陶永亮,黃登懿,陳 曦

(1.重慶川儀工程塑料有限公司,重慶 400712；2.四川長(zhǎng)虹模塑科技有限公司,四川綿陽(yáng) 621000；3.重慶哥爾摩科技有限公司,重慶 401336)

0 前言

當(dāng)今汽車工業(yè)飛速發(fā)展，塑料材料替代各種有色金屬、合金鋼材在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用是未來(lái)汽車輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。日本、美國(guó)和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的每輛轎車平均使用塑料已經(jīng)超過(guò)100 kg，占汽車總質(zhì)量的8%。目前，中國(guó)每輛汽車平均使用塑料70 kg，占汽車總質(zhì)量的6%。塑料材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用使得汽車零部件等的設(shè)計(jì)可以更加靈活，同時(shí)可以降低零部件加工、裝配和維修費(fèi)用。采用塑料材料生產(chǎn)汽車車身和零部件也是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、節(jié)能化的有效途徑之一。筆者通過(guò)對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯-苯乙烯-丙烯腈三元共聚物(PMMA/ASA)合金材料的介紹,以及PMMA/ASA合金材料在汽車零件中的應(yīng)用實(shí)例，展望PMMA/ASA合金材料應(yīng)用范圍的延伸。

1 合金材料介紹

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗稱有機(jī)玻璃、亞克力，具有極佳的透光性能和力學(xué)性能，優(yōu)異的耐老化性和耐候性，化學(xué)性能穩(wěn)定，能耐低濃度的酸、堿等一般化學(xué)腐蝕。但PMMA性脆，落錘沖擊性能較差，尤其是低溫沖擊性能差[1]。在汽車領(lǐng)域，PMMA樹脂可應(yīng)用在窗玻璃、罩蓋、儀表玻璃、車燈、標(biāo)牌等部件。

丙烯酸丁酯-苯乙烯-丙烯腈三元共聚物(ASA)具有與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)相似的結(jié)構(gòu)與性能，但ABS中含有殘留雙鍵，使其耐候性降低，而ASA用丙烯酸丁酯替代丁二烯，不存在殘留雙鍵，從而使ASA樹脂的耐候性顯著優(yōu)于ABS樹脂[2]。ASA樹脂具有良好的抗沖擊性能、著色性、耐化學(xué)品性，但缺點(diǎn)是表面硬度不夠高，耐劃傷性、耐刮擦性差。ASA樹脂在汽車上的應(yīng)用主要在外飾件，如格柵、三角塊、立柱板等。目前，汽車外飾件高光澤的表面效果已經(jīng)成為一種時(shí)尚，通過(guò)直接注塑難以實(shí)現(xiàn)，需要在汽車外飾件上進(jìn)行噴涂工藝，從而提高了生產(chǎn)成本并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。

PMMA溶解度參數(shù)9.0～9.5(J/cm3)1/2與ASA溶解度參數(shù)9.6～9.8(J/cm3)1/2[3]很相近。兩種材料有相容性較好的實(shí)際情況，將PMMA和ASA按不同比例通過(guò)熔融共混的方式制成PMMA/ASA合金高光澤耐候免噴涂的材料。

1.1 耐候性

原材料體系中ASA和PMMA均具有良好的耐候性。ASA用不含不飽和雙鍵的丙烯酸橡膠替代了ABS中含有不飽和雙鍵的丁二烯橡膠，使其抗老化性能顯著優(yōu)于ABS。ASA制品不用表面防護(hù)，可直接戶外使用，在日光下暴曬9～15個(gè)月，沖擊強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率幾乎沒有下降，顏色也幾乎沒有變化。PMMA具有優(yōu)異的耐候性，據(jù)相關(guān)測(cè)試，其試樣經(jīng)4 a自然老化試驗(yàn)，質(zhì)量、拉伸強(qiáng)度、透光率略有下降，色澤略有泛黃，抗銀紋性下降較明顯，沖擊強(qiáng)度還略有提高，其他物理性能幾乎未變化[4]。

按照SAEJ 2527—2004 《受輻射氙弧裝置加速照射汽車外部材料的性能標(biāo)準(zhǔn)》中的測(cè)試條件進(jìn)行PMMA/ASA制件耐候性測(cè)試：在340 nm條件下輻照度為0.55 W/(m2·nm)(輻射強(qiáng)度，設(shè)備默認(rèn)發(fā)光)；暴露總能量為2 500 kJ/m2；試驗(yàn)總時(shí)間為1 894 h。測(cè)試出來(lái)的結(jié)果(色差△E)為0.56、0.66、0.69，符合耐候要求。

