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高透明度PMMA玻璃为汽车提供清晰视界
作者:赢创
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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), ...
聚合物具有重量轻和设计自由度大的优点,因此其在汽车行业的应用越来越广泛。它们从未被视作玻璃的理想材料,但是,由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的专用模塑料即将改变这一观点。

每一克汽车重量的减轻都意味着燃料的节省。这一简单的关系也是汽车制造商在部件生产过程中用轻质聚合物代替较重的金属或玻璃的主要原因之一。重量是传统动力汽车首要关注的问题,更是市场份额不断增长的电动汽车的关键要素。可持续发展至关重要,但是性能、功能和设计要求同样不能忽视。聚甲基丙烯酸甲酯是满足这些要求的聚合物之一。该材料目前已成熟地应用于多个汽车领域,如:它被用于制造坚固耐用的尾灯罩和不透明的附加车身部件。此外,它还在其他领域占据了越来越多的市场份额,如:环境照明和门槛饰条等内饰应用。长久以来被视为潜力巨大的一个领域是聚合物玻璃。

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现代i.oniq概念车的玻璃由创新的Plexiglas模塑料制成(图片来源:赢创)

这一观点的前提是,聚合物玻璃在许多方面都优于玻璃。例如:由Plexiglas(德国达姆施塔特的赢创工业股份有限公司生产的一种高透明度PMMA)制成的窗板不仅在重量上只有相同尺寸玻璃替代物的一半,而且提供良好的抗断裂性、抗气候性和舒适的音响效果。除此之外,PMMA玻璃还有一些其他特性:它为汽车设计师提供了增强空气动力设计和惊人外观(图1)的新思路。这一多功能性取决于将材料注塑成型为任意三维形状的易操作性。PMMA还是符合汽车功能集成化趋势的理想材料:未来,尾灯有可能集成到后车窗上,而车身顶盖也许能够视需要照亮汽车内部。集成了固定窗板、黑色立柱饰板和尾灯的模块已实现了批量生产。这类组合部件不仅通过减少单个部件的数量简化了生产和物流,而且打造出了比单独应用更统一的效果。功能集成的另一个优势是降低安装深度和成本。

出色的透明度——即使在极端温度条件下

Plexiglas目前已是一种标准的原型材料,并已应用于一些试点玻璃项目和小规模生产,但PMMA玻璃量产仍有很长的一段路要走。尽管如此,德国联邦汽车运输管理局仍授予了由冲击改性铸型Plexiglas制成的不同厚度的顶部、尾部和侧窗单片面板ECE R43认证。但是,由于这些铸型Plexiglas产品具有较高的分子量,它们无法用作模塑料来进行简单的热塑加工。

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图1 由Plexiglas制成的玻璃使设计师能够自由发挥其创造力

对它们而言,传统的冲击改性模塑料迄今为止仍不如玻璃的主要原因是,它们在极端低温或高温的条件下将不再透明并变得轻微模糊。这一结果由改性剂颗粒造成,其初衷是为又硬又脆的PMMA带来较高的冲击强度。颗粒和聚合物基质的折射率随着温度的变化而发生轻微变化。极端的温度变化凸显了折射率的差异,引起了内部光散射的变化,并导致模制件变得模糊不清。这一结果随温度而变化并且具有可逆性,因此更易于在铸型高分子PMMA制剂情况下进行控制。所有已知的冲击改性PMMA模塑料都证明了这一点。

目前,凭借一种全新的技术,赢创已研发出了名为Plexiglas Resist AG 100的PMMA玻璃模塑料。它不仅能够在极端温度条件下保持清晰透亮,而且不易磨损。这种全新的专用模塑料适用于所有热塑性加工,其性能特征也根据汽车行业的要求进行了优化。

在极端温度变化条件下保持清晰透亮并不是汽车制造商对玻璃光学性能的唯一要求:它还需要为驾驶员提供清晰的视界并不受任何反射光的干扰。这一要求对一些聚合物产生了困扰。例如:注塑成型的聚碳酸酯玻璃因应力双折射存在光学畸变的问题,这主要与材料本身的特性有关。相比之下,赢创最新的玻璃专用模塑料的分子结构具有非常低的应力双折射,相较于之前曾用于玻璃制造的热塑性塑料更胜一筹。

