摘要

塑料零件在受到擠壓摩擦?xí)r，容易發(fā)生粘滑現(xiàn)象，從而產(chǎn)生異響，目前汽車行業(yè)普遍采用的涂抹潤滑油、消音水、粘貼無紡布類毛氈等措施增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期與成本。針對上述情況，并基于吉利汽車標(biāo)準(zhǔn)，通過添加熱塑性聚酯彈性體 (TPEE) 與聚碳酸酯／丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯塑料 (PC／ABS) 共混改性，研發(fā)出了一款具有優(yōu)異降噪功能的 PC／ABS 材料，對比了降噪 PC／ABS 與普通 PC／ABS 的常規(guī)性能和降噪性能。結(jié)果表明，與普通 PC／ABS 相比，降噪 PC／ABS 的力學(xué)性能略有降低但保持了良好的耐刮擦性能、耐化學(xué)藥品性以及耐光老化性能，而且具有更低的響度、更小的振動加速度以及更低的異響風(fēng)險系數(shù)值，最終成功應(yīng)用在多個車型的儀表板部件上，實現(xiàn)國產(chǎn)降噪材料的成功量產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：異響；聚碳酸酯／丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯塑料；降噪；汽車儀表板

作者：陳磊 1，史曉瑩 2，周中玉 2，程發(fā)祥 1

1、吉利汽車研究院 ( 寧波 ) 有限公司，浙江寧波

2. 上海錦湖日麗塑料有限公司，上海

聚碳酸酯(PC)／丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)合金具有易加工、韌性好、耐應(yīng)力開裂、耐候性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車及其它行業(yè)[1–3]。但是，使用PC／ABS材料的零件在發(fā)動機(jī)行駛振動或受到外力擠壓作用時，容易產(chǎn)生“吱吱”的異響聲。這種異響聲可能來自于塑料制件之間的摩擦，也可能來自塑料件與皮革件、電鍍件等之間的摩擦[4]。零件受到外力時，發(fā)生了粘滑現(xiàn)象，塑料件由相粘的靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒咏佑|，并且此過程有能量釋放，粘滑循環(huán)發(fā)生導(dǎo)致材料振動產(chǎn)生異響[5–6]。

阻尼性能是指固體機(jī)械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿?/span>能力，主要用于振動和噪聲控制[7–9]。材料的阻尼性能越好，說明摩擦功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能越多，材料異響越小。高分子材料的阻尼作用機(jī)理與其自身的動態(tài)松弛性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)高分子材料受到交變應(yīng)力的作用時，由于鏈段運(yùn)動時受到內(nèi)摩擦作用，形變通常落后于應(yīng)力的變化，產(chǎn)生一個相位差滯后角，這種現(xiàn)象稱為滯后現(xiàn)象[10–12]。由阻尼產(chǎn)生的機(jī)理可知，能夠增大分子內(nèi)摩擦的因素便可提高材料的阻尼性能。

吉利汽車通過易產(chǎn)生異響的零部件研究發(fā)現(xiàn)，容易產(chǎn)生異響的主要原因見表1。

現(xiàn)階段，主機(jī)廠主要是通過在接觸部位增加毛氈阻隔、涂覆潤滑油、使用橡膠襯墊等措施解決制件的摩擦異響[13–17]，但是這不僅增加了人工成本，而且延長了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。因此，降噪改性成為了塑料改性廠商關(guān)注的焦點(diǎn)[17]。余朦山等[18]通過引入馬來酸酐接枝的聚氨酯樹脂對ABS進(jìn)行共混改性獲得了高阻尼降噪材料；J.Rojsatean等[19]發(fā)現(xiàn)乙撐雙硬脂酰胺(EBS)和乙烯–辛烯共聚物(POE)的加入也能夠有效地改善ABS的粘滑傾向。盧煥青[20]發(fā)現(xiàn)熱塑性聚酯彈性體(TPEE)兼具橡膠優(yōu)良的彈性和熱塑性塑料的易加工性及良好的聲阻性能。但是，目前國內(nèi)還沒有能實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)的TPEE改性PC／ABS降噪材料?；诖?，吉利汽車與錦湖日麗合作從改善材料阻尼性能和摩擦系數(shù)角度出發(fā)，通過材料研發(fā)與零件驗證，最終將降噪PC／ABS合金成功應(yīng)用于吉利多款車型的儀表板上。

