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杜邦纤维增强尼龙轻量化及高强度解决方案
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玻璃纤维增强尼龙

杜邦(DuPont)一直投资于材料研发,并为不同的合作伙伴开发出令人兴奋的应用产品。宝马i8跑车就是这种投资类型的完美一例。宝马i8跑车新的谐振腔采用杜邦™Zytel® PLUS95G35玻璃纤维增强尼龙为原材料。这款谐振腔,由宝马集团、杜邦高性能材料公司和MANN+HUMMEL密切合作共同开发,降低了两个涡轮增压发动机的噪音,带来了更加愉快的驾驶体验。这种材料的轻质和高强度特性还利于减少燃料消耗和CO2 排放。

在不降低性能的同时减少排放的需要,是这种新应用的推动力。汽车制造商正在不断寻找替代品,以应对欧盟减少温室气体排放的目标,从而导致欧洲新车市场出现重大变化。目标要求在2021 年之前将车辆二氧化碳的排放量控制在95g/km以下的水准。

这些对环境政策的考虑,意味着在汽车行业有越来越多的成本效益的需求。易加工的热塑性塑料能够在车辆的整个寿命期间,可靠地承受发动机舱或汽车外部严格的要求。限制排放的方法之一是通过涡轮增压发动机——减少发动机油耗的同时保持原有的功率。然而,减少发动机尺寸的副作用是发动机中的热量增加,因此需要用于动力系统的工业元件,其在高热、苛刻化学环境中是耐用的。

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杜邦是第一个解决这种趋势的公司之一,Zytel® PLUS是同类产品中的第一个。Zytel® PLUS系列是该公司轻量化项目的一部分,通过这些产品,杜邦帮助制造商应对这些压力。杜邦相信轻量化技术可在降低结构重量的同时不会影响产品的耐用性和可持续性。这些材料已被证明具有多重优点,包括减少能量消耗、实现更好的设计,改进的可用性,以及用于复杂工业,如汽车行业的多功能属性。


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一直都在发展中的尼龙系列材料

Zytel® PLUS材料是原有尼龙系列材料的一部分。自1935年开发以来,该产品已成为杜邦公司产品系列的一部分。尼龙是业界最具适应性的材料之一,其在性能、成本和加工之间达到了良好的平衡——能够提高部件性能、延长部件寿命,在改善流动性的同时保持设计和加工性的易用性。25年以来,以玻璃纤维或矿物增强的尼龙6和66级材料具有耐热性和水解稳定,一直是汽车领域应用领域的首选材料。究其原因,是由于在原则上它们具有高的成本效率。与许多更昂贵的替代品,如专业尼龙46、6T和PPA或高性能热塑性树脂如PEEK、PSU相比,它们更易于加工,且具有韧性和耐冲击性。

Zytel® PLUS是最新级别的尼龙系列之一,可为苛刻的汽车发动机、传动系统和冷却应用提供更卓越的耐高温和耐化学性。Zytel® PLUS是一种高温塑料,可以抵抗热空气、热油和热水。它具有卓越的性能和出众的表面外观,同时结合了尼龙广为人知的高流动性和易加工性。Zytel® PLUS系列包括四种耐化学、耐热和耐油等级,可根据目标应用进行优化,尽管它更常见于汽车工业。

四种等级的Zytel® PLUS尼龙系列有:

Zytel® PLS95G35DH1 BK549是核心和高度通用的产品,由于其优异的性能,即使长期暴露于高达230℃的高空气温度下,仍具有非常好的表面质量,以及抗热发动机油和氯化钙溶液特性。

Zytel® PLS95G50DH2 BK 261是一种高流动性尼龙,玻璃纤维含量增加50%。它结合了非常好的抵抗高达210℃高温长期影响(短期峰值可高达230℃)的性能,在高温下的刚度和抗蠕变性增加,从而使其成为遮光罩的理想应用。

Zytel® PLS93G35 DH1 BK549能够提供224℃的低熔融温度(所有其他等级:约265℃),并且在暴露于热、油和化学品时能够保持良好的长期性能,具有非常好的焊缝强度和爆裂压力强度。

Zytel® PLS90G30DR BK099因其卓越的耐发动机冷却液和热水性而著称,是生产散热器末端水箱、恒温器外壳和其他与冷却液直接接触的组件的理想选择。

这些新的、耐高温尼龙,展示了其在很宽温度范围内优越的机械性能,是非常适合长距离流动及低壁厚度注塑,也为电气和电子元件、卫生设备或工业设施零部件的应用设计提供了新的视角。这些发展标志着尼龙的耐热性和耐化学性成功提升到了新的水平。它们的主要优点在于其低比重、高流动性,以及因此在低于其分解温度的中等温度下的易加工性被完全保留。


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优异的热管理


 利用基础材料和添加剂的精确组合能够提供多方面的益处,取决于应用目标,其满足抗性要求远远优于目前常用的尼龙(表1)。这种技术的效率最好通过两种热稳定的玻璃纤维增强PA66等级的显微镜图像来说明。显微切片所展示的是4毫米初始厚度的样品,已暴露于温度210℃下 1000小时。图像中显示了对传统稳定的PA66所造成的损害,下图则显示了使用新技术稳定的Zytel® PLUS尼龙等级。

