張寧寧，王瑾，薛長(zhǎng)鳴，吳寧

(上海亞大汽車塑料制品有限公司，上海 201708)

自20世紀(jì)90年代，隨著世界各大汽車制造廠遷入我國(guó)，汽車制造業(yè)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動(dòng)力之一，從而使鋼鐵材料的需求大大增加。但隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，汽車輕量化成了當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。各大汽車生產(chǎn)制造商競(jìng)相在汽車上采用塑料及輕金屬材料，從而減輕整車質(zhì)量達(dá)到節(jié)能減排的目的[1-2]。采用高性能塑料生產(chǎn)的汽車部件不僅大大減輕了整車質(zhì)量，而且簡(jiǎn)化了汽車裝配工藝，節(jié)省勞動(dòng)力，降低制造成本[3-4]。在汽車工業(yè)中，長(zhǎng)碳鏈尼龍(PA)，如PA11，PA12及PA1010或PA1012等具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性、優(yōu)異的低溫抗沖擊性、較小的流體流動(dòng)阻力等許多優(yōu)點(diǎn)，常用于汽車輸油管、回油管和離合器軟管等[5-7]。長(zhǎng)碳鏈PA管，具有成本低、質(zhì)量輕、易裝配、抗紫外老化、耐腐蝕等優(yōu)越的性能，在商用車氣制動(dòng)管上得到廣泛應(yīng)用[8-9]，但長(zhǎng)碳鏈PA在重型卡車上使用具有一定的局限性。例如，當(dāng)重卡在轉(zhuǎn)彎時(shí)，制動(dòng)管路處于被拉伸狀態(tài)，此時(shí)管路受到沿軸向方向的拉伸力，管路產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，當(dāng)管路的軸向斷裂伸長(zhǎng)率性能不足時(shí)，管路易產(chǎn)生斷裂，給重卡的制動(dòng)性能帶來很大的安全隱患。李智等[10]研究了PA11管路處于拉伸狀態(tài)時(shí)管路安全性存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為在管路選材和設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)避免管路斷裂等風(fēng)險(xiǎn)。解決重卡在轉(zhuǎn)彎制動(dòng)時(shí)PA管路易斷裂問題，提升PA管路的斷裂伸長(zhǎng)率，已成為提升整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)可靠性的一項(xiàng)重要課題。

長(zhǎng)碳鏈PA管主要通過擠出工藝成型，筆者以PA11為原料通過擠出成型制備PA11管，在擠出成型后對(duì)PA11管進(jìn)行了火焰熱處理，主要從擠出模具溫度(模溫)、擠出速度、冷卻水溫及火焰熱處理強(qiáng)度等方面分析這些工藝參數(shù)對(duì)PA11管拉伸時(shí)軸向斷裂伸長(zhǎng)率(簡(jiǎn)稱斷裂伸長(zhǎng)率)的影響，從而通過優(yōu)化加工工藝參數(shù)以提高長(zhǎng)碳鏈PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PA11：Rilsan@BESN P40TL Black，彎曲彈性模量為350 MPa，拉伸屈服強(qiáng)度為25 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率≥50%，阿科瑪中國(guó)投資有限公司。

1.2 主要設(shè)備和儀器

螺桿擠出機(jī)：PAL32 60-24D型，瑞士Maillefer公司；

火焰熱處理裝置：FTS 404DR型，Arcogas公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：CMT4503型，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司。

1.3 加工工藝

根據(jù)螺桿的不同區(qū)域預(yù)先設(shè)定好擠出機(jī)不同的加熱溫度(輸送區(qū)190℃，塑化區(qū)215℃，均化區(qū)220℃，計(jì)量區(qū)220℃)，將PA11粒子加入到擠出機(jī)中，熔融塑化后的原料不斷進(jìn)入擠出模具后成為具有一定形狀的熔融料胚，熔融的料胚在螺桿的推動(dòng)下穩(wěn)定地進(jìn)入真空定徑罐中進(jìn)行冷卻結(jié)晶與定徑，定型后的PA11管進(jìn)入冷卻水槽再次進(jìn)行冷卻達(dá)到充分結(jié)晶。為了去除PA11管在真空定徑罐中的內(nèi)應(yīng)力，提升PA11管的拉伸性能，即在冷卻后對(duì)PA11管進(jìn)行火焰熱處理，處理后的PA11管因?yàn)楣荏w溫度高，還需進(jìn)入冷卻水槽進(jìn)一步冷卻，火焰熱處理前后的冷卻水溫保持一致。充分冷卻結(jié)晶后的PA11管通過牽引機(jī)穩(wěn)定地遷出冷卻水罐(擠出速度通過調(diào)整牽引機(jī)的速度實(shí)現(xiàn))，最后PA11管通過裁切器后裁切為特定長(zhǎng)度的管段，即完成整個(gè)PA11管的生產(chǎn)。加工工藝流程簡(jiǎn)圖如1所示。