實驗部分

主要原料

PC ：7025J，日本三菱化學(xué)公司； 

ABS ：8434，中國石化高橋石化公司；

抗氧劑 1010、抗氧劑 168 ：瑞士汽巴 (Ciba) 精細(xì)化工有限公司； 

季戊四醇硬脂酸酯 (PETS) ：意大利 FACI 公司； 

TPEE ：TX506，中國石化儀征化纖股份有限公司。

主要儀器與設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：CET35型，長徑比為44∶1，科倍隆(南京)機(jī)械有限公司；

塑料注射成型機(jī)：JM138–AI–SVP／2型，震雄機(jī)械(深圳)有限公司；

密度儀：GR–200型，日本A&D公司；

電子萬能拉伸試驗機(jī)：Z010型，德國ZwickRoell集團(tuán)；

擺錘沖擊試驗機(jī)：HIT25P型，德國ZwickRoell集團(tuán)；

熱變形維卡試驗機(jī)：IC6+型，德國Coesfeld公司；

刮擦儀：ERICHSEN430P型，德國儀力信公司；

氙燈老化試驗機(jī)：Ci3000型，美國Atlas有限公司。

試樣制備

降噪PC/ABS:將PC,ABS,TPEE及抗氧劑和潤滑劑PETS按照質(zhì)量比65/27/8/0.5/0.5進(jìn)行混合(抗氧劑1010與168質(zhì)量比為1/1,下同;小試實驗中,當(dāng)TPEE用量低于8份時其對材料的降噪效果不大,而當(dāng)TPEE用量高于8份時會影響相容性從而影響材料沖擊性能),然后在雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行熔融擠出造粒?擠出機(jī)的溫度為200~250℃,螺桿轉(zhuǎn)速為350r/min,相對真空度為–0.09MPa;將所制得材料在100℃下干燥4h,然后注塑成樣板(140mm×90mm×3mm),其中注塑溫度為250℃,注塑壓力為80MPa,成型周期為50s?

普通PC/ABS:將PC,ABS,抗氧劑和潤滑劑按照質(zhì)量比65/35/0.5/0.5混合,其余步驟同上?

性能測試

(1)常規(guī)性能測試?

密度按GB/T1033.1–2008測試;

拉伸強(qiáng)度按GB/T1040.1–2018測試,拉伸速率為50mm/min;

彎曲強(qiáng)度與彎曲彈性模量按GB/T9341–2018測試,彎曲速率為2mm/min;

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T1843–2008測試,擺錘能量為4J;

維卡軟化溫度(B50法)按GB/T1633–2000測試;

耐化學(xué)藥品性按Q/JLYJ711028E–2019測試;

耐刮擦性能按Q/JLYJ7110536C–2019測試;

耐光老化性能按Q/JLYJ7110279B–2014測試?

(2)摩擦異響試驗?

摩擦異響試驗設(shè)備為錦湖日麗自行搭建,具體實驗條件及參數(shù)見文獻(xiàn)[4],設(shè)計的工裝結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]?壓頭和樣板之間摩擦?xí)r易產(chǎn)生典型的粘滑現(xiàn)象從而產(chǎn)生振動和噪音?將振動傳感器粘貼在摩擦壓頭上采集摩擦過程中產(chǎn)生的振動參數(shù),即振動加速度;聲音傳感器距待測樣板5cm采集聲音參數(shù),即人耳響度?

(3)異響測試。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)VDA230–206–2005測試異響的風(fēng)險系數(shù)(RPN)。待測樣品與摩擦副的接觸面積為1250mm2，滑動距離固定為50mm，滑動速度為1mm／s和4mm／s，負(fù)載為10N和40N。測試前將樣品在溫度(23±2)℃，相對濕度(50±5)%環(huán)境中調(diào)節(jié)24h以上。

(4)零部件試驗。

用普通PC／ABS和降噪PC／ABS分別注塑成如表2中的部件進(jìn)行異響對比驗證，由7人進(jìn)行評級取眾數(shù)。其中評級為1級代表無異響，2級代表輕微異響，3級代表異響較重，4級代表異響嚴(yán)重。

結(jié)果與討論

降噪 PC／ABS 與普通 PC／ABS 的常規(guī)性能對比

表3列出降噪PC/ABS與普通PC/ABS常規(guī)性能的對比?由表3可以看出,降噪改性后的PC/ABS在剛性方面(拉伸強(qiáng)度?彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量)略有下降,這是因為TPEE彈性體分子鏈的柔性鏈段可以有效增大分子內(nèi)摩擦,從而降低材料剛性?增強(qiáng)材料的阻尼性能?缺口沖擊強(qiáng)度的小幅減小可能歸因于TPEE的加入一定程度降低了PC與ABS之間的相容性?另外,改性后的PC/ABS在耐化學(xué)藥品性?耐刮擦性能?耐光老化性能等方面與普通PC/ABS相媲美,均能達(dá)到汽車內(nèi)飾的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?總體來看,兩種材料的常規(guī)性能差別較小?

