汽车仪表板高分子材料选择与加工

2019-10-12

传统的汽车零部件均为钢或其他金属材质,随着汽车工业的发展迫切需要新型材料来代替钢材,以减轻车身重量、节能和减少乘坐人员伤亡,提高舒适和美观程度。近年来塑料工业的迅速发展为满足汽车工业的这种要求提供了可能,各种塑料功能件和内饰件不断被采用,其中作为内装饰件的汽车仪表板是塑料在汽车内应用的最大领域。 


汽车仪表板位于驾驶员正前方,通常包含汽车仪表板本体(壳体)、仪表、空调控制系统、风道/风管、出风口、操作面板、开关、音响控制系统、除霜器、除雾器、手套箱、左盖板、饰板等零件。大部分汽车仪表板还包含:储物盒、驾驶员侧手套箱、扬声器等饰件和时钟、金属加强件、烟灰盒、点烟器、杯托等功能性零件;部分中高档汽车设计有卫星导航系统、手机对讲系统、温度传感系统等高端产品。 


汽车仪表板在汽车中的空间位置得天独厚,使越来越多的操作功能分布其中,除反映汽车行驶基本状态外,对风口、音响、空调、灯光等控制也给予行车更多的安全和驾驶乐趣。因此,在汽车中,汽车仪表板是非常独特的集安全性、功能性、舒适性与装饰性于一身的部件。随着人们对车的理解越来越超出其功能,对汽车仪表板的手感、皮纹、色泽、色调也逐渐成为评判整车层级的重要标准。 2、零件的工作条件、失效方式及性能要求 


汽车仪表板处在高速和振动的条件下工作,且经常与人体、物体接触,经常日晒,温差大。失效方式主要为表面磨损、表面腐蚀和受到撞击时带来的变形。关于性能要求,首先,它需要有一定的刚性以支撑所附的零件在高速和振动的状态下保持正常工作,同时又需要有较好的吸收性使其发生意外时减少外力对正、副驾驶员的冲击。另外,还需要材料尽量没有味道且不易燃烧,无毒或低毒。且对表皮的老化性能、热性能、拉伸性能的要求较高。 


性能要求总结: 

1、有足够的强度刚度,能承受仪表、管路和杂物等的负荷,能抵抗一定的冲击。 

2、有良好的尺寸稳定性,在太阳光辐射和发动机余热的高温下不变形,不失效,不影响各仪表的精确度。 

3、有适当的装饰性,格调优雅,反光度低,給人以宁静舒适的感觉。 

4、耐久性, 耐冷热,冲击,耐光照,使用寿命十年以上。

5、制造汽车仪表板的主要原料与辅助材料均不得含镉等对人体有害的物质。 

6、不允许长生使窗玻璃模糊的挥发物,应有适当的装饰性,反光度低。 

7、软质表皮在常温下破损时,应韧性断裂, 不应脆性断裂,即要求制品破损时不允许出现尖状锐角。 

8、耐汽油、柴油和汗液的腐蚀。

3、零件材料的初步选择 

汽车仪表板相对汽车内部运作的零件来说是裸露的,对于选择的材料,不仅有必要的性能要求,还需要必要的外观要求、手感及无味无毒的要求,这就对材料的选择提供了较为严格的标准。 

目前汽车上使用的仪表板分为硬质仪表板和软质仪表板。随着轿车上安全气囊的安装,软质仪表板已失去安全性的要求,且软质仪表板由3 种以上的材料构成,材料再生利用非常困难。因此只要外观质量得到解决,采用低成本的硬质仪表板完全可行。 

通过对汽车仪表板工作条件及所需材料性能诸多情况的分析。初步选择聚氯乙烯PVC和ABS树脂。 

对所选材料有如下考虑,首先市场上要有大量的公司供应,价格相对较低,且能基本满足汽车仪表板的性能要求初步确定这两种材料。 

4、候选材料的具体分析 

4.1聚氯乙烯 

这种材料的结构如下:[ ―CH2 ―CHCl― ]n ,碳原子为锯齿形排列,所有原子均以σ键相连。所有碳原子均为sp3杂化。 

PVC是无毒无臭的白色粉末。PVC塑料的密度为1.40g/cm3,玻璃化温度87℃,熔点160-212℃。 

PVC塑料的力学性能取决于聚合物的相对分子质量、增塑剂及填料的含量。一般情况下,填料含量增加,其拉伸强度降低。未加增塑剂的PVC是硬质塑料,填加增塑剂后,柔软性、伸长率、耐寒性增加,玻璃化温度、脆性、硬度、拉伸强度等均降低。 

