溫亮，姜朝東

（ 沙伯基礎(chǔ)（中國(guó)）研發(fā)有限公司，上海 201319 ）

0 引言

減輕重量一直是電動(dòng)工具產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要趨勢(shì)[1]，這也給電動(dòng)工具外殼材料提出了更高的要求。短玻纖增強(qiáng)尼龍（聚酰胺）是電動(dòng)工具外殼的常用材料，尼龍含有胺基和羰基，易與水分子形成氫鍵，從而具有很強(qiáng)的吸濕性，而吸水后材料的性能會(huì)產(chǎn)生極大變化，這也導(dǎo)致了其在電動(dòng)工具外殼生產(chǎn)中復(fù)雜的前后處理[2]，和潮濕環(huán)境中外殼的性能變化。研究表明長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料或可替換現(xiàn)有短玻纖增強(qiáng)尼龍[3]。但是許多電動(dòng)工具如電鏈鋸（以下簡(jiǎn)稱“鏈鋸”）等，其自身重量較大，文獻(xiàn)[4,5]中采用的長(zhǎng)玻纖聚丙烯外殼遇跌落時(shí)較易破損。為達(dá)到減重的同時(shí)不降低材料性能的目的，本文提出了SABIC 公司長(zhǎng)玻纖聚丙烯材料應(yīng)用在鏈鋸?fù)鈿さ目赡苄浴?/p>

1 概述

長(zhǎng)玻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料是以聚丙烯為基體，長(zhǎng)玻纖為增強(qiáng)骨架的材料。由于其低密度、優(yōu)異的機(jī)械性能、耐化學(xué)性、耐濕性、密度小和低翹曲在汽車、機(jī)械等領(lǐng)域的輕量化設(shè)計(jì)中得到較為廣泛的應(yīng)用[6]。對(duì)比目前鏈鋸?fù)鈿こＳ玫亩滩＠w尼龍材料，長(zhǎng)玻纖聚丙烯具有更低的密度和價(jià)格，有助于電動(dòng)工具整機(jī)減重和成本降低。長(zhǎng)玻纖聚丙烯由于其較好的耐濕性，成型過程中不需要進(jìn)行前后處理，在潮濕環(huán)境中具有穩(wěn)定的機(jī)械性能。通常，鏈鋸重量可達(dá)到4 kg 或以上，意外跌落時(shí)，承受的沖擊能量遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[3]提及，一般的短玻纖增強(qiáng)尼龍較難滿足要求，故鏈鋸?fù)鈿げ牧隙嗖捎酶呖箾_短玻纖增強(qiáng)尼龍。上述文獻(xiàn)中提及的長(zhǎng)玻纖聚丙烯難以滿足鏈鋸需求，有必要開發(fā)一種適合鏈鋸?fù)鈿さ拈L(zhǎng)玻纖聚丙烯材料。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料與樣品

實(shí)驗(yàn)材料為SABIC?STAMAXTM 40-5EX-20839 長(zhǎng)玻纖聚丙烯、SABIC?STAMAXTM 40YK710 長(zhǎng)玻纖聚丙烯和市售高抗沖短玻纖尼龍6（簡(jiǎn)稱PA30 %GF High impact）。本文中材料測(cè)試樣品使用FANUC S-2000i 注塑機(jī)注塑成型。

2.2 表征與測(cè)試

沖擊強(qiáng)度按照ISO 179-1:2010 標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。拉伸模量按照ISO 527-2:2012 在23 ℃進(jìn)行。濕熱老化條件：40 ℃以及85 %濕度下放置168 h。密度按照ISO 1183-1:2012 標(biāo)準(zhǔn)要求在23 ℃進(jìn)行。高速穿刺實(shí)驗(yàn)按照ASTM D3763-2015 標(biāo)準(zhǔn)在0 ℃進(jìn)行。收縮率使用60 mm×60 mm×2 mm 平板測(cè)量，將注塑后的平板冷卻至室溫，通過比較熔體流動(dòng)方向和垂直于熔體流動(dòng)方向上平板尺寸和模具尺寸差值得出。熱變形溫度按照ISO 75-1:2016 標(biāo)準(zhǔn)要求在23 ℃/1.8 Mpa 下進(jìn)行。鏈鋸?fù)鈿ぢ葆斉c連接件測(cè)試和跌落測(cè)試按照GB/T 3883.1-2014 進(jìn)行。落球測(cè)試為企業(yè)內(nèi)部測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在0 ℃的環(huán)境溫度下用530 g 鋼球從1.3 m 的高度對(duì)產(chǎn)品最薄弱的機(jī)殼實(shí)施3 次沖擊，機(jī)殼與鋼球接觸處未見明顯破裂則通過測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 性能分析