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表1

在180℃的老化温度下,传统的稳定等级在3000小时后失去其拉伸强度的约一半(从210MPa 降低至105MPa)(相当于车辆行驶约150,000 公里),而PLUS 等级在相同温度下几乎没有劣化的迹象(表2)。在210℃的老化温度下的比较(其变得越来越成为汽车工业中的决定性因素)差异更加清楚。在这种情况下,标准级在约800小时后失去了其拉伸强度的一半,而PLUS级在其抗拉强度小于其初始值的一半之前耐受该温度超过3000小时。 在这个阶段,标准级几乎完全碳化。

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在断裂应变方面能够发现同样的趋势。在180℃时,传统稳定的级别在2000小时之后该性质已经达到其原始值的近一半,但新的ZSYL PLS95G35DH1 BK549尼龙即使在3,000小时后其断裂应变也几乎没有变化。在210℃的空气烘箱老化期间,传统稳定级的中间点位于刚好在700小时以下,而Zytel®PLUS 级在2000小时后才达到这一点,并且甚至在3000小时后仍然保持应变断裂率为1%(约为其原始值的1/3)。

Zytel® PLS95G35DH1 BK549是一种高流动性的核心产品,即使长期暴露于高达230℃的高空气温度下,也能显示出优异的性能。其具有非常好的表面质量和对热机油和氯化钙溶液的高耐受性。除了耐受高温的能力之外,它还能抵抗氯化钙(CaCl2,其例如在亚洲、俄罗斯和加拿大用作道路盐)。该材料用于汽车工业中具有显著的功能。


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在跑车中的应用

由于环境压力,汽车行业正在寻找替代材料,能够帮助他们减少车辆生产时间、总的系统成本,在符合排放目标的同时,而不会影响他们汽车的设计、风格和驾驶体验。为了满足这些关键目标,汽车制造商与杜邦公司在车辆材料、设计和加工技术方面进行专业合作,从车辆开发的最初阶段到成品车下线到制造商的装配线。这使得高性能材料,如Zytel®PLUS 95G35 的应用增加;并对发动机进行了改装。举例来说,在改变汽车发动机时,涡轮增压是能保持设计的同时提高小型发动机功率的重要部分。然而,来自这种发动机的较高频率噪声使得谐振腔成为涡轮增压车辆的基本组件。

涡轮增压的另一个副作用是使发动机的温度升高。发动机的性能提高,而与此同时,可用空间日益减少,这就减少了通过发动机舱的空气量,再结合包围发动机和整个底盘的包层,所有这些都会导致温度的增加,从150℃到 180℃以上,在某些情况下甚至达到230℃的峰值。

Zytel® PLUS 95G35提供了理想的特性,能够承受极端热量,同时满足大多数汽车制造商的设计要求。Zytel® PLUS 95G35谐振腔意味着降低了汽油发动机的噪音,提高了用户的驾驶体验。Zytel® PLUS是一种采用了杜邦独有的盾牌技术(SHIELD)的高性能尼龙,其长期耐高温和耐腐蚀流体性相当出众,是适用于发动机舱内的应用的理想选材。杜邦盾牌技术(SHIELD)技术结合了多项创新,包括全新的聚合物基体、聚合物改性技术和一系列特别添加剂,能将常规尼龙在高温及热油、汽车冷却液和融雪盐等腐蚀性化学物质环境下的使用寿命提高2-3倍。它是适用于空气减少的热稳定系统的理想选材。

宝马i8的谐振腔是跑车紧凑型1.5升3缸汽油发动机空气管理系统的一部分。宝马i8的谐振腔由于其自身的功能性特点,体积相对较大,经过壁厚的优化设计并采用高刚度、高强度等级的Zytel® PLUS之后,其重量仅为1.5公斤。选用了Zytel® PLUS的谐振腔可长时间承受-40℃至190℃的工作温度以及发动机热气体和液体环境。除了其热管理功能之外,其灵活性不限制汽车的设计。


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计算机辅助工程


 制造商们努力提升产品性能、提高生产效率,使用计算机辅助工程技术是他们价值链合作伙伴的另一个层次,可以优化材料选择、测试并改进制造方法、开发新材料和配方,从而满足汽车行业的需求。在测试的每一秒,都能够从资料中收集到数百万个数据点,为材料建模、验证和分析提供关键信息。

通过仔细聆听价值链合作伙伴的需求,杜邦已经增加了其材料开发和应用能力的深度和广度。计算机辅助工程是开发BMW i8谐振腔的关键。在过去的两三年中,杜邦公司通过使用线性和非线性数据(现在称为高级计算机辅助工程)拥有了计算机辅助工程的能力。高级计算机辅助工程是一种设计工具,通过对各向异性材料行为的精确建模,给予用户对增强材料产品更高的信心。

使用这种先进的技术帮助工程师开发产品,以更准确的方式预测产品或零件的性能。这减少了设计迭代的次数并缩短了用于固定谐振腔的最终设计的开发时间。

作为满足排放目标方案的最后期限,很明显,汽车行业的未来在于Zytel® PLUS等这些创新,Zytel® PLUS将常规尼龙树脂的易加工性与突破性的耐化学性、耐热空气、耐油和耐冷却剂相结合。汽车制造商甚至在某些部件,如谐振腔,不再考虑铝等材料。杜邦继续与制造商和一级供应商合作,利用计算机模拟设计技术确定轻质和高强度材料的市场需求。


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