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半結構化環氧片狀模塑料系列元件, 釋放汽車輕量化的潛能

clsrich2021-03-25 11:35:26復合面料資訊45來源:復合面料網

多年來,片狀模塑料(SMC)技術一直是一項穩健、快速和經濟的制造工藝,用于汽車和多用途運載車系列應用中的非承重部件或半結構部件。除了寬泛的幾何設計自由度和功能集成的可能性之外,其優點還在于它是一項適合批量生產的成熟工藝,可以實現規?;a。如今片狀模塑料技術已經越來越多地被用于次結構件及結構件的生產。不過,應用的前提是具備高機械性能的創新材料,且該材料應滿足當今更為嚴格的環保要求,還有助于實現汽車的輕量化。

除了纖維的鋪覆方式之外,基體樹脂的選擇對片狀模塑料配方的性能起著極其重要的作用。與傳統的不飽和聚酯或乙烯基酯體系相比,環氧樹脂基配方已被證明是尤為合適的,可賦予復合材料部件更佳的機械性能。此外,通過使用環氧樹脂配方,在制造和加工過程以及在后續材料的鋪設過程中(例如在內飾應用中),排放量可能會大大降低??紤]到車輛內部空氣質量相關的待定法規,這對于未來在汽車內部件的應用是一個突出優勢。到目前為止,雖然環氧固化劑在工藝控制和成本方面比聚酯和乙烯基略有不足,但新一代環氧固化劑將解決這些問題。

圖1:Vestalite S片狀模塑料配方示意圖

新一代環氧片狀模塑料

胺基固化系統Vestalite S是贏創的注冊商標,如圖1所示,在Vestalite S已經完成產品開發及應用,能夠為汽車行業生產成本效益高的環氧片狀模塑料部件。以下所述的Vestalite S片狀模塑料的關鍵績效指標和性能數據是材料及工藝研究中的一部分,該項研究是與位于德國芬茨塔爾的弗勞恩霍夫化學技術研究所(Fraunhofer ICT)合作進行的。

Vestalite S片狀模塑料在半固化狀態具有較高的貯存穩定性,并且縮短了固化時間,這是通過兩步反應來實現的。第一步反應,在室溫下與片狀模塑料混合,并在化學轉化率約60%時停止。然后提高溫度至120°C,觸發第二步反應。在室溫下,處于半固化狀態的片狀模塑料材料呈固體,因此具有數周的貯存穩定性。固化劑可以有效根據片狀模塑料工藝量身定做,使得材料在混料過程中呈現理想的初始粘度,在壓制過程中呈現最佳的流動特性,同時能在3分鐘內完成固化。

成本效益高的工藝鏈

由于片狀模塑料材料在半固化狀態下的穩定性,建議對生產工藝進行調整,這樣可以減少加工步驟,實現高效益的生產制造。圖2展示了Vestalite S片狀模塑料的生產工藝,它與傳統片狀模塑料生產工藝的主要區別在于Vestalite S材料需要熟化到半固化狀態。

圖2:Vestalite S生產工藝示例(與傳統片狀模塑料工藝的區別以藍色部分標出)

Vestalite S的固化體系粘度特別低,這意味著在混煉過程中總配方的混合粘度可達到500-800mPa·s。因此它的纖維浸潤性優異,可以實現纖維質量比超過65%的產品。纖維與基質之間良好的粘結性和高纖維體積含量是Vestalite S體系的片狀模塑料能夠提供優異機械性能的關鍵。

在混合之后,片狀模塑料材料被切割成零件專用片材。通過其他快速熟化工藝可以改善材料的切割性能、加速固化流程,并且降低體系反應放熱。通過明確的加溫分布圖,例如使用加熱板或傳送爐,讓片狀模塑料呈現皮革狀??焖偈旎^程的溫度分布和持續時間取決于混合工藝的線速和其它工藝參數。

片狀模塑料片材在室溫下存放3天后即可成型。片狀模塑料的玻璃化溫度約為55°C,大約一周后達到最后的半固化階段。為了確保熱量快速傳遞到片狀模塑料中,在成型之前需要對片材進行加熱。這個可以使用單獨的加熱過程(如干燥室)來實現,也可以在成型過程的中間步驟實現,在成型過程中,壓力機僅閉合到接觸點。

由于混合粘度低帶來的高生產線速、在線切割和模壓時間短,使快速且經濟地加工Vestalite S片狀模塑料部件成為可能。

工藝流程優勢

與傳統的環氧樹脂片狀模塑料相比,Vestalite S固化劑除了具有工藝流程上的優勢外,還可以生產制造出機械性能優異的片狀模塑料部件。圖3顯示了與聚酯、乙烯基酯和環氧樹脂的傳統體系相比,Vestalite S片狀模塑料的強度和剛度值。尤其是碳纖維增強型Vestalite S 片狀模塑料的高拉伸模量和玻璃纖維增強型Vestalite S 片狀模塑料的拉伸強度值,為輕量化設計創造了巨大的潛力。

與所有環氧樹脂一樣,Vestalite S配方在成分中不存在苯乙烯排放物,揮發性有機化合物(VOC)排放量極低。在根據VDA 278進行的試驗,揮發性有機化合物和霧化值在<10μg/g范圍內。