人耳響度結(jié)果分析

響度又稱音量,單位為宋,它是人對聲音大小的主觀感覺量?其大小決定于聲音接收處的波幅,表示人耳對聲音的直觀感受?圖2是不同PC/ABS材料的響度隨摩擦?xí)r間的變化曲線,可以看出,降噪改性的PC/ABS在摩擦過程中產(chǎn)生的響度(30宋)遠(yuǎn)低于普通PC/ABS(62宋),這體現(xiàn)出了其優(yōu)異的降噪效果?

振動加速度分析

聲音伴隨著振動,頻率越高,振動越劇烈,意味著制件接觸時產(chǎn)生異響的風(fēng)險越大?圖3是不同PC/ABS材料的振動加速度隨著摩擦?xí)r間的變化曲線,可以看出降噪PC/ABS在摩擦過程中的加速度遠(yuǎn)低于常規(guī)PC/ABS,進(jìn)一步驗證了改性PC/ABS優(yōu)異的降噪性能?

異響 RPN 結(jié)果分析

RPN是事件發(fā)生的頻率?嚴(yán)重程度和檢測等級三者的乘積,被稱為風(fēng)險系數(shù)或風(fēng)險順序數(shù),其數(shù)值越大說明潛在問題越嚴(yán)重?一般認(rèn)為,當(dāng)RPN=1~3,材料發(fā)生異響的風(fēng)險較小;當(dāng)RPN=4~5,材料存在中等異響的風(fēng)險;當(dāng)RPN=6~10,材料存在較高的異響風(fēng)險?不同PC/ABS材料的異響RPN數(shù)據(jù)見表4?由表4可以看出,無論測試壓力或者滑動速度如何,降噪改性PC/ABS都展示出極低的異響RPN值,該結(jié)果說明材料發(fā)生異響的風(fēng)險較低?

零件試驗結(jié)果

通過表2的零部件異響驗證,得到普通PC/ABS和降噪PC/ABS的異響結(jié)果,見表5?由表5可以看出,降噪改性的PC/ABS在太陽暴曬下經(jīng)歷按壓或者開空調(diào)操作均無任何異響?在崎嶇道路與減速帶驗證環(huán)節(jié),與普通PC/ABS相比,改性PC/ABS也表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的降噪效果?

結(jié)論

塑料零件在受到外力擠壓時,容易發(fā)生粘滑現(xiàn)象,從而產(chǎn)生異響?通過共混改性方式研發(fā)出了一款降噪性能優(yōu)異的PC/ABS合金材料?與傳統(tǒng)的PC/ABS合金相比,它的拉伸強(qiáng)度?彎曲強(qiáng)度?彎曲彈性模量以及缺口沖擊強(qiáng)度略有降低,但是都能滿足儀表板部件的標(biāo)準(zhǔn)要求?值得關(guān)注的是,TPEE的加入使得PC/ABS合金具有更低的響度?更小的振動加速度以及更低的異響RPN值,從而具有優(yōu)異的降噪效果,最終應(yīng)用在多個車型的儀表板部件上,實現(xiàn)國產(chǎn)降噪材料的成功量產(chǎn)?

【參考文獻(xiàn)】

[1]NishinoK,ShindoY,TakayamaT,etal.ImprovementofimpactstrengthandhydrolyticstabilityofPC/ABSblendusingreactivepolymer[J].JournalofAppliedPolymerScience,2017,134(19).doi:10.1002/app.44550.

[2]PhamHT,WeckleCL,CerasoJM.RheologyenhancementinPC/ABSblends[J].AdvancedMaterials,2000,12(23):1881–1885.

[3]KracheR,DebahI.SomemechanicalandthermalpropertiesofPC/ABSblends[J].MaterialsSciencesandApplications,2011,2(5):404–410.

[4] 郟樑,李俊杰,曹崴,等.高分子材料的降噪性能評價方法[J].工程塑料應(yīng)用,2020,48(10):106–109.JiaLiang,LiJunjie,CaoWei,etal.Characterizationmethodonnoisereductionpropertyofpolymermaterials[J].EngineeringPlasticsApplication,2020,48(10):106–109.

