尼龙66: 应用于高温场合的最新进展

作者：兰蒂奇工程塑料 Erico Spini

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), ... 使用一种新型的专利技术，兰蒂奇的科研人员已经开发出适用于高于170℃，甚至达到220℃条件下的增强阻燃PA66产品。 介绍 聚酰胺是一种在高端技术领域得到最成功应用的聚合物。在过去的25年里，我们见证了在不同的行业和应用中使用聚酰胺或者尼龙来取代金属和热固性材料。 众所周知，尼龙由于其优异的耐热性能，是高温应用场合的首选材料。然而，在汽车行业，伴随着内燃机不断向高动力、小型化方向发展以满足更局促的空间，随之而来的是工作温度进一步升高，这就导致传统热稳定型的聚酰胺材料已经无法满足。 现在，电子行业的许多应用中也提出了高耐热要求。这一点只要看看UL1446标准中关于零部件必须要满足不同的绝缘等级就明白了；标准中根据材料的最高可允许的工作温度将其分成了不同的等级。 为了满足这些更苛刻的要求，聚酰胺的生产厂家开发了一系列特殊的产品，譬如半芳香聚酰胺和脂肪族聚酰胺46（PA46）。一些玻纤增强的PA66产品也被开发出来满足长期在200-210度空气环境下工作需要。与传统的热稳定型PA66产品相比，这些PA66产品具有好得多的耐热性能。本文中，我们主要回顾一下兰蒂奇公司使用一种新型热保护技术开发的部分这种特殊材料的技术特点和性能，其中包括35%玻纤增强的注塑级产品和15%玻纤增强的吹塑级产品，最后还介绍了一种兼备了耐热性和阻燃性双重性能的产品。 内燃机的变革及其对高性能聚合物提出的应用需求 图1是涡轮增压发动机的示意图。涡轮增压首先是应用在柴油发动机上，但是随后它们在汽油发动机上得到了越来越广泛的应用。在没有显著降低动力输出的前提下涡轮增压现在是缩减发动机尺寸的最快最有效的方式。尾气推动涡轮，进而激活压缩机来压缩空气。压缩空气然后通过导管输送到中冷器。中冷器降低了空气温度以后，通过另外的管路将其输送至发动机。 输送压缩空气到热交换器（中冷器）的管路温度可以达到230℃。 现在，这些管路主要由金属材料制成主体，两端是橡胶套管。伴随着汽车减重需求的不断增长以及高耐热塑料的不断出现，使得越来越多类似应用中的金属材料被取代，至少在长期工作温度不高于230℃的场合。 目前，类似应用的部件主要通过以下两种工艺来制备，但是不管哪一种都需要特别设计的材料： ● 吹塑，特别是尺寸比较复杂的部件； ● 注塑，然后是振动焊接 涡轮增压系统另外一个典型的应用是中冷器的端盖。由于高的热负载，中冷器端盖需要更高的耐温性能。对于这些部件，一般采用特种聚合物，如半芳香聚酰胺，PA46以及PPS。然而，在使用温度不超过210℃的场合，可以考虑采用注塑成型级别的高耐热的PA66。对于将气体从热交换器输送到发动机的管路来说一般都是采用聚合物材料制备的。这些管路的温度通常不超过160℃，因此可以采用玻纤增强的吹塑级的PA6。 性能比较 本文中选用的所有数据都是由兰蒂奇塑料研发实验室测试提供的。这儿我们采用HHR（高耐热）来定义改进耐热性能的聚酰胺，采用HS（热稳定）来定义一般耐热的PA66产品。一般的热稳定性可以通过加入一些无机热稳定剂来实现。 图2和图3展示的是35%玻纤增强的注塑级材料在210℃温度下，空气中2000小时的老化过程中力学性能随时间变化趋势。 表1中并列展示两种材料的测试数据以便于比较。在210℃空气环境下经过2000小时的热老化后，热稳定（HS）的PA66-GF35样品显示出完整的炭化截面，残留性能数值实际已经是零。相比而言，HHR级别尽管无缺口冲击强度有明显降低，但是表面只是轻微的分解。 其它残留数值高于初始值的50%多。 图4和图5是PA66-GF35-HHR同已经被广泛使用于高温场合的热稳定的PPA-GF35的对比图。针对这两个材料，做了一个2000小时，200℃的老化试验。PA66-GF35-HHR可以采用典型的PA66注塑工艺来成型，例如，熔融温度在280℃到300℃之间，模温在80-90℃。不像其他的特种聚合物，没有必要把模温设置的超过100℃。 表2给出了在200℃空气下，2000小时的热老化后两种材料的力学性能保持率。我们可以看出，在这个温度下，RADILON A RV350HHR的性能略好于PPA-GF35。 我们也针对吹塑级别的，15%玻纤增强的HHR级别在210℃下进行了1500小时老化测试。图6和图7是15%玻纤增强的热稳定（HS）吹塑级别的PA66同专门开发的具有优异耐热性能的吹塑级材料，RADILON A BMV 150 HHR的对比图。图8是一个800mm长的涡轮歧管，它是有采用比较吸附技术吹塑而成的。图中可以看出，这个产品有一个90°的弯角和波纹结构来增加柔韧性。杰出的熔体强度和口模胀大系数为制备一定长度的复杂产品提供的了保证。 HHR技术也被成功的应用于阻燃产品。这个案例落在了RADIFLAM A RV150 HHR AF, 一种15%玻纤增强的产品。技术指标如下：在170℃下老化1000小时后，力学性能损失不超过35%，阻燃性能没有变化，更严格的讲，0.8mm厚的试片在170℃经过3000小时老化后保持了UL94的V0阻燃等级。表4对RADIFLAM A RV150 HHR AF 和一般热稳定的同等PA66产品进行了对比。 结论 在最苛刻的操作条件下使用塑料取代金属的需要在不断的增长，这对于材料供应商来说是个挑战。在过去的24年里，在一些甚至需要耐高热应力的场合，用非金属材料来取代金属和轻质合金，聚酰胺材料表现的比其它任何材料都要优越。在设计者过去都没有考虑过的领域使用工程塑料的另外一个推动力是要用更轻的材料来满足环境可持续发展。 工程材料的最大的挑战在于如何满足持续使用温度的绝对值以及在苛刻条件下暴露的时间。另外，价格是必须要考虑的因素，它不能超过竞争材料的价格。综上所述，在众多耐高温材料中，聚酰胺材料是在正确的方向走了重要的一步。的确，它能够完全满足很多这种应用要求。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/10/2013)