圖3:實驗在Fraunhofer ICT進行。根據材料分類,用Vestalite S系數比較不同片狀模塑料系統的機械性能

拉伸模量【GPa】

*纖維類型:OC ME 1510 | 纖維含量:67 wt.-%

**纖維類型:T700 SC-12000-50C | 纖維含量:68 wt.-%

在汽車零部件方面的潛力

在歐洲研究項目聯盟的開放創新挑戰賽中,展示了Vestalite S碳纖維-片狀模塑料應用于在汽車零部件原型中的潛力。參考部件為鋼制尾門,根據項目的特定目標,尾門的內板由Vestalite S碳纖維-片狀模塑料代替。對于片狀模塑料部件的設計,德國亞琛工業大學汽車工程研究所(IKA)定義了特定負載情況下的剛度值要求。作為IKA模擬的一部分,對片狀模塑料部件的肋部和面板強度進行了調整,以符合剛度要求。圖4中的模擬結果顯示,各種負載情況下的剛度值與鋼材參考值相匹配,同時可以將部件重量減輕近50%。使用Vestalite S片狀模塑料材料,在初步設計中可以將尾門內部結構的重量從原來的3.96kg(鋼基)減少到2.01kg。展望未來,可以得出這樣的結論:使用片狀模塑料適當設計整個尾門,實現功能和部件的集成,可以進一步減輕產品重量,這將有利于制造業的發展,提高成本效益。

圖4:作為IKA模擬試驗一部分的尾門剛度試驗結果

通過功能整合降低成本

此處所示的概念,是把鋼材參考值與碳纖維復合材料相比較,旨在展示輕量化設計的潛在機會,而不是商業化的優化概念。在考慮產品成本時,如果纖維原材料的成本非常高,即使在技術工藝上有優勢,最終部件成本顯然會大幅增加。因此,后續概念的目標將是利用整體觀念來驗證其經濟潛力。在對尾門概念的初步評估中,假定部件減少50%,總重量減少3kg,尾門的輕量化設計成本低于10歐元/kg。如果考慮整個部件的生命周期,減重能進一步實現成本優勢,即二次減重或降低總擁有成本(TCO)。

生命周期評估

除了節省成本外,減輕重量還對汽車整體的生態平衡有著重要影響。在生命周期評估(LCA)中,環境對部件的影響貫穿部件的整個生命周期。在Vestalite的研究框架內,將各部件的CO2當量排放視為環境影響,分別說明了片狀模塑料部分和鋼材部分對全球升溫潛能值的影響。生命周期的各個階段包括了材料加工、零件制造、運行階段和報廢階段。圖5是生命周期評估的結果,能源相關環境污染基于德國能源結構設定。由于碳纖維的能源密集型制造,以及由于片狀模塑料尾門生產中的能源需求的增加,在生命周期的開始時存在二氧化碳排放過量的現象。然而在部件的整個壽命期間,由于重量減少,對全球變暖的影響可以減少15%以上。

在生命周期評估中,只考慮了重量對部件的影響,而未進一步考慮空氣動力學的影響。雖然考慮的因素經過簡化,而鋼材也有額外的產品壽命優勢(因為材料二次加工的所需能量較少),但結果顯示,片狀模塑料具有顯著的優勢。有關片狀模塑料部件的潛在利益可以通過回收過程來實現,特別是碳纖維生產過程中的高能耗可以得到部分補償。在本案例研究中,沒有考慮片狀模塑料的回收及再利用,因為回收的碳纖維的機械性能會比原纖維有一定的損耗,從而影響纖維的可比性。

圖5 :項目中鋼材和Vestalite S片狀模塑料尾門的生命周期評估結果

總結

作為聯盟項目開放創新挑戰賽的一部分,利用案例研究有可能證明環氧樹脂片狀模塑料在尾門應用中的潛力。胺基固化劑Vestalite S使環氧化合物在片狀模塑料中的技術、經濟和生態應用成為可能。

與傳統的片狀模塑料配方相比,Vestalite S固化劑在材料加工和車輛使用中具有優異的機械性能和較低的排放值。通過合適且優化的工藝控制,加之具有競爭力的環氧片狀模塑料配方,可以實現快速、經濟、高效的零件制造。目前正在對客戶項目中展現的潛在應用進行驗證。

作者

DR.-ING. LEIF ICKERT,德國慕尼黑Vestaro GmbH公司常務董事兼贏創德國汽車復合材料營銷經理

Jan Bochinger , 德國慕尼黑Vestaro GmbH公司的輕質復合材料項目工程師,兼Vestalite S生產線項目負責人

Sebastian de Nardo,贏創德國贏創交聯劑業務部門應用技術實驗室主管

Dinesh Thirunavukkarasu, 德國亞琛工業大學(ika)汽車工程學院車身構造領域研究助理

贏創和Forward Engineering與2016年共同成立合資企業Vestaro,旨在將高度專業化的化學品與工程領域知識相結合。

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贏創是全球領先的特種化學品公司。專注特種化工業務、以客戶為導向的創新能力以及倡導信任和績效的企業文化構成了贏創的戰略核心,推動其不斷提升盈利性增長,實現更高的公司價值。此外,贏創的發展還特別得益于其緊密的客戶關系與市場領先地位。贏創的業務遍及全球100 多個國家和地區,員工數量超過32,000名。2018 財年,贏創持續運營業務創造了約133億歐元的銷售額,營業利潤(調整后稅息折舊及攤銷前利潤)達21.5億歐元。

贏創的國際業務分為六個大區,其中北亞區總部位于中國上海。2018年,贏創在北亞區持續運營的業務銷售額達19.7億歐元。贏創視中國為推動全球經濟發展的主要驅動力之一,并為實現業務在中國的持續增長而不斷努力。目前,我們在中國有超過2500名員工和10個生產基地。

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