生物复合材料取得突破,进入汽车结构应用领域

作者:CompositesWorld MICHAEL LEGAULT(本刊编译) 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-04-30
帝斯曼工程塑料的EcoPaXX PA410是一种“碳中性”的生物基聚酰胺,拥有许多由玻纤和碳纤填充的品种,以及针对汽车部件应用的单向(UD)带产品线,很适合应用在汽车环境中。

一家材料公司开发的生物基聚酰胺复合材料提供了独特的性能属性,为其在汽车应用领域占有一席之地提供了帮助。

生物基树脂系统对于复合材料生产而言并不陌生,实际上,从大豆油和玉米乙醇在不饱和聚酯中的应用开始,发展到甘蔗、木质素、植物油、甘油和其他植物性生物物质,生物材料在一些树脂系统中被用作原料已有10多年的历史。这类材料主要作为传统氢碳基树脂的绿色替代品而被销售,旨在降低使用它们制成的最终产品的碳足迹。然而,尽管用途广泛,但生物基树脂一直难以取代它们的石油基前身。现在,这种情况正在发生变化,并可以在汽车复合材料市场中找到证据。

“碳中性”的生物基聚酰胺

帝斯曼工程塑料(荷兰Geleen)开发的EcoPaXX PA410被认证是一种“碳中性”的生物基聚酰胺,其70%的原料来自蓖麻油豆科植物。这种树脂拥有许多由玻纤和碳纤填充的品种,以及针对汽车部件应用而开发的单向(UD)带产品线。该聚合物的高温稳定性、比其他聚酰胺增强的疏水性以及优异的耐油、耐化学性,使其很适合应用在汽车环境中。

EcoPaXX的第一批商业化应用之一是大众、奥迪等多种车型中使用的大众MDB-4 TDI柴油发动机上的曲轴盖,它取代了一个压铸铝盖,减轻了40%的重量,降低了25%的总体系统成本,从而获得了2014 SPE(美国塑料工程师学会)创新奖的动力传动类奖项。该部件由KACO公司(德国Kirchardt)制成,含50%短切玻璃纤维。注塑级别的EcoPaXX嵌入成型在等离子激活的动态PTFE密封件上,它带有一个液态硅橡胶的静态密封件。KACO公司开发了专利的PTFE密封工艺,据说该技术减少了摩擦,提高了发动机的效率。

该曲轴盖大约200mm长、120~140mm宽以及2~4mm厚。运行中,该部件的内部完全浸入油中。帝斯曼Stanyl与EcoPaXX产品的全球技术经理Ronald Ligthart说,针对这项应用,PA410与PA46和PA66以及聚邻苯二甲酰胺(PPA)展开了竞争。他表示,虽然EcoPaXX 410分子提供了与PA 66和PA 46(该聚合物包含帝斯曼的Stanyl树脂系列)相似的力学性能,但它是单体4(1-4二氨基丁烷)与单体10(癸二酸)的组合,从而提供了比其他材料选项进一步增强的耐化学性、耐油性和抗水性。

曲肘盖
该200mm×200mm的曲肘盖,由50%短切玻纤填充的EcoPaXX注塑级别材料制成,是在PTFE动态密封件上嵌入成型。它取代了压铸铝件而被安装在大众MDB-4柴油发动机上,减轻了40%的重量(图片来自帝斯曼工程塑料)

“这种脂肪族、具有疏水性的单体10,起到了平衡PA46和PA66的亲水性的作用,这对于像曲轴盖这类的部件是至关重要的,因为这使其在引擎盖下的高温潮湿环境中具有更好的尺寸稳定性。”Ligthart介绍说,当客户希望在这些应用中提高尺寸稳定性,以及(或者)提高耐水解性和耐化学性时,EcoPaXX是针对PA66的一种改进替代材料,可以实现简单替换。

EcoPaXX还提供玻纤填充的注塑级别QHG10,它拥有低黏度和高温稳定性,据说这些特性使其易于成型。“PA 66的加工窗口非常有限,通常在20~30℃的范围内。但作为单体10带来的结果,EcoPaXX的加工窗口真的很宽,在 250~350℃ 范围内,从而为成型商在加工中微调流体而提供了更大的灵活性。”Ligthart表示。

针对汽车轻量化应用的UD带

面向未来,帝斯曼正计划于2019年安装一条生产线,用于生产1m宽的连续玻璃纤维或碳纤维增强的EcoPaXX带材卷料,以及采用该公司其他聚酰胺树脂如Stanyl制成的带材。EcoPaXX带材最初开发于2012年,到2016年成为欧盟赞助的一个由汽车OEMs及其供应商参与的联合项目ENLIGHT的一部分,目标是,加速开发用于汽车制造的新型轻量化材料及生产工艺。

作为参与该项目的唯一的材料供应商,帝斯曼配制了EcoPaXX带材,从而在一定程度上响应了该项目的近期目标,即为2020~2025年期间生产的中、高产量的电动汽车应用开发低成本的生物基热塑性塑料,以减轻重量和碳足迹,主要用于特殊的汽车子系统,包括副车架和悬架、前端模块以及驾驶舱门梁和外壳。

