低密度SMC:化学创造更美好生活

  • 发布:2017/6/19 9:06:23
  • 来源:Peggy MalnatiPT现代塑料

(原标题:为雪佛兰“瘦身”的SMC,还可在高产量应用中提供比铝低的单位成本 )

归功于一种被称作“TCA Ultra Lite”(其中TCA代表“tough Class A”)的低密度片状模塑料(SMC),通用汽车公司2016雪佛兰·克尔维特(Chevrolet Corvette)跑车的车身板重量减轻了9kg(相比原来的SMC部件)。

这种新型SMC由大陆结构塑料公司(简称“CSP”)配制并负责成型。凭借1.2的比重,该材料比CSP中等密度的“TCA Lite”SMC(比重1.6)减轻了28%的重量,比传统SMC(比重1.9)减轻了43%的重量。

除具有与TCA Lite相媲美的力学性能外,TCA Ultra Lite还实现了与油漆和粘合剂的更佳粘接。

自2015年夏季开始,克尔维特(Corvette)跑车上除引擎盖和车顶这两个由环氧碳纤维模塑成型的部件外,其他所有的外饰车身板均由TCA Ultra Lite取代TCA Lite制成。

在材料切换过程中,既不需要调整模具工装和加工工艺,也无需改变部件的厚度。

根据克尔维特(Corvette)车型的不同,由TCA Ultra Lite SMC制成的车身板组件共有21种,包括车门、行李箱盖、门围、后侧围板、挡泥板及双门跑车的顶板梁等。

然而,这种低密度SMC的成功还不止于此!

针对所有产量的汽车生产

TCA Ultra Lite都能提供成本低于铝的竞争优势

CSP做的生命周期分析表明

即使35万~40万辆的汽车年产量

采用TCA Ultra Lite材料的单个部件成本依然低于铝

不可否认,这是SMC的一项突破性进步!

为此,CSP耗费了5年的时间投入这项研究。

一起来看看都发生了哪些有趣的故事!

铝是真正的竞争者

通常情况下,与钢和铝相比,SMC具有如下优势:

➤ 在规格相当的几何结构对比中,SMC比金属轻40%;

➤ 具有更好的高、低速冲击性能;

➤ 不生锈、不腐蚀,因而无需防腐处理;

➤ 具有良好的热稳定性和化学稳定性,可经受电泳(e-coat)沉积工艺;

➤ 设计灵活性更大(特别是与铝相比),令复合曲线表面的成型既方便、便宜又具有可重复性。

➤ 部件整合能力强,可以将多个子部件整合成型为单个复杂的SMC部件,减少了模具数量及模后组装操作。

虽然如此,但在替代金属的应用中,成本依然是汽车OEMs重点考量的要素之一。

在中、低产量的生产中,SMC具有较明显的成本优势:

比如每年不到15万件的产量,

SMC部件通常要比钢或铝部件节省50%~70%的模具成本。

但是,在更高产量下,与金属相比,SMC不占成本优势,这是因为:

➤ SMC的原材料成本在更高产量下显得比金属更高;

➤ 较慢的生产节拍,意味着SMC的成型商们必须增加模具和设备的数量,才能以更高的产量保持竞争力。

因此,当CSP的研究人员着手研发TCA Ultra Lite时,一个非常明确的目标是:寻求一种方法,以使SMC在任何产量下都能提供优于铝的成本优势。

为了实现SMC对铝的低成本替代,CSP的研究人员将研究重点放在了解决材料的比重问题上,他们的目标是开发出比重只有1.2的SMC材料。

化学是关键

通常,SMC由树脂、玻璃纤维、矿物填料和添加剂组成。从基础着手,CSP的研究人员分析了每一种组分能为比重的减小做出的贡献。

为减小密度,CSP首先采用一种空心玻璃微珠取代了一定百分比的传统CaCO3填料。

然而,在配混或成型过程中,这种微珠易被压碎,结果导致力学性能下降,密度上升。

于是,CSP的研究人员开始混配新的配方,成型并测试部件,然后对样品切片,并利用一台先进的扫描电子显微镜(SEM)观察其形态,以试验并理解他们所看到的结构与他们正在测试的性能以及正在调整的化学组分之间有何关联。

通过观察,他们从3个方面获得了解决方案,同时还获得了用于提高树脂/增强材料界面粘接性的多种不同方法。

首先,他们了解了多种类型的微珠,最终采用了3M公司的玻璃微珠。

这种微珠更硬、性能更好,拥有更高的抗压强度,而在此前,它不曾与不饱和聚酯树脂一起被用于汽车复合材料领域。

其次,他们采用了由CSP自己的研究人员开发并获得了专利的一种专有浸润剂来增强树脂/微珠之间的粘接性。

这种浸润剂配方发生作用的机理,是用于不饱和聚酯和乙烯基酯的自由基反应机理。与传统浸润剂相比,不仅性能差距明显,而且在SEM图像上清晰可见。

研究人员在深入研究树脂/微珠界面的化学与物理属性时发现,某些SMC部件上油漆的长期附着力问题,并非人们所假设的那样,是由油漆与复合材料表面之间不良的粘接引起的。

对油漆已经剥落的部件表面进行SEM扫描显示,不只是油漆,而且复合材料树脂基体的整个上层,都已从微珠表面剥离。

CSP公司的研究人员发现,他们为增强树脂/微珠界面的粘接性所做的工作,不仅以更低的密度达到或超过了目标的力学性能,而且为SMC与油漆和粘合剂之间实现良好的粘接带来了额外的优势。

第三,研究人员重新审视了他们的玻璃纤维无捻粗纱选项,最终选择了欧文斯科宁的ME1975玻璃纤维合股纱。

这是欧文斯科宁专门针对高强度和耐腐蚀的、采用不饱和聚酯的SMC应用而全新配制的玻璃纤维材料。

这种无碱玻璃纤维的表面化学属性,还为改善表面光洁度和力学性能作出了重要贡献。

新的探索

虽然TCA Ultra Lite的首个商业化应用是喷涂的A级表面车身板,但CSP表示,它同样适用于结构部件。

除此之外,目前CSP正在探索研究碳纤维增强SMC、碳纤维复合材料预浸料以及适合RTM成型的碳纤维材料等新的配方。

研究的重点在于:

➤ 减少废料;

➤ 探索对玻璃纤维/碳纤维混合增强材料系统进行最有效利用的方法;

➤ 寻找一种碳平衡的方法(即不用燃烧即可回收纤维),以从废弃部件中回收碳纤维。

关键词:

低密度SMC

[责任编辑:吕洪波]

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