圖1 長(zhǎng)碳鏈PA11管擠出加工工藝流程簡(jiǎn)圖

1.4 斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試

截取長(zhǎng)度約150 mm的PA11管，向PA11管兩端內(nèi)插入較管內(nèi)徑大0.5 mm、長(zhǎng)度約30 mm的鋼制忒軸。將插好忒軸的PA11管加持到電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具上，夾具的形狀為V型槽。將PA11管在試驗(yàn)機(jī)上固定好后，以100 mm／min的速度對(duì)PA11管進(jìn)行拉伸測(cè)試，具體方法參照GB／T 1040.2-2006?？疾鞌嗔焉扉L(zhǎng)率的每組樣品數(shù)量為5個(gè)，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

首先對(duì)拉伸后的PA11管表面進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)由于試驗(yàn)機(jī)施加與管子擠出方向(即軸向)相同的拉力，使PA11管表面產(chǎn)生許多“橘皮”狀缺陷，由于缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)張，造成其斷裂。拉伸后試樣的缺陷見圖2。

圖2 拉伸后PA11管的表面狀態(tài)

PA11管擠出加工過程中影響斷裂伸長(zhǎng)率的主要因素有模溫、擠出速度、冷卻水溫及火焰熱處理強(qiáng)度。后續(xù)試驗(yàn)與分析均基于所生產(chǎn)的外徑為8 mm，壁厚為1 mm的長(zhǎng)碳鏈PA11管。

2.1 模溫對(duì)PA11管斷裂伸長(zhǎng)率的影響

擠出時(shí)模溫太低會(huì)導(dǎo)致熔體流動(dòng)效果較差，而模溫太高塑料可能部分降解，進(jìn)而影響力學(xué)性能，PA11材料的正常加工溫度為210～245℃，所以在擠出速度為25 m／min、冷卻水溫為20℃和火焰熱處理強(qiáng)度為0的條件下分別考查了模溫為210，220，225，230，235，245℃時(shí) PA11 管的斷裂伸長(zhǎng)率，結(jié)果見表1。

表1 不同模溫下PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率

由表1可以看出，隨著模溫的上升，PA11管斷裂伸長(zhǎng)率增加，但當(dāng)溫度過高時(shí)其斷裂伸長(zhǎng)率有明顯下降，且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。隨著模溫的升高，PA11的熔體流動(dòng)性能提高，進(jìn)而使高分子無序線團(tuán)的移動(dòng)能力提高，當(dāng)遇冷結(jié)晶時(shí)，PA11的結(jié)晶度降低，晶型更小[11]，從而提升了制品的拉伸韌性，表現(xiàn)為PA管的斷裂伸長(zhǎng)率升高。但模溫過高，部分聚合物發(fā)生降解，致使其斷裂伸長(zhǎng)率降低且不穩(wěn)定，故最佳的模溫為235℃。

2.2 擠出速度對(duì)PA11管斷裂伸長(zhǎng)率的影響

基于上述最佳的模溫235℃下，固定冷卻水溫為20℃和火焰熱處理強(qiáng)度為0，對(duì)不同擠出速度下生產(chǎn)的PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行考察，其結(jié)果見表2。

表2 不同擠出速度下PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率

由表2可以看出，隨著擠出速度的降低，擠出的PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率上升明顯。當(dāng)擠出速度降低時(shí)，PA11管的拉伸取向減弱，內(nèi)應(yīng)力降低[12]，從而使斷裂伸長(zhǎng)率提高?？紤]到工廠加工效率的問題及氣制動(dòng)管的斷裂伸長(zhǎng)率要求值≥170%，建議PA11管的擠出速度為25 m／min。

2.3 冷卻水溫對(duì)PA11管斷裂伸長(zhǎng)率的影響

在工業(yè)生產(chǎn)中，需要對(duì)關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一的冷卻水溫實(shí)現(xiàn)可控，以達(dá)到擠出PA管的快速冷卻效果。工廠中通常采用壓縮機(jī)對(duì)冷卻水進(jìn)行降溫，并實(shí)現(xiàn)溫度可控。基于上述最佳的模溫235℃、推薦的擠出速度25 m／min，在火焰熱處理強(qiáng)度為0時(shí)，采用不同的冷卻水溫，對(duì)生產(chǎn)的PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行考察，其結(jié)果見表3。

