SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)激發(fā)效果影響因素的試驗(yàn)研究

劉志峰 李新宇 趙流現(xiàn) 魏俊杰 張洪潮，2

1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009 2.德克薩斯理工大學(xué)，盧伯克，德克薩斯，美國(guó)，79409

0 引言

近年來(lái)，電子類產(chǎn)品的使用日益廣泛，且更新?lián)Q代速度很快，每年產(chǎn)生大量的廢棄電子產(chǎn)品［1］。這些電子產(chǎn)品尤其是小型電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用人工方法拆卸效率很低，而用機(jī)械整體破碎的方法會(huì)使產(chǎn)品，尤其是含有大量可重用零部件或電子元器件的產(chǎn)品的回收價(jià)值下降。為了解決這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)產(chǎn)品的可拆卸設(shè)計(jì)方法作了大量研究［2－4］。傳統(tǒng)的可拆卸設(shè)計(jì)方法往往是基于人工拆卸來(lái)考慮的，屬于一對(duì)一的拆卸，即一人一次只能拆卸一件產(chǎn)品，拆卸效率很低。因此Chiodo等［5］提出了智能材料主動(dòng)拆卸（active disassembly using smart materials，ADSM）的設(shè)計(jì)理念，即利用形狀記憶材料為主的智能材料制成卡扣、螺釘?shù)戎鲃?dòng)拆卸結(jié)構(gòu)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連接件，這些主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)在加熱等激發(fā)條件下發(fā)生預(yù)定的變形，失去連接功能，從而使得產(chǎn)品發(fā)生主動(dòng)拆解。ADSM 目前在國(guó)外研究得很多［5－11］，國(guó)外學(xué)者對(duì)手機(jī)、隨身聽、液晶電視等電子類產(chǎn)品的主動(dòng)拆卸作了一系列的試驗(yàn)研究，通過(guò)在產(chǎn)品中應(yīng)用主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)，基本實(shí)現(xiàn)了這些產(chǎn)品在一定溫度下的主動(dòng)拆卸，但研究集中于技術(shù)層面，對(duì)ADSM技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)問題研究較少，未形成通用的設(shè)計(jì)理論與方法體系；國(guó)內(nèi)近年來(lái)也進(jìn)行了一些研究，主要是研究基于ADSM的產(chǎn)品及主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，也做了一些試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證［12－14］。

從這些研究來(lái)看，主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的材料主要有形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）和形狀記憶高分子材料（shape memory polymer，SMP），其中SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)由于價(jià)格低廉，與普通塑料件價(jià)格相差不大，且變形量大、加工方便、易于回收而得到了更廣泛的關(guān)注，目前國(guó)內(nèi)外研究中使用的也主要是SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)。但目前針對(duì)影響SMP主動(dòng)激發(fā)效果即激發(fā)時(shí)間和主動(dòng)拆解率的因素及其影響程度，以及通過(guò)控制這些因素來(lái)改善產(chǎn)品的主動(dòng)激發(fā)效果的方法的相關(guān)研究還比較少，本文就此問題進(jìn)行了一些研究和探討。

1 影響主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)激發(fā)效果的因素

1.1 設(shè)計(jì)階段影響激發(fā)效果的因素

可能影響SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)拆卸效果的因素有主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的材料、最大變形量、拆卸時(shí)的加熱溫度及加熱方式。這些因素中，主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的材料和變形量是可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行控制的，其余的因素是在產(chǎn)品廢棄后拆卸時(shí)進(jìn)行控制的。

在選擇材料時(shí)，首先校核形狀記憶材料的強(qiáng)度和變形能力，其次選擇其激發(fā)溫度。一般來(lái)說(shuō)，激發(fā)溫度應(yīng)遠(yuǎn)高于產(chǎn)品的正常使用溫度，但也不宜過(guò)高，以免拆卸時(shí)一些不耐高溫的零件受高溫破壞。一般選用激發(fā)溫度在60～150℃之間的SMP，常用的輻照改性SMP材料的性能如表1所示。SMP的激發(fā)溫度與其分子交聯(lián)程度有關(guān)，本文采用輻照改性的方式得到SMP，其分子交聯(lián)程度隨輻照劑量的增加而增強(qiáng)，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，如表2所示（均為同一種PVC塑料輻照改性）。