PVC在65-85℃开始软化,170℃以上成黏流状态,140℃即开始少量分解,随温度升高分解速度增加,190℃以上大量放出HCL气体。PVC的含氯量高达56%,因而具有阻燃性和自熄性;而且具有良好的介电性能,是优良的电绝缘材料。此外,PVC是一种热稳定性较差的聚合物,在光和热的作用下能逐渐分解放出HCl,同时在力、氧、臭氧、氯化氰以及某些活性金属(如铜、锌等)离子存在下,使降解速度大大加快。  

PVC脱除HCl后在主链上形成共轭双键,树脂的颜色发生变化。由于PVC热分解时放出HCl,而放出的HCl又对PVC的降解起催化作用,进一步加快其降解速度,因此,往往要加入某些碱性物质作为稳定剂,以防止PVC热降解。 尽管如此,PVC的熔体流动性仍然较差,需要较大的注射压力,同时为避免出现熔体破裂现象,在成型中宜选用低速注射。 

PVC吸水性较小,通常在0.1%以下,对要求不高的制品,成型前可不干燥。 为减少PVC加工过程中分解出的HCl气体对设备和模具的腐蚀,设备和模具必须选择防腐的金属材料,并做好相应的防腐工作。 

聚氯乙烯为热塑性,通常的聚乙烯,包括高低压聚乙烯属于典型的热塑性塑料,加了交联剂的聚乙烯交联反应后会变成热固性塑料。 4.2 ABS树脂 

ABS树脂是指丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,是微黄色固体,有一定的韧性,密度约为1.04~1.06 g/cm3。它抗酸、碱、盐的腐蚀能力比较强,也可在一定程度上耐受有机溶剂溶解。它的分子式可以写为(C8H8)x2(C4H6)y2(C3H3N)z,但实际上往往是含丁二烯的接枝共聚物与丙烯腈-苯乙烯共聚物的混合物,其中,丙烯腈占15%~35%,丁二烯占5%~30%,苯乙烯占40%~60%,最常见的比例是A:B:S=20:30:50,此时ABS树脂熔点为175℃。 

ABS树脂不透明、着色性好、无毒无味、不透水、略透水蒸气、吸水率低,不易燃烧。ABS树脂有极为优良的抗冲击强度,在低温下也不会迅速下降。也有较好的抗蠕变性能和耐磨性。且它的电性能在较大的频率变化范围内很稳定,温度、湿度对其电性能影响小。ABS树脂对水、无机盐、碱和酸类几乎无影响。 

ABS树脂加热到150℃时可熔化,故ABS树脂为热塑性。 5、候选材料成形或加工方法 5.1聚氯乙烯 

聚氯乙烯采用的是搪塑工艺,搪塑工艺是当前一项成熟并使用广泛的成型工艺,其加工成型工艺简单,是目前应用最广的工艺。搪塑又称为涂凝成型。它是用糊塑料制造空心软质制品(如玩具)的一种重要方法。模塑时将塑料糊倒入开口的中空模内,直至达到规定的容量。模具在装料前或装料后应进行加热,以便使物料在模具内壁变成凝胶。当凝胶达到预定厚度时,倒出过量的液体物料,并再行加热使之熔融,冷却后即可自模内剥出制品。搪塑的优点是设备费用低,生产速度高,工艺控制简单,但制品的厚度、质(重)量等的准确性较差。 

影响制件特性的因素影响制件特性的因素影响制件特性的因素影响制件特性的因素有(1)成型料温。(2)流道的大小而产生磨察热的大小。(3)浇口的位置及大小。(4)添加剂的选择及添加量。(5)冷料穴的位置及大小。(6)排气槽的位置及大小。(7)产品的壁厚。 