帝斯曼先进热塑性复合材料全球R & T 经理Raj Mathur介绍说,这种材料及带材的力学性能首先得到了标准实验室测试的表征,然后,输入材料数据,用于有限元分析仿真,比如,用于门板的侧柱碰撞试验。在该项目的最后阶段,帝斯曼与合作伙伴们证明了可行的制造技术:将UD带编织成无卷曲织物,然后热成型,并将其连接到门板部分和其他的示范部件上,成为最终形状。

目前,帝斯曼提供玻璃纤维和碳纤维增强的EcoPaXX UD带级别产品,这些材料在一条试生产线上被制成600mm宽、最长达300m的卷料,厚度一般为0.2~0.3mm,纤维含量50%~60%。Mathur表示,客户们通常将该带材分切成适合应用的宽度(±0.1 mm)。与ENLIGHT项目一起,帝斯曼已测试并确认了该带材与少数生产工艺相兼容,包括:带缠绕、金属-复合材料混合制造工艺,以及自动化的带铺层(ATL)与热成型和包覆注塑成型的结合。最后一项工艺的有效性,已在一个用几何方法生产的示范部件上得到了验证,如发动机盖和电池盖。为了生产该部件,第一台装有机械臂和拖辊的ATL机器铺放了4mm厚的叠层。然后,采用类似于金属冲压的工艺,将该叠层热成型为最终形状。最后,将部件固定在一个工装中,并通过包覆注塑成型为部件添加一些特征,如肋和轴套。

更具前景的一项长期商业化应用,是Maxion Wheels公司(德国Konigswinter)与帝斯曼合作开发的金属-复合材料混合的MaxFiber钢轮。采用该轮子的一个目标是,将原来钢轮辋的截面厚度从2mm减小至1mm,为对此进行补偿,采用60%玻纤填充的UD EcoPaXX带,在3个位置对轮辋进行缠绕,即:被称为“Drop Well”的中心 “凹槽”,以及两侧被称为“Bead Well”的凹槽,左、右各一个。

缠绕在Drop Well上的带,是缠绕在两侧Bead Wells上的带的两倍宽。为了在缠绕和固化过程中吸收激光能量,EccoPaXX树脂采用导电添加剂进行配制。减少的钢用量以及后续采用玻纤增强带的缠绕带来的结果是:每个标准的16英寸乘用车车轮重量减轻了大约2kg,每个标准的卡车车轮重量减轻了大约6kg。

Mathur介绍说,表明该项目取得成功的重要基准是,该车轮通过了SAE J328径向疲劳试验,该试验模拟正常运行(就像标准的车辆负载)中的车轮/轮胎总成。在试验过程中,随着时间的推移,负载会成倍增加,从而能够在相对短的时间内模拟车轮的生命周期。虽然验证新车轮需要几个负载测试,但J328是在加强区域进行的对车轮具有最直接影响的测试。Mathur说,该测试结果表明,这种带缠绕的车轮相比同样尺寸和厚度控制的钢轮,其强度和抗疲劳性提高了大约30%,从而为全面的商业运营验证了该车轮设计的可行性。

Mathur表示,MaxFiber车轮正在接受测试,其价值定位更适合商用卡车而不是乘用轿车,因为卡车有更重和更多的轮子。按每辆卡车平均6个轮子、每个轮子至少减重6kg计算,加起来总共36 kg的减重效果,对于商用卡车运营商而言是一个足够具有吸引力的数字。

对此金属-复合材料的混合车轮的开发,显示出EcoPaXX带材的另一个具有吸引力的特征:当固结成层压结构时,该带材要比其他许多典型的玻纤填充热塑性和热固性层压结构具有更高的层间剪切强度。“一般的复合材料拥有的层间剪切强度通常是50~60MPa,而EcoPaXX是80~90 MPa,这意味着制造商或设计师可以采用更少的材料来制造具有所需结构特性的部件。”

与一般的复合材料带产品一样,EcoPaXX带与在热压罐中固化的部件相比具有固有的成本优势。Mathur表示,为确保EcoPaXX带材及该公司通常生产的热塑性复合材料带材产品线的商业可行性,帝斯曼正在与设备供应商合作,来降低生产成本、最大程度地提高产量以及缩短循环时间。最终,帝斯曼希望生产循环时间能接近1min,从而使材料和工艺符合汽车行业的标准要求。

车轮
Maxion Wheels正在开发一种更轻、更强的车轮,它由减薄50%的钢圈部分组成,在钢圈的左、中、右3个位置,采用60%玻纤增强EcoPaXX带材进行缠绕。这种聚酰胺树脂采用吸能混合物配制而成,呈现黑色。径向疲劳试验表明,这种带缠绕的车轮相比标准钢车轮,抗疲劳性提高了大约30%,且每个标准的乘用车车轮减轻了大约2kg的重量,每个标准的商用卡车车轮减轻了大约6kg的重量(图片来自帝斯曼工程塑料)

车轮
采用EcoPaXX带材缠绕的钢轮辋车轮(图片来自帝斯曼工程塑料)

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