對(duì)比用于鏈鋸?fù)鈿さ母呖箾_短玻纖尼龍（PA30 %GF High impact）、用于小型手持式電動(dòng)工具的長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839 與高抗沖長(zhǎng)玻璃纖維聚丙烯40YK710 三種材料的性能結(jié)果見表1。

表1 中可知高抗沖短玻纖尼龍的拉伸模量為7 017 Mpa，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839和40YK710 的拉伸模量分別為7 792 Mpa 和7 059 Mpa，可見長(zhǎng)玻纖聚丙烯的拉伸模量略高。在濕熱環(huán)境中放置168 h 后，高抗沖短玻纖尼龍的拉伸模量大幅度下降至5 003 Mpa，而長(zhǎng)玻纖聚丙烯變化很小，其值高于短纖尼龍的拉伸模量。因此,長(zhǎng)玻纖聚丙烯耐濕性能遠(yuǎn)高于尼龍，這表明聚丙烯材料在應(yīng)用于濕度較大的環(huán)境中具有優(yōu)勢(shì)。短玻纖尼龍正常使用時(shí)的拉伸性能應(yīng)在吸水和未吸水時(shí)的剛性之間，而長(zhǎng)玻纖聚丙烯的拉伸模量在短玻纖尼龍吸水和未吸水的拉伸模量之間。

此外，表1 中也可發(fā)現(xiàn)高抗沖短玻纖尼龍的熱變形溫度(HDT)197 ℃遠(yuǎn)高于長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839 的156 ℃和40YK710 的149 ℃。長(zhǎng)玻纖聚丙烯的HDT 遠(yuǎn)高于大部分鏈鋸?fù)鈿さ哪蜏匦枰?，密度?.22 g/cm3，低于短玻纖尼龍的密度1.33 g/cm3，因此長(zhǎng)玻纖聚丙烯材料有助于產(chǎn)品的減重。

根據(jù)對(duì)材料剛性的分析數(shù)據(jù)，長(zhǎng)玻纖聚丙烯有可能替代高抗沖短玻纖尼龍，有利于鏈鋸?fù)鈿p重和成本降低。

表1 材料基本性能

在討論材料之間是否可以相互替代時(shí)除了分析剛性，還應(yīng)關(guān)注韌性。圖1 中列出了兩種材料在室溫（23 ℃）和低溫(0 ℃)時(shí)的沖擊性能。對(duì)于缺口沖擊（notched impact），在室溫和0 ℃時(shí)，用于小型電動(dòng)工具的長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839 沖擊強(qiáng)度低于用于鏈鋸?fù)鈿さ母呖箾_短纖尼龍，而長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710的缺口沖擊強(qiáng)度最高。這表明在文獻(xiàn)[3]中小型手持式電動(dòng)工具的長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839 應(yīng)用在鏈鋸?fù)鈿r(shí)存在風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)一步模擬材料在使用過程中受到的跌落和外物打擊的情形，采用高速穿刺沖擊測(cè)試（MAI），以0 ℃時(shí)穿刺能量（使材料破壞需要的能量）表征材料的韌性。如圖1 所示，40-5EX-20839 的穿刺能量低于高抗沖尼龍的穿刺能量，而40YK710 的穿刺能量最高，這一趨勢(shì)與缺口沖擊強(qiáng)度的趨勢(shì)一致。所以無(wú)論室溫還是低溫，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 的韌性均好于高抗沖短玻纖尼龍。