表1 材料種類對(duì)主動(dòng)激發(fā)效果的影響

表2 材料交聯(lián)密度對(duì)主動(dòng)激發(fā)效果的影響

SMP的變形回復(fù)率與加熱時(shí)間的關(guān)系如圖1所示，其中的PVC經(jīng)過(guò)4kGy的輻照改性（激發(fā)溫度為85℃），PE經(jīng)過(guò)100kGy的輻照改性（激發(fā)溫度為95℃），加熱溫度均為150℃，加熱方式為空氣加熱，加熱設(shè)備為司登利HL－2010E型熱風(fēng)槍。

圖1 形狀記憶PVC及形狀記憶PE的變形回復(fù)率與時(shí)間的關(guān)系

1.2 拆卸階段影響激發(fā)效果的因素

為了分析加熱溫度和加熱方法對(duì)主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)激發(fā)效果的影響，我們分別用激發(fā)溫度為80℃的形狀記憶PVC制成可主動(dòng)拆卸的卡扣，并在不同的溫度下試驗(yàn)其主動(dòng)激發(fā)效果，結(jié)果如表3所示?？諝饧訜岷退〖訜嵩O(shè)備分別為熱風(fēng)槍和水浴槽。

表3 加熱溫度和加熱方法對(duì)形狀記憶PVC卡扣激發(fā)效果的影響（激發(fā)溫度為80℃）

為了驗(yàn)證是加熱溫度本身還是加熱溫度與激發(fā)溫度之差影響主動(dòng)激發(fā)效果，我們對(duì)激發(fā)溫度為70℃的同種形狀記憶PVC做了類似的試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 加熱溫度和加熱方法對(duì)主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)激發(fā)效果的影響（激發(fā)溫度為70℃）

2 影響SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)激發(fā)效果的因素

由表1和表2可以看出，SMP的形狀記憶性能主要由其材料種類及分子交聯(lián)程度決定。常用高分子材料中的PVC經(jīng)輻照改性后形狀記憶性能最佳，機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕能力也較好，最適宜作為制作主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的材料。對(duì)同種高分子材料來(lái)說(shuō)，輻照劑量越大，即分子的交聯(lián)程度越高，改性SMP材料激發(fā)溫度越低，但輻照劑量過(guò)低時(shí)形狀記憶效果不佳，而高于一定值后激發(fā)溫度幾乎不再隨輻照劑量變化。

SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的變形量對(duì)激發(fā)效果的影響主要表現(xiàn)在激發(fā)時(shí)間上。如圖1所示，SMP在變形回復(fù)率小于最大變形量的約80%時(shí)變形回復(fù)速度較快，之后回復(fù)速度明顯下降。

從表3中可以看出，主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的激發(fā)時(shí)間隨著加熱溫度的升高而縮短，而主動(dòng)拆解率隨加熱溫度的升高而增大，直至達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。相同加熱溫度下，水浴加熱下的激發(fā)時(shí)間和主動(dòng)拆解率均優(yōu)于空氣加熱的激發(fā)時(shí)間和主動(dòng)拆解率。但加熱溫度高于一定值后，激發(fā)時(shí)間和主動(dòng)折解率幾乎不再變化。

從表4可以看出，激發(fā)溫度為70℃的主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的激發(fā)效果與加熱溫度上升10℃時(shí)的相應(yīng)的激發(fā)溫度為80℃的主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的激發(fā)效果幾乎完全相同，即影響激發(fā)效果的因素實(shí)際上是加熱溫度與SMP激發(fā)溫度之差，而非加熱溫度本身。