表3 不同冷卻水溫下PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率

由表3可以看出，隨著冷卻水溫的降低，其生產(chǎn)的PA11管的斷裂生產(chǎn)率提高。隨著水溫的降低，熔體冷卻速度快，熔體的過冷程度大，驟冷甚至使聚合物來不及結(jié)晶，聚合物結(jié)晶度低且球晶小[13]，從而提高了PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率，但是考慮到壓縮機(jī)的制冷量及功耗等因素，建議冷卻水溫為20℃。

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2.4 熱處理對(duì)PA11管斷裂伸長(zhǎng)率的影響

由于塑料在擠出時(shí)分子鏈被迫取向，被取向的分子鏈有恢復(fù)自然狀態(tài)的趨勢(shì)，如果擠出的冷卻速率太快，來不及恢復(fù)或恢復(fù)得過少，會(huì)造成制品內(nèi)應(yīng)力過度集中。為了消除內(nèi)應(yīng)力，對(duì)擠出的PA11管進(jìn)行火焰熱處理?；谏鲜鲎罴训哪?35℃、推薦的擠出速度25 m／min及冷卻水溫為20℃條件下，對(duì)不同的火焰熱處理強(qiáng)度下生產(chǎn)的PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率進(jìn)行考察，其結(jié)果見表4。由表4可以看出，在未對(duì)PA11管進(jìn)行火焰熱處理時(shí)，PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率較低，隨著火焰熱處理強(qiáng)度的提高其斷裂伸長(zhǎng)率增加，而當(dāng)火焰熱處理強(qiáng)度過大時(shí)又會(huì)使PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率下降。PA11管在真空定徑罐中進(jìn)行冷卻定型時(shí)，由于真空的作用，對(duì)融化的料胚施加了應(yīng)力，而在料胚冷卻結(jié)晶過程中這種施加的應(yīng)力轉(zhuǎn)為PA11管的內(nèi)應(yīng)力。在適當(dāng)?shù)幕鹧鏌崽幚韽?qiáng)度下PA11管的內(nèi)應(yīng)力逐漸被釋放[14-15]，所以斷裂伸長(zhǎng)率隨著火焰熱處理強(qiáng)度的升高而增加；但高火焰熱處理強(qiáng)度會(huì)使PA11管表面材料炭化，從而使其斷裂伸長(zhǎng)率降低。為了達(dá)到PA11管最佳的斷裂伸長(zhǎng)率，其火焰熱處理強(qiáng)度為40%。

表4 不同火焰熱處理強(qiáng)度下PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率

2.5 最佳工藝條件下PA11管的表面形貌

經(jīng)上述分析，得到最佳的擠出加工工藝條件為模溫235℃、擠出速度25 m／min、冷卻水溫20℃、火焰熱處理強(qiáng)度40%，在最佳工藝條件下對(duì)生產(chǎn)的PA11管拉伸測(cè)試后樣件的表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)管表面的“橘皮”缺陷基本消除，具體見圖3。

圖3 最佳工藝條件下PA11管拉伸試樣表面狀態(tài)

由圖2和圖3對(duì)比可以看出，未經(jīng)火焰處理的PA11管在拉伸過程中其表面產(chǎn)生缺陷，隨著拉伸變形越來越大，其缺陷被不斷擴(kuò)張，直到斷裂。而經(jīng)過火焰熱處理后，分子鏈進(jìn)行重排、再結(jié)晶，PA11管的微觀缺陷減少，大分子鏈趨于擠出方向的有序排列性降低[16]，從而使拉伸時(shí)造成斷裂的缺陷減少，進(jìn)而提高PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率。

3 結(jié)論

(1)模溫對(duì)生產(chǎn)的長(zhǎng)碳鏈PA11管斷裂伸長(zhǎng)率有一定程度的影響，隨著模溫的升高其斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，最佳的模溫為235℃。

(2)擠出速度對(duì)生產(chǎn)的長(zhǎng)碳鏈PA11管斷裂伸長(zhǎng)率的影響非常明顯，隨著擠出速度的降低，其斷裂伸長(zhǎng)率升高，但是考慮生產(chǎn)效率，推薦擠出速度為25 m／min。

(3)冷卻水溫對(duì)生產(chǎn)的長(zhǎng)碳鏈PA11管斷裂伸長(zhǎng)率有較小程度的影響，隨著冷卻水溫的降低，其斷裂生產(chǎn)率有所增加，但是考慮到壓縮機(jī)的制冷能力，推薦冷卻水溫為20℃。

(5)通過優(yōu)化擠出工藝參數(shù)，如模溫、擠出速度、冷卻水溫及火焰熱處理強(qiáng)度可以大幅提升長(zhǎng)碳鏈PA11管的斷裂伸長(zhǎng)率，使其斷裂伸長(zhǎng)率能達(dá)到219%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣制動(dòng)管斷裂伸長(zhǎng)率最低指標(biāo)(170%)的要求。