生物基长碳链尼龙在汽车行业中的应用

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欢迎访问e展厅 展厅 1 工程塑料展厅 聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ... 生物基长碳链尼龙是一种高性能的聚合物。目前，采用生物基聚酰胺制成的液压离合管路、气制动管路和柴油管路已通过测试并大体上获得认可，并已投入到实际应用中。由于生物基聚酰胺自身的优异性能，使得该材料的应用已从电缆行业逐步扩展到汽车配件领域中的管路系统和快速接头系统。 与其他生物基聚合物不同，生物基长碳链尼龙是 一种高性能的聚合物。目前，采用生物基聚酰胺制成的液压离合管路、气制动管路和柴油管路已通过测试并大体上获得认可，并已投入到实际应用中。由于生物基聚酰胺自身的优异性能，使得该材料的应用已从电缆行业逐步扩展到汽车配件领域中的管路系统和快速接头系统。 鉴于汽车对环境的影响，常规能源汽车被施以越来越苛刻的标准。一方面，通过对传动系统的优化及轻量化的设计，汽车燃油的使用效率得到大幅度提高。另一方面，通过应用低排放材料，比如生物基材料，也给汽车带来了“绿意”。 高分子材料是现代汽车工业中的重要材料，在常规的汽车中其重量占总车重的25%以上。而在这些高分子材料中，绝大部分原料来源于石油。但是，随着科学的进步，我们能够从可再生资源中获得原料合成生物基高分子材料。最初，由于这些生物基高分子材料在性能上的限制，使其应用仅仅局限于食品包装行业，例如包装袋、薄膜和酸奶吸管等。然而，近年来越来越多的生物基高分子材料被应用在汽车等要求苛刻的领域。 虽然99%的常规高分子材料来源于石油，但是随着科技的进步，我们可以从可再生资源如植物中获得用于高分子聚合的单体。尽管如此，其应用几乎也只局限于包装行业，如包装袋、薄膜和酸奶吸管等。 当然，并非所有的生物基聚合物都表现如此平庸，一些源自于植物的高性能聚合物就为生物基高分子材料开拓更为广泛的应用。（典型的高性能聚合物大都是石化衍生品，而聚合物分子链也可以全部或部分来源于生物）总部位于德国马尔的赢创工业集团（Evonik，一家专业的化学品公司）的高性能聚合物部门，目前已在其产品库中加入了生物基高性能聚酰胺产品，这不仅扩充了其产品库的组成，同时也扩充了整个高性能聚合物家族的整体组成。这种生物基聚酰胺正于汽车行业中得到推广和普及。与石化基聚酰胺不同的是，生物基聚酰胺能提供更有利的碳足迹和能源平衡。 生物基聚酰胺这一成果是由蓖麻油植物—蓖麻—单体这一线路合成的。其分子链的全部或部分成分是直接或间接由蓖麻提取的。Evonik均以VESTAMID Terra为三种不同的生物基聚酰胺命名，并分为三个等级：HS PA610，DS PA1010和DD PA1012（图1）。 其中，短链PA610具有出色的耐高温性能，因此非常适合在高温环境中应用，如汽车发动机盖。中链PA1010具有较强的刚性，因而适合制成对于机械性能要求高的零件。而长链PA1012具有较高的耐冲击性，适合应用于可能遭遇碎石撞击的零件等。 对于半结晶型聚酰胺有一个通用的经验法则，即：碳链越长，抗冲击强度和耐溶剂性就越强，同时伴随着吸水率的下降和抗蠕变性能的提升。另外，碳链越短，材料的耐热性能越出色。生物基聚酰胺中既有碳链较短的，也有碳链较长的，因此可以满足许多汽车零件的不同应用和要求。几乎没有其他任何聚合材料以这样的价格范围提供如此多的选择。 VESTAMID Terra在液压离合器管路中的应用 液压离合管路线是要求很高的汽车零件，基本上都采用聚合物材料制成，这也是由其设计自由度的要求所决定的。