從表3和表4可以看出，使用水浴加熱方法時(shí)的拆卸時(shí)間和主動(dòng)拆解率均遠(yuǎn)優(yōu)于相同加熱溫度時(shí)的空氣加熱方法，這主要是因?yàn)樗拿芏群捅葻崛葸h(yuǎn)大于空氣，主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)在水中比在空氣中能更快達(dá)到激發(fā)溫度。

綜上所述，SMP材料的種類與激發(fā)溫度、主動(dòng)拆卸所需的變形量與主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)最大變形量的比值、加熱溫度與激發(fā)溫度之差、加熱介質(zhì)均會(huì)影響SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)激發(fā)效果，其中加熱溫度與激發(fā)溫度之差為最主要的因素。

3 試驗(yàn)結(jié)果在改善主動(dòng)激發(fā)效果上的應(yīng)用

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，改善SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)激發(fā)效果需要滿足以下要求：

（1）在設(shè)計(jì)SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量選擇形狀記憶性能較好的材料（如PVC），根據(jù)所需的激發(fā)溫度決定改性的輻照劑量，激發(fā)溫度一般應(yīng)比SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的工作溫度高30℃以上，以防止主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)意外激發(fā)或發(fā)生蠕變。

（2）由于SMP材料的變形回復(fù)速度在回復(fù)率超過(guò)80%時(shí)明顯下降，因此應(yīng)將SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的最大變形量設(shè)計(jì)為拆卸所需變形量的1.25倍以上，這樣在主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)未完全回復(fù)形狀時(shí)即可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)拆卸，縮短拆卸時(shí)間。

（3）雖然一定范圍內(nèi)SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的激發(fā)效果與加熱溫度與激發(fā)溫度之差成正比，但對(duì)PVC制成的主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，加熱溫度高于激發(fā)溫度20℃以上時(shí)，溫度的升高對(duì)激發(fā)效果的影響已不明顯，因此加熱溫度可選擇為比主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的激發(fā)溫度高20℃的溫度。

（4）相同加熱溫度時(shí)，水浴加熱的激發(fā)效果優(yōu)于空氣加熱，但水浴方法加熱溫度有限，且會(huì)破壞大部分可再利用的電子元件，因此水浴方法只適合處理回收價(jià)值較低的產(chǎn)品如遙控器、游戲機(jī)手柄等，對(duì)手機(jī)、LCD顯示器等含有較多可再利用電子元件的產(chǎn)品只能使用空氣加熱。

如圖2所示，將SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)應(yīng)用于遙控器外殼中，可顯著減少其拆卸時(shí)間，如表5所示，再加上使用主動(dòng)拆卸方法可以同時(shí)拆卸一批產(chǎn)品，而非人工拆卸的一對(duì)一拆卸，因此應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)的SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)極大地提高了產(chǎn)品的拆卸效率。

圖2 SMP主動(dòng)拆卸卡扣在遙控器外殼中的應(yīng)用

表5 改進(jìn)設(shè)計(jì)前后遙控器拆卸時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)論

（1）影響SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)激發(fā)效果的因素主要有SMP材料的種類與激發(fā)溫度、主動(dòng)拆卸所需的變形量與主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)最大變形量的比值、加熱溫度與激發(fā)溫度之差和加熱介質(zhì)。

（2）選用形狀記憶能力較好的材料，增加主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的最大變形量，升高加熱溫度，盡量使用水浴加熱均可提高SMP主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)的激發(fā)效果。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，使用形狀記憶PVC制成主動(dòng)拆卸結(jié)構(gòu)，并在比其激發(fā)溫度高20℃以上的溫度中水浴加熱，激發(fā)效果最好。

（4）以上研究未包括化學(xué)交聯(lián)法制備的SMP材料，將在今后的研究過(guò)程中進(jìn)一步驗(yàn)證和完善。

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