高溫PPA熱塑性塑料用于汽車發(fā)動機周邊

受“更長的保修期”和“政府新的燃油經(jīng)濟性指令”這兩大趨勢的推動，高性能/高溫熱塑性塑料在汽車行業(yè)中的用量正在增長。更長的保修期意味著專用于高溫應用環(huán)境的熱塑性塑料部件必須具有更長的使用壽命。隨著燃油效率標準的提高，汽車行業(yè)通?？赡芷谕麑⒏〉摹⑦\行溫度更高的發(fā)動機裝入更輕且因此而更緊湊的發(fā)動機艙中。這一緊湊的空間意味著許多發(fā)動機罩下部件將更加靠近發(fā)動機。因此，當汽車制造商采用更輕的增強熱塑性塑料取代金屬制造部件時，需要采用效果顯著的部件設計。過去，被用于發(fā)動機罩下多種應用的熱塑性塑料部件已經(jīng)證實了它們在170~190?℃的上限高溫環(huán)境下的熱老化性能，而目前更新的動力系統(tǒng)和更新的應用通常要求部件能夠在高于200℃的高溫下長期使用，甚至在230℃的最高溫度下使用。

因此，汽車OEMs正在尋求在溫度提高的環(huán)境下能夠確保耐化學性和耐油性的復合材料部件，供應商們則通過采用組合了設計、制造和材料創(chuàng)新的技術，而使部件性能達到了前所未有的水平。

圖1 作為耐高溫熱塑性塑料汽車部件的首個大批量、商業(yè)化應用，這款于1990年代被推向市場的空氣進氣歧管的最高工作溫度是170℃。今天的汽車制造商們正在尋求長期性能在190℃及以上溫度下能夠保持不變的熱塑性復合材料（圖片來自Asahi Kasei公司）

超級的發(fā)動機罩下聚合物

聚酰胺或者尼龍（PA）混配料已成為發(fā)動機罩下復合材料對金屬替代的“先鋒”。生產(chǎn)此類材料的公司正在通過提高PA的高溫極限而引領這一進程。例如，巴斯夫曾在2010年的德國K展中推出了新的玻璃纖維填充PA6/6高溫樹脂系列Ultramid ENDURE。作為該產(chǎn)品線中的**款產(chǎn)品，Ultramid ENDURE D3G7含有35%的玻璃纖維，被設計可在220℃的高溫下連續(xù)使用超過3000h，其臨界最高使用溫度可達240℃。

據(jù)說該材料尤其適用于發(fā)動機周邊的部件，特別是用于渦輪增壓發(fā)動機的進氣（熱交換）系統(tǒng)。目前，巴斯夫正在積極推進高溫樹脂在北美汽車行業(yè)中的應用，并于2011年的德國Fakuma展會中推出了新級別的聚酰胺Ultramid ENDURE D3G10。巴斯夫聲稱，這種50%玻璃纖維填充的PA6/6幾乎比Ultramid ENDURE D3G7級別的剛性高50%，其目標應用主要針對中冷器端蓋以及進氣系統(tǒng)的其他部件。比較該公司已有的PA6/6樹脂產(chǎn)品線中的熱穩(wěn)定級別材料，Ultramid是能夠在180～190℃下連續(xù)使用的樹脂級別，并可短時間暴露在230℃的工作環(huán)境中。Behr Automotive公司（美國密歇根州Troy）采用50%玻璃纖維填充級別的Ultramid A3W2G10，生產(chǎn)出了首個商業(yè)化的用于1.8L渦輪增壓柴油發(fā)動機上的中冷器端蓋，該發(fā)動機被用于福特汽車公司的2009款Transit Connect/Tourneo Connect 有篷貨車上。

圖2 勞士領汽車公司（德國Kelsterbach）采用組合了吹塑和注塑工藝的技術生產(chǎn)出的這款進氣管，被用于大眾汽車公司2009年生產(chǎn)的裝有2L柴油發(fā)動機的汽車中。該進氣管是采用泰科納工程聚合物公司（美國肯塔基州Florence）的Fortron 15%玻璃纖維填充PPS吹塑成型而出（圖片來自泰科納工程聚合物公司）

巴斯夫負責汽車動力系統(tǒng)應用的市場部門領導Scott Schlicker介紹說，一家重要的OEM正在一個商業(yè)化應用中采用Ultramid ENDURE材料，同時更多的幾項應用有望在2013年投入生產(chǎn)。這其中發(fā)揮關鍵作用的是一項穩(wěn)定技術，它可保護樹脂系統(tǒng)以防止表面氧化?！拔覀兇_信，Ultramid ENDURE可以與所有用于尼龍6/6的競爭的高溫技術相媲美。”Schlicker說，該材料220℃的連續(xù)使用溫度超過了目前市場中大多數(shù)超高溫尼龍競爭材料210℃的上限溫度。