[5]YoshizawaH,ChenYL,IsraelachviliJ.Fundamentalmechanismsofinterfacialfriction.1.Relationbetweenadhesionandfriction[J].JPhysChem,1993,97(16):4128–4140.

[6]YoshizawaH,IsraelachviliJ.Fundamentalmechanismsofinterfacialfriction.2.Stick-slipfrictionofsphericalandchainmolecules[J].JPhysChem,1993,97(43):11300–11313.

[7]ZhaoJiang,JiangNan,ZhangDongsheng,etal.Studyonoptimizationofdampingperformanceanddampingtemperaturerangeofsiliconerubberbypolyborosiloxanegel[J].Polymers,2020,12.doi:10.3390/polym12051196.

[8]DoddiPRV,ChanamalaR,DoraSP.InvestigationsontheInfluenceofLaminateAngleontheDampingPerformanceofCross[1]plyNaturalComposites[J].JournalofMaterialsEngineeringandPerformance,2021,30(2):1039–1045.

[9]HuYong,BuSiqi,ZhangXin,etal.Connectionbetweendampingtorqueanalysisandenergyflowanalysisindampingperformanceevaluationforelectromechanicaloscillationsinpowersystems[J].JournalofModernPowerSystemsandCleanEnergy,2021.doi:10.35833/MPCE.2020.000413.

[10] 張少實.復(fù)合材料與黏彈性力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:136–147.ZhangShaoshi.Compositematerialsandviscoclasticmechanics[M].Beijing:MechanicalIndustryPress,2011:136–147.

[11] 何平笙.高聚物的力學(xué)性能[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008:39–50.HePingsheng.Themechanicalpropertiesofpolymer[M].Hefei:ChinaUniversityofScienceandTechnologyPress,2008:39–50.

[12] 朱振華,邵宇,王俊,等.交變載荷下PP/SSFs復(fù)合材料導(dǎo)電性[J].工程塑料應(yīng)用,2017,45(7):8–12.ZhuZhenhua,ShaoYu,WangJun,etal.ElectricalconductivityofPP/SSFscompositesunderalternateloading[J].EngineeringPlasticsApplication,2017,45(7):8–12.

[13] 蔣永敏.淺析汽車的吸音隔音材料[J].中國包裝工業(yè),2014(2):9–10.JiangYongmin.Analysisofthesound-absorbingandsound-proofmaterialsinautomobile[J].ChinaPackagingIndustry,2014(2):9–10.

[14] 仇文波.一款微型轎車前門玻璃升降器異響問題的改善[J].汽車工藝與材料,2015(11):10–16.QiuWenbo.Animprovementfornoisyissueoffrontregulatorofminipassengervehicle[J].AutomobileTechnology&Material,2015(11):10–16.

[15] 蔣雄,邱德平.汽車內(nèi)飾塑料件NVH異響改善[J].汽車工程師,2018(4):31–34,37.JiangXiong,QiuDeping.Improvementoftheacousticperformanceofvehicleplasticinteriorparts[J].AutoEngineer,2018(4):31–34,37.

[16] 江文杰,孫成武.某車型汽車座椅異響問題的研究與解決[J].機(jī)械制造,2016(4):44–46.JiangWenjie,SunChengwu.Researchandsolutionofabnormalsoundofacarseat[J].Machinery,2016(4):44–46.

[17] 李俊杰,王金,周霆.ABS材料粘滑現(xiàn)象改善[J].工程塑料應(yīng)用,2020,48(8):41–45.LiJunjie,WangJin,ZhouTing.Improvementofstick[1]slipphenomenonofABSmaterials[J].EngineeringPlasticsApplication,2020,48(8):41–45.

[18] 余朦山,李文龍,孫付宇,等.一種高阻尼降噪ABS樹脂組合物:CN107177156A[P].2017-09-19.YuMengshan,LiWenlong,SunFuyu,etal.AhighdampingnoisereductionABSresincomposition:CN107177156A[P].2017-09-19.

[19]RojsateanJ,LarpsuriyakulP,PrakymoramasN,etal.Frictioncharacteristicsofself-lubricatingABSunderdifferentsurfaceroughnessesandtemperatures[J].TribologyInternational,2017,109:229–237.

[20] 盧煥青.熱塑性彈性體制備及聲音阻隔材料研究[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2017.LuHuanqing.Studyonthethermoplasticelastomerandsoundbarrier[D].Hangzhou:ZhejiangUniversityofTechnology,2017.