选用注塑机时的要求选用注塑机时的要求选用注塑机时的要求选用注塑机时的要求有(1)只能选用螺杆式注塑机,不能选用柱塞式注塑机。(2)所有与PVC塑料接触的部分,不允许对塑化熔体产生任何黏附或滞留;由于HCl的作用,要求这些部位耐磨、耐腐蚀。最好选用耐磨耐腐蚀材质制造的设备,或选用对这些部件进行镀铬或氮化处理的设备。(3)设备的温度控制系统应指标明确,反映灵敏。(4)螺杆的长径比可小,螺杆头部呈尖头;螺杆的压缩比为2-2.5,螺杆的三段长度可分别设置为40%,40%和20%。(5)选用孔径较大的通用喷嘴,并配有加热控温装置。(6)电热系统采用闭回路控制,严格控制料温的上下偏差,建议料温控制在±15℃,射嘴有独立温控系统。(7)料管组应具有一定的冷却装置,建议在料管组增加风扇均衡料管组的温度。(8)料管尽可能避免在加料及射出时产生摩擦热,如尖角,突变等现象。(9)料管尽可能避免积料死角,每次射出成型须控制积料尽可能少。(10)射嘴采用敞开式,不建议采用止逆阀。(11)每次射出应尽可能将射嘴处的余料带出,建议采用如图示射嘴。(12)杆的规格应选用:硬质PVC属热敏性塑料,其细长比建议选择17~18,螺杆,射嘴,需选用防腐蚀材料进行相关的处理 


注意事项有(1)掌握好清洗料筒的技术,如料筒中原来有POM等热敏性塑料时,应采用间接换料法清洗料筒。(2)在料筒升温过程中,应密切注意升温情况,当温度达到工艺要求时,须及时开动注塑机,进行对空注射,而不可以在料筒内恒温一段时间。(3)对空注出的料是光亮明洁的,说明塑化良好,可投入正常生产。(4)成型时,前后的成型周期应尽可能一致,注塑机油路系统的温度应保持恒定。(5)停机时,应先将料筒内的料全部排完,并用PE或PS等及时清洗料筒。(6)成型过程中,应保持室内通风良好,确保人身安全。 5.2 ABS树脂 

ABS通称丙烯腈丁二烯苯乙烯,是由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三种单体共聚而成。由于三种单体的比例不同,可有不同性能和熔融温度,流动性能的ABS如与其它塑料或添加剂共混,则更可扩大至不同用途和性能的ABS,如抗冲级、耐热级、阻燃级、透明级、增强级、电镀级等。 

ABS的流动性介于PS与PC之间,其流动性与注射温度和压力都有关系,其中注射压力的影响稍大,因此成型时常采用较高的注射压力以降低熔体粘度,提高充模性能。 

1、塑料的处理   ABS的吸水率大约为0.2%-0.8%,对于一般级别的ABS,加工前用烘箱以80-85℃烘2-4小时或用干燥料斗以80℃烘1-2小时。对于含PC组份的耐热级ABS,烘干温度适当调高至100℃,具体烘干时间可用对空挤出来确定。再生料的使用比例不能超过30%,电镀级ABS不能使用再生料。 

2、注塑机选用   可选用华美达的标准注塑机(螺杆长径比20:1,压缩比大于2,注射压力大于1500bar)。如果采用色母粒或制品外观要求料高,可选用小一级直径的螺杆。锁模力按照4700-6200t/m2来确定,具体需根据塑料等级和制品要求而定。 

3、模具及浇口设计   模具温度可设为60-65℃。流道直径6-8mm。浇口宽

约3mm,厚度与制品一样,浇口长度要小于1mm。排气孔宽4-6mm,厚0.025-0.05mm。         

4、熔胶温度   可用对空注射法准确判定。等级不同,熔胶温度亦不同,建议设定如下:抗冲级:220℃-260℃,以250℃为佳;电镀级:250℃-275℃,以270℃为佳;耐热级:240℃-280℃,以265℃-270℃为佳;阻燃级:200℃-240℃,以220℃-230℃为佳;透明级:230℃-260℃,以245℃为佳;玻纤增强级:230℃-270℃。对于表面要求高的制品,采用较高的熔胶温度和模温。 