帝斯曼工程塑料于2008年晚期向電子電氣市場新推出了STANYL ForTii尼龍4/6樹脂系列，之后又于2010年將該系列材料推向汽車市場。這種30%玻璃纖維填充的半脂肪族聚合物比同等填充級別的帝斯曼尼龍系列產(chǎn)品擁有更高的熱變形溫度（HDT），Stanyl尼龍4/6的熱變形溫度是325℃，相比之下，其他的尼龍材料只有295℃。Stanyl ForTii熱性能的改善，得益于向C4脂肪鏈中添加了一種芳基，以及采用了一種獨特的玻璃纖維-填料組合填充物。該材料還擁有一個低線性熱膨脹系數(shù)（CLTE），大約為3.5×10-5mm/mm/℃,相比之下，鋁的線性熱膨脹系數(shù)為2.0×10-5mm/mm/℃。當采用Stanyl ForTii制成的部件與鋁部件相連接時，這種尼龍4/6樹脂較低的CLTE 值提供了比其他傳統(tǒng)尼龍材料制成的部件更好的表面密封特性。帝斯曼Stanyl產(chǎn)品經(jīng)理Jim Conkey說，這種低CLTE是復合材料均勻膨脹的一種產(chǎn)物?！巴ǔ?，當向熱塑性塑料中加入玻璃纖維時，玻璃纖維的無規(guī)取向?qū)е铝烁飨虍愋缘拇罅啃纬??！彼f，在多數(shù)情況下，Stanyl ForTii與鋁之間微小的CLTE差異，可通過改變密封表面的幾何形狀以及使這些部件與采用硅樹脂制成的一種動態(tài)密封元件相匹配而得到解決。 在汽車應用中，帝斯曼的目標是實現(xiàn)該材料對金屬的替代——用該材料生產(chǎn)的部件必須能夠承受-40~180℃的使用溫度，并可在短時間內(nèi)承受300℃的極限高溫。

圖3 Tata Toya公司（印度Pune）生產(chǎn)的3種不同的中冷器被安裝到了印度一家重要汽車OEM生產(chǎn)的4款不同汽車上。這些中冷器采用了杜邦工程塑料（美國特拉華州Wilmington）的35%玻璃纖維填充級別的Zytel PLUS材料，滿足了部件在180℃高溫下連續(xù)工作的要求（圖片來自杜邦）

目前，Stanyl ForTii的每磅成本大約是鋁價格的兩倍。但帝斯曼表示，初期的部件再設計項目已經(jīng)顯示出壁厚能夠比鑄鋁件減薄50%，并仍能滿足剛性和強度要求。此外，注塑成型部件較大的設計靈活性以及此類部件比鋁制部件更少的后加工需求，進一步縮小了成本間的差距。Conkey介紹說，該材料正處在商業(yè)化評估階段，并得到了電子和汽車行業(yè)的OEMs以及他們供應商的肯定。目前，該公司正在尋求新的產(chǎn)品開發(fā)合作伙伴。

帝斯曼Stanyl尼龍4/6系列產(chǎn)品已有超過25年的商業(yè)化歷史，但最近該公司卻發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維填充級別的尼龍4/6材料在動力傳動系統(tǒng)的耐磨損和摩擦應用中取代諸如PEEK之類的超高溫熱塑性塑料方面有上升的趨勢，這些應用包括：推力軸承、襯套、鏈條導軌和正時鏈，這些部件的使用溫度通常在150~180℃之間。Conkey介紹說，Stanyl 4/6最強勁的增長表現(xiàn)在傳動正時鏈和導軌鏈耐磨表面的制造領域，在此應用中，該聚合物材料的高結晶度（70%~80%）提供了出色的潤滑和耐磨性。帝斯曼開發(fā)了一種自有的有限元分析（FEA）程序，可使客戶輸入正時鏈的摩擦載荷參數(shù)，并比較不同的替代材料對傳動性能的影響情況?！盎趪栏竦娜加徒?jīng)濟性標準，甚至每加侖燃油多運行半英里都顯得非常重要?！盋onkey說。