管路受力于内部油压，位置在发动机旁边，因此必须具有较强的耐热性能。通过比较后显示，PA610材料的熔点比传统的PA12材料大约高出40℃。由于管路安装时没有保护，因此还必须具有长期的耐化学性，例如燃油和盐溶液。 对于液压离合器管路系统，在其技术规范中要求重要并且非常苛刻的一项内容是其在高温下环向应力的大小，也就是说在较高的工作温度下管线不能断裂或出现裂纹。在温度超过100℃时，PA610-HL显现出的耐压性能优于现有的PA12-HL系统（详细对比见图2 ）。PA610-HL很好地将短期性能和长期性能结合在了一起。该生物基聚酰胺已有相关规格投入了商业使用。当然，生物基聚酰胺的基料是无法满足液压离合器管线所有要求的，然而强大的改性开发和配方设计能力在满足最终的应用要求环节发挥了极其重要的作用。 在高压下的稳定性——气刹管路系统的应用 共混改性的技术包括在完全满足技术规范的同时简化制造工艺。商用车辆中的空气制动管线在这一方面是一个典型的挑战。 空气制动管线的制造材料通常是采用符合DIN74324（用于空气制动体统的聚酰胺管路）的长链聚酰胺，如PA12。这些聚酰胺能够很好地满足该应用的要求，特别是在安装方法方面。当在安装几百米的管子时，聚酰胺的弯曲能力以及如何精确安装就显得极其重要。为了此项应用，压缩空气制动管线的抗拉弹性模量必须介于450至600MPa之间。这也是PA1010能够达到的。 同样，断裂环向应力也是技术规格的主要因素。挤出的管子性能在高温（超过80℃）明显下降，但PA1010-PHLY的价值高于指导值，在超过100℃的温度下也高于PA12（图3）。 还有一项重要要求是耐磨性。由于管线有时会成束敷设，在汽车移动时可能会引起相互摩擦。在管路负重1千克、以160mm/s的速度摩擦管子（长40mm，直径12mm）的不同条件下，对PA1010-PHLY制成的管子的耐磨性进行了测试。结果表明：即使在300,000个周期后，PA1010-PHLY管子层厚也没有受到损耗。因此，可以证明该种生物基聚酰胺能在高压下保持稳定，该种材料业也已投入商业应用。 其他管路系统 由于汽车被使用于不同的气候区域，因此必须能够抵御各种恶劣的天气条件。这就意味着，安装在机罩下面和底盘区域的聚合物管路系统也必须如此。例如，管子至少必须能够耐氯化锌（ZnCl2）腐蚀200个小时（依照SAE J844）。也就是说，管路必须能够耐冬季路面除雪盐腐蚀。PA1010和PA1012不但能够耐ZnCl2，而且还耐乙醇、电池酸液和燃油。这种内在的耐腐蚀性使得这两种生物基聚合物十分适用于燃油管路系统，特别是对管路要求比较高的柴油管路系统。 理想的平衡 生物基聚酰胺的一个主要优点是可以降低二氧化碳排放量。平均来说，生物基聚酰胺产生的排放量可以减少约50%。图4比较了各种聚酰胺从原材料到造粒的生产过程中排放的二氧化碳量。 此外，还有许多关于如何提高生物基聚酰胺在汽车领域中应用的想法。目前，正在进行几个专门应用的开发项目，这些项目旨在达到技术与生态目标理想平衡。其中一个项目就是使用多层管道技术，即通过一种组合，如PA12层与生物基聚酰胺层组合，可以达到期望（生态和技术）性能。 更轻？ 对于长链生物基聚酰胺来说，还有其非常出众的优点：与主要采用的常规聚酰胺相比，生物基聚酰胺的密度更低。这使得生物基长链尼龙材料在汽车轻量化的过程中起到了一定的贡献作用。(end)

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