1.2 耐老化性

PMMA/ASA制件按照J(rèn)T1-9902—2013《汽車外飾塑料零件通用技術(shù)條件》中的測(cè)驗(yàn)試條件進(jìn)行高低溫循環(huán)和耐熱老化試驗(yàn)[5]，試驗(yàn)條件見表1。試驗(yàn)結(jié)果為PMMA/ASA制件外觀無(wú)明顯變化，無(wú)影響功能的缺陷。

表1 高低溫循環(huán)、耐熱老化試驗(yàn)條件

1.3 低溫韌性

PMMA/ASA制件按照QZTB 03.044—2011《落球沖擊試驗(yàn)》中的測(cè)試條件進(jìn)行低溫落球沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見表2。試驗(yàn)結(jié)果為PMMA/ASA制件無(wú)開裂。

表2 低溫落球沖擊試驗(yàn)條件

1.4 耐刮擦性

PMMA/ASA制件采用刮擦試驗(yàn)方法[6]測(cè)試其耐刮擦性。按五指刮擦試驗(yàn)法的具體要求，選擇3組對(duì)材料樣件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見表3。

表3 PMMA/ASA制件刮擦試驗(yàn)情況

PMMA/ASA制件依據(jù)GB/T 19089—2003《橡膠或塑料涂覆織物 耐磨性的測(cè)定 馬丁代爾法》中要求：在光澤度65以上進(jìn)行耐刮擦測(cè)試，測(cè)試后要求光澤殘留率達(dá)到12%以上。對(duì)PMMA/ASA制件測(cè)量光澤殘留率為32.7%，完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

PMMA/ASA制件依據(jù)Q/YX 06.73—2015《乘用車塑料內(nèi)飾件耐刮擦試驗(yàn)方法》十字刮擦法，采用電動(dòng)劃格儀測(cè)試立柱飾板的抗刮傷性能，試驗(yàn)加載力10 N，十字刮擦值標(biāo)準(zhǔn)為刮擦痕跡變化量△L≤ 2，視覺測(cè)出數(shù)據(jù)為0.54，完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.5 高光澤度

PMMA/ASA制件高光澤度測(cè)試按照J(rèn)JG 696—2002 《鏡向光澤度計(jì)和光澤度板檢定規(guī)程》的要求,選擇三角度光澤度儀20°測(cè)量角儀器和方法，測(cè)得PMMA/ASA合金材料光澤度為80，光澤度大于70屬于高光澤效果，說(shuō)明PMMA/ASA合金材料達(dá)到高光澤效果。

2 PMMA/ASA合金材料應(yīng)用實(shí)例

制備高光澤免噴涂PMMA/ASA合金材料的組分按質(zhì)量份數(shù)大致有：丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS)樹脂20～40份、ASA高膠粉和PMMA樹脂35～40份、改性金屬粉2～4份、抗氧劑0.5～1份、潤(rùn)滑劑1～2份。對(duì)金屬粉進(jìn)行了表面改性，改善了金屬粉與樹脂之間相容性和材料整體流動(dòng)性，提高了材料綜合性能，并有效避免注塑成型中的流痕現(xiàn)象。PMMA/ASA合金材料具有較好的力學(xué)性能、耐化學(xué)品、耐候性和加工性能，自帶金屬質(zhì)感，可以不用噴漆處理，降低了制造成本，在汽車進(jìn)氣格柵等汽車零件上應(yīng)用[7]。

在汽車的整體設(shè)計(jì)中，進(jìn)氣格柵(見圖1)的作用是保護(hù)和冷卻水箱。水箱的作用是冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)得不到冷卻，就會(huì)發(fā)燙，從而發(fā)生故障，也會(huì)造成其他部件因?yàn)楦邷囟獾狡茐?。另外，汽車在高速行駛時(shí)可能會(huì)被飛來(lái)的昆蟲、石子破壞水箱，流線型設(shè)計(jì)車身可以將大部分的威脅彈開，而進(jìn)氣格柵則會(huì)抵擋住氣流無(wú)法彈開的體積較大的蟲子和石頭。進(jìn)氣格柵起到追求外型美感同時(shí)兼顧功能的作用。

圖1 進(jìn)氣格柵示意圖

圖1所示的汽車進(jìn)氣格柵質(zhì)量為600 g左右，考慮鎖模因素，一般模具在1 000 t注塑機(jī)上生產(chǎn)，做出的產(chǎn)品盡量沒有飛邊，減少修剪成本。

