高韌性與高剛度的“鋼化塑料”真的有那么神？

繼低發(fā)散汽車(chē)內(nèi)飾塑料塑可凈?之后，上海錦湖日麗塑料有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“錦湖日麗”)經(jīng)潛心研發(fā)，于2015年初推出一款主打安全特性的納米結(jié)構(gòu)塑料合金，并形象地將其定義為“鋼化塑料”。此該產(chǎn)品能更好地保護(hù)人體，顯著提高車(chē)輛的安全性。

目前，輕量化是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的重要課題，相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)車(chē)身自重約消耗70%的燃油，若整車(chē)質(zhì)量減輕10%，燃油效率可提高6%~8%;汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量每減輕100kg，其每行駛100km可節(jié)省0.3~0.6L燃油。換言之，廣泛采用輕量化技術(shù)，能使汽車(chē)在擁有高效動(dòng)力的同時(shí)兼具杰出的燃油經(jīng)濟(jì)性。

業(yè)內(nèi)專(zhuān)家指出，汽車(chē)輕量化可從設(shè)計(jì)輕量化、采用輕質(zhì)材料替代鋼鐵、改進(jìn)制造工藝和提高現(xiàn)有材料強(qiáng)度以減少材料重量四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)。其中，用輕質(zhì)材料替代鋼鐵、提高車(chē)用塑料的使用比例是降低整車(chē)成本及其自身重量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。據(jù)美國(guó)化學(xué)工業(yè)學(xué)會(huì)的研究資料顯示，目前汽車(chē)內(nèi)的塑料零部件總重量還不及汽車(chē)總重量的10%，基于此，“以塑代鋼”的概念在汽車(chē)行業(yè)廣為流傳。

但是，在大力倡導(dǎo)“以塑代鋼”理念的同時(shí)，塑料的安全性卻受到了質(zhì)疑。工程塑料在靜態(tài)或受到低速外力作用的情況下，能體現(xiàn)出良好的韌性;但在高速撞擊時(shí)，其拉伸模量急劇提高，材料剛性明顯增強(qiáng)，同時(shí)其拉伸斷裂伸長(zhǎng)率也迅速下降，材料表現(xiàn)為脆性，這種情況為駕駛者的安全埋下了一定的隱患。

那么如何妥善解決這一問(wèn)題?作為PC/ABS技術(shù)的領(lǐng)先企業(yè)，錦湖日麗集合了多名來(lái)自中國(guó)、日本和韓國(guó)的材料專(zhuān)家，通過(guò)潛心研究，成功開(kāi)發(fā)出新一代PC/ABS，這是一種被稱(chēng)為“鋼化塑料”的超級(jí)合金。

此材料的開(kāi)發(fā)基于怎樣的原理?事實(shí)上，聚合物的宏觀(guān)性能不僅依賴(lài)于它的化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子鏈結(jié)構(gòu)，還與材料的微觀(guān)相態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通過(guò)對(duì)聚合物多相體系的相態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與控制，可顯著改善材料性能。

因此，如何通過(guò)材料配方和擠出工藝設(shè)計(jì)來(lái)控制高分子合金的形態(tài)結(jié)構(gòu)、從而大幅提升其性能成為了車(chē)用塑料領(lǐng)域一項(xiàng)重要的研究課題。

錦湖日麗聘請(qǐng)的日本科學(xué)家經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PC/ABS合金的相態(tài)達(dá)到納米尺寸分散、雙連續(xù)相分布時(shí)，PC/ABS在高速撞擊力下，會(huì)展現(xiàn)出與橡膠相媲美的延展性。換言之，可以通過(guò)精細(xì)控制相態(tài)，開(kāi)發(fā)出一種兼具工程塑料高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又能在高速撞擊下，擁有與硫化橡膠一樣高韌性的超級(jí)聚合物合金。

通過(guò)10000多次的實(shí)驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，錦湖日麗的研究人員發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在相態(tài)結(jié)構(gòu)方面還是性能表現(xiàn)，“鋼化塑料”與普通塑料都存在明顯不同。

首先，在相態(tài)結(jié)構(gòu)上：“鋼化塑料”具有納米尺度分散、類(lèi)似雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)分布;而普通PC/ABS合金為典型的海-島結(jié)構(gòu)，ABS相以微米級(jí)尺寸分散在PC基體中。

其次，在性能方面，“鋼化塑料”表現(xiàn)出特殊的高分子粘彈性特性：

1.特殊的應(yīng)力-應(yīng)變行為：隨著拉伸速度的提高，普通PC/ABS合金的拉伸模量增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小;而“鋼化塑料”與之相反，拉伸模量減小，斷裂伸長(zhǎng)率提高;

2.低溫面沖擊性能優(yōu)異：普通PC/ABS合金的低溫面沖擊性能表現(xiàn)為脆性破壞，裂紋擴(kuò)展明顯;而“鋼化塑料”則表現(xiàn)為韌性破壞，銀紋化明顯。

總體而言，“鋼化塑料”在一定受力范圍內(nèi)，不僅具有比鋼鐵更好的緩釋吸收能量的性能，其被破壞時(shí)也不會(huì)同普通的工程塑料一樣產(chǎn)生尖銳的碎片，因而可以更好地保護(hù)人體。

縱觀(guān)國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，不難判斷，未來(lái)的塑料行業(yè)將延伸至建筑、包裝材料、家電及汽車(chē)等日常生活的方方面面。而隨著汽車(chē)輕量化技術(shù)、行人保護(hù)安全吸能技術(shù)、人體防護(hù)技術(shù)和3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，“鋼化塑料”將迎來(lái)更好的發(fā)展機(jī)遇。例如，采用“鋼化塑料”制成的汽車(chē)內(nèi)、外飾件，會(huì)在碰撞能量吸收技術(shù)中發(fā)揮重要作用，大大提高汽車(chē)的安全性;“鋼化塑料”制成的運(yùn)動(dòng)器材，可以更好地保護(hù)人體的骨骼，當(dāng)關(guān)節(jié)在受到撞擊時(shí)，可使沖擊力迅速得到緩沖。“鋼化塑料”未來(lái)的發(fā)展，將會(huì)帶給人們更多的驚喜！

責(zé)任編輯：Kris