5、注射速度   防火级要用慢速,耐热级用快速。如制品表面要求较高,则要用高速及多级注塑的射速控制。 

6、背压   一般情况下背压越低越好,常用的背压是5bar,染色料需用较高的背压以使混色均匀。 

7、滞留时间   在265℃的温度下,ABS在熔胶筒内滞留时间最多不能超过5-6分钟。阻燃时间更短,如需停机,应先把设定温度低至100℃,再用通用级ABS清理熔胶筒。清理后的混合料要放入冷水中以防止进一步分解。如需从其它塑料改打ABS料,则要先用PS、PMMA或PE清理熔胶筒。有些ABS制品在刚脱模时并无问题,过一段时间后才会有变色,这可能是过热或塑料在熔胶筒停留时间过长引起的。 

8、制品的后处理   一般ABS制品不需后处理,只有电镀级制品需经烘烤(70-80℃,2-4小时)以钝化表面痕迹,并且需电镀的制品不能使用脱模剂,制品取出后要立即包装。 

9、成型时要特别注意的事项   有几种等级的ABS(特别是阻燃级),在塑化后其熔体对螺杆表面的附着力很大,时间长后会分解。当出现上述情况时,需要把螺杆均化段和压缩拉出擦试,并定期用PS等清理螺杆。 

6、零件材料的确定 


   这里主要从使用性能、工艺性能、经济性、可靠性、环境影响进行判断。 聚氯乙烯机械强度高,电性能优良,对酸碱抵抗力极强,化学稳定性很好,基本满足汽车仪表板的材料性能要求,即使用性能和可靠性较好。而且现在市场上生产聚氯乙烯的公司较多,使用此材料成本较低,这是经济性。聚氯乙烯的最大特点是阻燃,被广泛用于防火应用。因此把此材料作为汽车仪表板的候选材料之一。 

但是聚氯乙烯在燃烧过程中会释放出氯化氢和其他有毒气体,例如二恶英。对环境有不利影响。聚氯乙烯的热稳定性较差,长时间加热会导致分解,放出HCL气体,使聚氯乙烯变色,所以其应用范围较窄,使用温度一般在-15-55度之间。市场上PVC产品鱼龙混杂,一些小企业使用铅盐做稳定剂,很难达到相关卫生标准。硬质聚氯乙烯主要缺点是热稳定性差,受热引起不同程度的降解。 

ABS树脂是丙烯腈(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)三种单体的共聚物,ABS树脂保持了苯乙烯的优良电性能和易加工成型性,又增加了弹性、强度(丁二烯的特性)、耐热和耐腐蚀性(丙烯腈的优良性能),且表面硬度高、耐化学性好,同时通过改变上述三种组分的比例,可改变ABS的各种性能,故ABS工程塑料具有广泛用途,主要用于机械、电气、纺织、汽车和造船等工业。 

突出特点有:

1、综合性能较好,冲击强度较高,化学稳定性,电性能良好。

2、与372有机玻璃的熔接性良好,制成双色塑件,且可表面镀铬,喷漆处理。

3、有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别。

4、流动性比HIPS差一点,比PMMA、PC等好,柔韧性好。

 

用途:适于制作一般机械零件,减磨耐磨零件,传动零件和电讯零件。成型特性:1、无定形料,流动性中等,吸湿大,必须充分干燥,表面要求光泽的塑件须长时间预热干燥80-90度,3小时。2、宜取高料温,高模温,但料温过高易分解(分解温度为>270度)。对精度较高的塑件,模温宜取50-60度,对高光泽.耐热塑件,模温宜取60-80度。

3、如需解决夹水纹,需提高材料的流动性,采取高料温、高模温,或者改变入水位等方法。

4、如成形耐热级或阻燃级材料,生产3-7天后模具表面会残存塑料分解物,导致模具表面发亮,需对模具及时进行清理,同时模具表面需增加排气位置 

ABS树脂在市场上生产厂家较多,价格相对便宜,工艺也相对成熟。 综上所述,选择ABS树脂作为生产汽车仪表板的主要材料。 7、提高所选材料性能的途径 


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