2010年投入商業(yè)化應用的杜邦工程塑料的Zytel PLUS材料主要針對150~210℃的高溫應用環(huán)境。該聚酰胺產(chǎn)品系列包含了為各種特殊應用而訂制的多個級別的材料。這些采用杜邦專利的Shield技術被生產(chǎn)而出的樹脂，采用了新的聚合物骨架、聚合物鏈改性材料以及各種添加劑，從而使其長期耐熱老化性、耐發(fā)動機潤滑油和耐水解性均高于傳統(tǒng)的尼龍6和尼龍6/6。杜邦聲稱，該產(chǎn)品系列中的核心產(chǎn)品是35%玻璃纖維填充的Zytel PLUS尼龍95G35,它在150℃的熱老化試驗箱中存放4000h后，其拉伸強度和沖擊強度絲毫沒有受損。

圖4 斯堪尼亞汽車公司（瑞典S?dert?lje）是**家將一種熱塑性塑料的油底殼/機油箱組件集成到一個商用貨車產(chǎn)品線上的汽車制造商。該部件由熱穩(wěn)定的35%玻璃纖維填充的Zytel尼龍制成，被安裝在斯堪尼亞的13L歐6發(fā)動機上（圖片來自杜邦）

**個采用該材料實現(xiàn)商業(yè)化應用的產(chǎn)品是用于通用汽車公司2010款Cadillac SGM 車型上的渦輪增壓發(fā)動機的蓋子，該部件必須滿足180℃的連續(xù)使用溫度要求，最高使用溫度則要達到200℃。自此以后，該樹脂已越來越多地被汽車OEMs用于生產(chǎn)暴露在高溫環(huán)境下的部件。

最近的一個應用是由印度Tata Toyo公司制造的中冷器。該公司生產(chǎn)的3款中冷器被安裝在印度一家重要汽車OEM制造的4款2012車型上。該部件采用的Zytel PLUS級別材料是35%玻璃纖維填充的PA6/6芳香族共聚物，其連續(xù)使用溫度在150~190℃。杜邦全球發(fā)動機冷卻技術開發(fā)經(jīng)理Steven Mok說，與其所替代的專用尼龍相比，該材料的性能更好，更易于加工且對成型后處理的需求更少，從而使部件的總體成本得以降低。

2008年，戴姆勒股份公司（德國斯圖加特）成為首家在量產(chǎn)汽車上使用熱塑性塑料制成的油底殼的汽車制造商。該組件由Zytel HSLRA4尼龍材料制成，并被用于戴姆勒的C級汽車上。最近，斯堪尼亞汽車公司（瑞典S?dert?lje）成為**家在商用貨車上集成一種熱塑性塑料油底殼的汽車制造商。該油底殼/機油箱組件被用在該公司的13L發(fā)動機上。這款于2011年春季被推出的發(fā)動機滿足了歐6排放標準。該油底殼采用35%玻璃纖維增強Zytel HSLX材料制成，這是一種熱穩(wěn)定的具有潤滑性的PA6/6，其上限使用溫度為150℃。該部件長847mm，寬467mm，深203mm，在整個使用溫度范圍內(nèi)可確保其尺寸的穩(wěn)定性，其最高使用溫度為200℃, 這是一種最高的設計標準。出色的尺寸穩(wěn)定性對于在機油箱和發(fā)動機之間為保持持續(xù)的緊密封所要求的緊公差配合是非常必要的。位于該機油箱底部的加強肋起到了結構增強的作用，并有助于尺寸的穩(wěn)定。這一重約6 kg的組件要比以前的鋁制件輕50%。杜邦全球油品部門高級開發(fā)經(jīng)理Franz Spitznagel說，為一種在商用貨車而非量產(chǎn)乘用轎車上使用的油底殼開發(fā)材料配方更具有挑戰(zhàn)性，因為貨車部件的使用壽命通常要達到轎車部件的10倍。

圖5 Bruss北美公司（美國肯塔基州Russell Springs）采用由巴斯夫提供的35%玻璃纖維增強Ultramid尼龍6/6，注塑成型了用于克萊斯勒2011款Pentastar發(fā)動機的凸輪軸罩蓋（圖片來自巴斯夫）

得分**，超越局限

被廣泛用于純凈塑料瓶大批量生產(chǎn)的吹塑成型工藝，并不是**個受到關注的汽車復合材料加工技術，但勞士領汽車公司（德國Kelsterbach）卻成為**家采用聚苯硫醚（PPS）吹塑成型一種進氣管的廠商，其產(chǎn)品滿足了一款商業(yè)化生產(chǎn)的汽車上的極高溫度應用需求。該進氣管被大眾汽車公司用于2009款裝有勞士領汽車公司提供的2L柴油發(fā)動機的汽車上，它采用了泰科納工程聚合物公司的兩個級別的玻璃纖維填充Fortron PPS：管體本身由15%短玻纖增強Fortron PPS 1115LO材料吹塑成型而出，支架則由30%短玻纖增強Fortron PPS FX4330T7材料注塑成型而出。該進氣管的最高使用溫度高達230℃，且比它所替代的鋁管大約輕30%。泰科納的市場開發(fā)工程師Bob Newill介紹說：“通過吹塑成型，我們能夠獲得良好的硬度，并能夠成型出非常復雜的形狀以適應發(fā)動機周圍的緊湊空間需求?！?/span>