后視燈是一個(gè)組合件(見圖2)，安裝在汽車前門上，便于駕駛員觀察行駛中車后及車兩邊的情況，組合件中的2個(gè)零件單個(gè)質(zhì)量都是100 g左右。后視燈有左右件之分,由后視燈支架和后視燈外殼兩副模具分別生產(chǎn)后再組裝，后視燈支架和后視燈外殼一般選擇在200～240 t注塑機(jī)上加工，以選用設(shè)備開模距離為主。

以往的汽車立柱飾板材料主要有聚氯乙烯(PVC)人造皮革、聚氨酯(PU)人造革等。但考慮耐光照、耐低溫韌性、阻燃、低霧化等性能，這些人造材料存在或多或少的問(wèn)題，不能夠滿足大眾消費(fèi)者對(duì)內(nèi)飾材料的要求。選擇PMMA/ASA合金材料能滿足汽車立柱飾板的要求，可以增加乘客舒適度，提供優(yōu)雅的內(nèi)飾外觀。立柱飾板為鈑金、車身零件、電子線束和側(cè)撞塊等提供經(jīng)久耐用的包覆功能，并為功能件如杯托、儲(chǔ)物盒等提供裝接面，還可為喇叭提供聲音傳輸和裝接結(jié)構(gòu)[8]。汽車立柱飾板是2個(gè)不同的立柱飾板，汽車中不同位置有不同形狀的立柱飾板，其大致厚度在2.0～2.5 mm，質(zhì)量為100～200 g,成型比較容易(見圖3)。

(a)后視燈支架

(b)后視燈外殼

(a)立柱正面板

(b)立柱側(cè)面板

后霧燈蓋板(見圖4)用在后霧燈上，實(shí)際上起到一個(gè)護(hù)殼的作用，在后霧燈蓋板的外面還有一個(gè)配光鏡的外殼，蓋板是個(gè)內(nèi)飾件，有個(gè)別部位進(jìn)行鍍鋁處理，加上PMMA/ASA合金材料屬于免噴涂材料，可以直接鍍鋁，不需要進(jìn)行噴底漆固化后再鍍鋁，減少環(huán)境的污染。PMMA/ASA合金材料可以直接鍍鋁后用于汽車后燈體上。

圖4 后霧燈蓋板示意圖

為了達(dá)到PMMA/ASA制件高光澤的效果，在注塑中可以采用高光澤加工方式，使用急冷急熱的模溫機(jī)。一般ASA、ABS這類材料為了達(dá)到表面較好的光澤度，采用定模型腔的模溫比動(dòng)模型芯的模溫高10～15 K，制件的冷卻時(shí)間延長(zhǎng)了，生產(chǎn)周期也延長(zhǎng)了，對(duì)于批量大的產(chǎn)品而言生產(chǎn)效率就低了。使用急冷急熱的模溫機(jī)，就是在注塑時(shí)采用高溫提高表面高光澤的效果，冷卻時(shí)較快地降低模具溫度，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

PMMA/ASA合金材料的耐熱溫度為90 ℃，這與2種材料的耐熱溫度有關(guān)。PMMA耐熱性并不高，它的玻璃化溫度雖然達(dá)到104 ℃，但連續(xù)使用溫度卻隨工作條件不同在65～95 ℃，熱變形溫度約為96 ℃[9]；ASA樹脂的熱變形溫度與通用ABS樹脂相似，為80～85 ℃[10]。PMMA與ASA合成后耐熱溫度并不高，這給PMMA/ASA合金材料的使用帶來(lái)了局限性。

3 結(jié)語(yǔ)

伴隨著國(guó)家環(huán)保力度加大，環(huán)境問(wèn)題也影響著材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)的電鍍和噴漆工藝會(huì)環(huán)境污染，因而受到越來(lái)越嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在此背景下，環(huán)保性能出眾的免噴涂材料迎來(lái)巨大的發(fā)展前景。相比于電鍍和噴涂材料，免噴涂材料不僅具有優(yōu)異的性能和高光澤外觀，而且還有一定的成本優(yōu)勢(shì)。目前，免噴涂的PMMA/ASA合金材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于進(jìn)氣格柵、后視鏡外殼、支架、門把手等汽車外飾件。未來(lái)，隨著技術(shù)端和應(yīng)用端的日漸成熟，將有越來(lái)越多的汽車格柵及其他部件等(包括汽車燈具)采用免噴涂材料。