鏈鋸?fù)鈿ぶ谱饕话悴捎米⑺芄に?，材料收縮率決定了機(jī)殼最終尺寸的穩(wěn)定性，進(jìn)一步研究聚丙烯和尼龍的收縮率。圖2 中列出了長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839、40YK710 和高抗沖短玻纖尼龍的收縮率。從圖2 中可知，兩種長(zhǎng)玻纖聚丙烯在沿流動(dòng)和垂直于流動(dòng)方向上的收縮率非常接近。高抗沖長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710與用于鏈鋸?fù)鈿さ亩滩＠w尼龍材料在沿流動(dòng)方向收縮率的差距極小，而短玻纖尼龍垂直于流動(dòng)方向的收縮率為0.62 %，略大于高抗沖長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，認(rèn)為長(zhǎng)玻纖聚丙烯可使用現(xiàn)有短玻纖尼龍模具完成注塑成型。同時(shí)，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 在兩個(gè)方向上收縮率差值僅為0.22 %，低于高抗沖短玻纖尼龍的收縮率差值。該差值用來(lái)表征產(chǎn)品翹曲，即兩個(gè)方向收縮率差值越小，產(chǎn)品翹曲則越小。

3.2 鏈鋸?fù)鈿ば阅?/h3>

為進(jìn)一步確定材料是否適合用于鏈鋸?fù)鈿?，選用市場(chǎng)上常見的鏈鋸，使用長(zhǎng)玻纖聚丙烯為外殼與其他部件組裝后，置于0 ℃下7 h，根據(jù)GB/T 3883.1-2014標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行跌落測(cè)試，1 次跌落后，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839 出現(xiàn)明顯破裂(圖3a)，與文獻(xiàn)[3]中提及的跌落測(cè)試結(jié)果不同，原因在于文獻(xiàn)[3]中電鉆重量?jī)H為1 kg，遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)使用的鏈鋸重量（4.9 kg），可見長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839 很難用應(yīng)于鏈鋸?fù)鈿ぁ６L(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 在0 ℃進(jìn)行3 次跌落后未見明顯開裂（圖3b）。因此判斷長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 在抗跌落的性能上完全滿足鏈鋸的外殼要求。

除了跌落測(cè)試，鏈鋸產(chǎn)品制造商還會(huì)針對(duì)鏈鋸?fù)鈿け∪跆庍M(jìn)行落球沖擊測(cè)試，將鏈鋸置于0 ℃以下7 h 后，使用質(zhì)量為530 g 的鋼球從1.3 m 砸落（圖4a），能量約為6.8 J。圖4b 可見，鏈鋸?fù)鈿の匆娒黠@破裂。因此，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 滿足相關(guān)要求。

電動(dòng)工具外殼通常通過螺釘連接，因此螺絲的連接性能也是電動(dòng)工具外殼一項(xiàng)重要要求。在之前的文獻(xiàn)[3]中，小型電鉆外殼使用ST2.2 螺釘，以0.5 N·m 扭矩進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于大型鏈鋸?fù)鈿?，一般使用ST4.8 螺釘進(jìn)行連接，按照GB 3883.1-2014 標(biāo)準(zhǔn)要求，施加扭矩1.2 N·m，反復(fù)擰緊10 次后扭矩必須沒有明顯降低。如圖5 所示，在反復(fù)卸下并擰緊20 次后，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 和高抗沖短玻纖尼龍樣品上螺釘扭矩仍可維持在不低于1.2 N·m，未見明顯開裂，因此長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 和高抗沖短玻纖尼龍均可均可滿足國(guó)標(biāo)的要求。綜上，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 也可在鏈鋸?fù)鈿ど鲜褂寐葆斶M(jìn)行連接。

4 結(jié)論

普通長(zhǎng)玻纖聚丙烯40-5EX-20839 由于其較低的韌性很難用于鏈鋸?fù)鈿?。?duì)比目前鏈鋸?fù)鈿こＳ玫母呖箾_短玻纖尼龍，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 具有相近的拉伸模量、在高濕度條件下剛性的保持度高，以及更高的抗沖擊強(qiáng)度、更低的密度和兩個(gè)方向的收縮率差值，但是該材料的熱變形溫度低于短玻纖尼龍。在實(shí)際樣件測(cè)試中，長(zhǎng)玻纖聚丙烯40YK710 具有和短玻纖尼龍接近的耐受螺釘多次扭轉(zhuǎn)性能。因此，SABIC 公司推出的這款材料有較大潛力替代高抗沖短纖尼龍，可賦予鏈鋸?fù)鈿じp的重量和更穩(wěn)定的耐濕性能。