通過與勞士領汽車公司在一款形狀復雜的進氣管項目上的合作，泰科納于2012年6月推出了一種專利的可吹塑成型的Fortron PPS。據(jù)勞士領汽車公司高級主管工程師Paolo Curci介紹，該部件只能通過3軸機械手操作的吹塑成型工藝被生產(chǎn)出來。

作為**種采用此工藝進行加工的PPS，該材料實現(xiàn)了更高的熔接強度、進一步改善的抗沖擊性、更大的吹脹比和更長的使用時間,其CLTE可與鋁相媲美,且連續(xù)使用溫度可達240℃。

Bruss北美公司（美國肯塔基州Russell Springs）最近采用巴斯夫傳統(tǒng)的尼龍級別，即35%玻璃纖維填充的Ultramid A3WG7 HP bk20560,在克萊斯勒汽車公司2011款Pentastar發(fā)動機的熱塑性塑料凸輪軸罩蓋上，實現(xiàn)了其所謂的“突破性的注塑成型部件公差” 。其關鍵性的創(chuàng)新包括為凸輪軸罩蓋的功能表面提供一種撓性密封解決方案，以及布置在該熱塑性塑料蓋體上的獨立的基準銷。Bruss北美公司在該注塑成型的凸輪軸罩蓋上實現(xiàn)了低于±0.05mm的傳統(tǒng)機加工的公差水平。巴斯夫的Schlicker說，這種Ultramid材料能夠在170℃下連續(xù)使用，這是該部件期望使用溫度范圍的最高值。他介紹說，Ultramid材料良好的流動性還使該公司只通過一個澆口便充滿了復雜的部件型腔，因而無需使用加工PA 6/6材料通常所需的大噸位注塑機。

采用巴斯夫?qū)槔w維增強注塑成型熱塑性塑料而開發(fā)的ULTRASIM FEA軟件，Bruss北美公司與巴斯夫在凸輪軸罩蓋的設計上展開了合作，該軟件主要被用于描述玻璃纖維在缸前蓋密封墊圈中的取向和定位。該分析幫助工程師們形成了最終可確保沿部件凸緣提供正常長期密封的設計。Schlicker說，巴斯夫的客戶能夠使用該軟件的計算機輔助工程工具去高效率地訂制材料、部件的幾何形狀和澆口位置。

Freudenberg-NOK Sealing Technologies公司（美國密歇根州Plymouth）最近采用熱塑性塑料注塑成型了一種高度充滿的變速箱蓄能器活塞。該活塞被用于所有裝備了自動變速箱的克萊斯勒汽車上，它采用雪佛龍菲利普斯化工公司的含65%填料（玻璃纖維和礦物填料各占50%）的Ryton R-7-120PPS制成。此前，克萊斯勒汽車公司一直采用一種自有的鑄造和機加工工藝去生產(chǎn)一種鋁活塞，F(xiàn)reudenberg-NOK Sealing Technologies公司則為其提供聚四氟乙烯（PTFE）的密封。當克萊斯勒汽車公司尋求一種替代設計方案時，F(xiàn)reudenberg-NOK Sealing Technologies公司則抓住了FEA研究、材料測試以及對替代方案進行車內(nèi)驗證的工作。該部件重29.07g，與49.96g的鋁活塞相比，重量降低了47%。該熱塑性塑料的活塞可以在高達150℃的操作溫度下有效運行約321870km。Freudenberg-NOK Sealing Technologies公司負責未來技術的Rory Pawl說，關鍵是要尋找一種材料，它能夠提供尺寸穩(wěn)定性并能夠長期耐受熱的變速箱液體?！霸谛钅芷骰钊杏袃蓚€彈簧，從而要求材料的耐磨性要能抵御彈簧運動引起的磨損，這對于保持活塞的長期使用性能是必要的?！盤awl說。該新的活塞幫助克萊斯勒汽車公司為每個變速箱節(jié)省了1.53美元的成本，或者說，該公司每年可節(jié)省超過200萬美元的成本。