soát tốc độ hấp thụ nước của PA đã trở thành một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của ống PA ô tô. Ngoài ra, PP hoặc polypropylene có khả năng chịu nhiệt tương đối kém, có thể tác động tiêu cực đến khả năng chịu nhiệt độ cao của PA. Mặt khác, nhựa kỹ thuật đặc biệt có khả năng chịu nhiệt tốt hơn và một số loại cũng có tỷ lệ hấp thụ nước thấp hơn, chẳng hạn như polyphenylene sulfide (PPS). Bằng cách kết hợp PPS với PA, có thể thu được một ống composite có khả năng chịu nhiệt và chống thủy phân tuyệt vời, khiến nó phù hợp để sử dụng trong đường ống làm mát ô tô.

So với PA chuỗi ngắn (PA6, PA66), PA chuỗi dài (PA12, PA612, PA11, PA1010, PA1012) có mật độ liên kết amit thấp hơn và có tốc độ hấp thụ nước thấp hơn, khiến chúng trở thành vật liệu PA được sử dụng phổ biến nhất cho thành phần ống. Phương pháp xử lý ống PA chuỗi dài thường là ép đùn và quá trình đúc có tác động rất quan trọng đến hiệu suất của ống PA chuỗi dài.

PA có thể được sản xuất thành ống nước và sử dụng trong hệ thống làm mát bằng nước của các phương tiện sử dụng năng lượng mới. PA cũng có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu chắn cho ống điều hòa không khí ô tô.

3.2 Linh kiện ô tô khác

Ngoài các ứng dụng trong các bộ phận đường ống, vật liệu PA (polyamit) ngày càng được sử dụng nhiều trong các bộ phận ngoại vi của động cơ ô tô. Điều này bao gồm các bộ phận như bộ làm mát không khí tăng áp, đường ống nạp, tấm chắn nhiệt cổng nạp, bộ cộng hưởng ống turbo và ống dẫn turbo phía nóng.

PA được gia cố bằng GF thể hiện hiệu suất tuyệt vời và có thể được sử dụng trong nhiều loại linh kiện ô tô. Ví dụ, bằng cách kết hợp chất độn khoáng vô cơ và gia cố GF thông qua kỹ thuật biến đổi hỗn hợp và thêm các thành phần như chất làm cứng, chất chống oxy hóa và chất bôi trơn, PA6 được biến đổi có công thức tỉ mỉ có thể được sản xuất để sử dụng trong vỏ động cơ ô tô. PA6 được gia cố bằng GF đã được áp dụng trong các mô-đun cột lái của xe BMW Series 3 đến Series 7 mới, đạt được mức giảm trọng lượng 20%. PA66 được gia cố bằng GF, với đặc tính cơ học tốt và khả năng hấp thụ nước thấp, có thể được sử dụng để sản xuất các đầu nối ô tô.

Ngoài ra, việc ứng dụng các vật liệu PA được cải tiến chức năng khác nhau trong các bộ phận ô tô ngày càng trở nên phổ biến. Ví dụ, bộ tản nhiệt làm bằng vật liệu PA có tính dẫn nhiệt cao có thể được sử dụng trong đèn sương mù phía sau ô tô. So với bộ tản nhiệt bằng nhôm truyền thống, chúng không chỉ giảm trọng lượng 30% mà còn đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất làm mát và cơ học của đèn sương mù phía sau LED, đồng thời giảm chi phí sản xuất. Điều này đạt được mục tiêu "nhựa thay vì nhôm" cho bộ tản nhiệt đèn sương mù ô tô.

Bằng cách kết hợp polyamit (PA) với độ nhớt thích hợp và các loại chất đàn hồi ghép dựa trên polyolefin khác nhau, có thể thu được vật liệu PA66 có khả năng chảy cao và chịu nhiệt độ thấp. Những vật liệu này có thể được sử dụng để sản xuất dây buộc cáp ô tô. PA cũng có thể được áp dụng trong hệ thống lắp đặt hệ thống truyền động của các phương tiện sử dụng năng lượng mới. So với các hệ thống lắp đặt vật liệu kim loại, trọng lượng giảm khoảng 37% xuống 50% và giảm chi phí khoảng 10% xuống 28%, với hiệu quả giảm chấn tương đối vượt trội.