连续使用不易磨损

汽车玻璃不仅要具有视觉冲击力,同时还要坚固耐用。毕竟,汽车一直在连续使用并承受着各种压力。例如:在高速公路上,高速行驶的车辆抛起的细小的石块有可能会损坏玻璃,甚至在最坏的情况下将乘客的生命置于危险之中。最新的PMMA玻璃模塑料的却贝冲击强度是120千焦耳/平方米,几乎是标准的未改性PMMA的七倍。它不仅可以降低事故的风险,而且可以有效地保护车辆乘员,防止未经授权人员从外部进入车辆。玻璃必须不易破损,并且不易产生划痕。在所有热塑性塑料里,标准PMMA即使在未涂覆状态下也拥有最高的表面硬度。因为玻璃对耐刮擦性的要求特别高,Plexiglas在应用过程中也必须经过合适的涂装加工。但是,一步涂装的唯一目的是提高其良好的耐刮擦性。此外,与其他热塑性塑料不同,Plexiglas本身具备抗紫外线和防风化的特性,而非耐候性热塑性塑料则需要经过两步涂装加工。二次涂装赋予的耐候性不仅损害了涂层的机械性能,而且增加了涂层的成本。最新的Plexiglas Resist AG 100对应的一步涂装系统已通过这方面的测试并满足ECE R43要求。

增强的耐热性

对它们而言,上述性能并不足以使玻璃获得道路运输管理机构的批准,它们还需要满足各种要求。首要遵循的是审批程序,它因地区的不同而有所不同。玻璃在欧洲必须满足ECE R 43的要求,因为它被视作车辆的安全功能之一。由最新的Plexiglas模塑料制成的侧窗、尾部和顶部玻璃完全满足这些严格的要求。模塑料还通过了强制的耐热性试验,该试验测试了公路车辆专用聚合物在一定的温度范围内保持其原始形状的能力。毕竟,停放在外面的车辆的温度在某些情况下有可能超过80℃。最新的冲击改性PMMA模塑料的维卡软化温度是105℃——这一数字等同于传统的标准PMMA级别。

良好的流动性

除了提供对设计师来说至关重要的性能并通过监管机构审批,该材料还必须适用于高精度、低成本的零部件生产,即废品率要低。流动性是理想的加工性能之一(图2),因为它决定了玻璃窗板设计的范围。最新的PMMA模塑料的流变性能针对注塑成型进行了改造(图3)。因此,它可以像传统的未改性模塑料一样轻松地进行加工,如Plexiglas8N。针对世界各地一级汽车零部件供应商现有生产线的测试在周期时间、公差、注塑件质量等方面获得了可喜的结果,其废品率也非常低。

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图2 Plexiglas 8N水晶透明和Plexiglas Resist AG 100的流动行为比较

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图3 Plexiglas 8N水晶透明和Plexiglas Resist AG 100的粘度作为其在260℃时的剪切速率的函数

最新的PMMA汽车玻璃模塑料的另一大优势是生态平衡。汽车制造商不只是力争在使用阶段提高能源效率,他们还将生产条件纳入了车辆生态平衡的考量范围。按照ISO 14040标准执行的生态平衡认证对最新的PMMA模塑料的环境影响进行了评估和验证。此外,当汽车报废之时,Plexiglas还可以全部回收,并且理论上可以再次应用于玻璃制造。

展望:可持续的未来

实践证明,这些专为汽车行业定制的Plexiglas模塑料特性有助于PMMA玻璃实现量产。未来,该模塑料还有可能应用于车灯等汽车外饰。

总之,Plexiglas Resist AG 100模塑料可用于降低车辆的生产成本,因为它有利于进一步的功能集成和模块化并提供轻松的涂布性能。所以,除了减轻车重降低油耗之外,买家还可以期待着全新的汽车设计。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (4/21/2015)
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