PMMA/ASA合金材料在汽車零件中的應用

陶永亮,黃登懿,陳 曦

(1.重慶川儀工程塑料有限公司,重慶 400712；2.四川長虹模塑科技有限公司,四川綿陽 621000；3.重慶哥爾摩科技有限公司,重慶 401336)

0 前言

當今汽車工業(yè)飛速發(fā)展，塑料材料替代各種有色金屬、合金鋼材在汽車領域的應用是未來汽車輕量化的發(fā)展趨勢。日本、美國和德國等發(fā)達國家的每輛轎車平均使用塑料已經(jīng)超過100 kg，占汽車總質量的8%。目前，中國每輛汽車平均使用塑料70 kg，占汽車總質量的6%。塑料材料在汽車領域的應用使得汽車零部件等的設計可以更加靈活，同時可以降低零部件加工、裝配和維修費用。采用塑料材料生產(chǎn)汽車車身和零部件也是實現(xiàn)汽車輕量化、節(jié)能化的有效途徑之一。筆者通過對聚甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯-苯乙烯-丙烯腈三元共聚物(PMMA/ASA)合金材料的介紹,以及PMMA/ASA合金材料在汽車零件中的應用實例，展望PMMA/ASA合金材料應用范圍的延伸。

1 合金材料介紹

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗稱有機玻璃、亞克力，具有極佳的透光性能和力學性能，優(yōu)異的耐老化性和耐候性，化學性能穩(wěn)定，能耐低濃度的酸、堿等一般化學腐蝕。但PMMA性脆，落錘沖擊性能較差，尤其是低溫沖擊性能差[1]。在汽車領域，PMMA樹脂可應用在窗玻璃、罩蓋、儀表玻璃、車燈、標牌等部件。

丙烯酸丁酯-苯乙烯-丙烯腈三元共聚物(ASA)具有與丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)相似的結構與性能，但ABS中含有殘留雙鍵，使其耐候性降低，而ASA用丙烯酸丁酯替代丁二烯，不存在殘留雙鍵，從而使ASA樹脂的耐候性顯著優(yōu)于ABS樹脂[2]。ASA樹脂具有良好的抗沖擊性能、著色性、耐化學品性，但缺點是表面硬度不夠高，耐劃傷性、耐刮擦性差。ASA樹脂在汽車上的應用主要在外飾件，如格柵、三角塊、立柱板等。目前，汽車外飾件高光澤的表面效果已經(jīng)成為一種時尚，通過直接注塑難以實現(xiàn)，需要在汽車外飾件上進行噴涂工藝，從而提高了生產(chǎn)成本并對環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染。

PMMA溶解度參數(shù)9.0～9.5(J/cm3)1/2與ASA溶解度參數(shù)9.6～9.8(J/cm3)1/2[3]很相近。兩種材料有相容性較好的實際情況，將PMMA和ASA按不同比例通過熔融共混的方式制成PMMA/ASA合金高光澤耐候免噴涂的材料。

1.1 耐候性

原材料體系中ASA和PMMA均具有良好的耐候性。ASA用不含不飽和雙鍵的丙烯酸橡膠替代了ABS中含有不飽和雙鍵的丁二烯橡膠，使其抗老化性能顯著優(yōu)于ABS。ASA制品不用表面防護，可直接戶外使用，在日光下暴曬9～15個月，沖擊強度和伸長率幾乎沒有下降，顏色也幾乎沒有變化。PMMA具有優(yōu)異的耐候性，據(jù)相關測試，其試樣經(jīng)4 a自然老化試驗，質量、拉伸強度、透光率略有下降，色澤略有泛黃，抗銀紋性下降較明顯，沖擊強度還略有提高，其他物理性能幾乎未變化[4]。

按照SAEJ 2527—2004 《受輻射氙弧裝置加速照射汽車外部材料的性能標準》中的測試條件進行PMMA/ASA制件耐候性測試：在340 nm條件下輻照度為0.55 W/(m2·nm)(輻射強度，設備默認發(fā)光)；暴露總能量為2 500 kJ/m2；試驗總時間為1 894 h。測試出來的結果(色差△E)為0.56、0.66、0.69，符合耐候要求。

1.2 耐老化性

PMMA/ASA制件按照JT1-9902—2013《汽車外飾塑料零件通用技術條件》中的測驗試條件進行高低溫循環(huán)和耐熱老化試驗[5]，試驗條件見表1。試驗結果為PMMA/ASA制件外觀無明顯變化，無影響功能的缺陷。

表1 高低溫循環(huán)、耐熱老化試驗條件

1.3 低溫韌性

PMMA/ASA制件按照QZTB 03.044—2011《落球沖擊試驗》中的測試條件進行低溫落球沖擊試驗，試驗條件見表2。試驗結果為PMMA/ASA制件無開裂。

表2 低溫落球沖擊試驗條件

1.4 耐刮擦性

PMMA/ASA制件采用刮擦試驗方法[6]測試其耐刮擦性。按五指刮擦試驗法的具體要求，選擇3組對材料樣件進行試驗，試驗情況見表3。

表3 PMMA/ASA制件刮擦試驗情況

PMMA/ASA制件依據(jù)GB/T 19089—2003《橡膠或塑料涂覆織物 耐磨性的測定 馬丁代爾法》中要求：在光澤度65以上進行耐刮擦測試，測試后要求光澤殘留率達到12%以上。對PMMA/ASA制件測量光澤殘留率為32.7%，完全達到標準要求。

PMMA/ASA制件依據(jù)Q/YX 06.73—2015《乘用車塑料內(nèi)飾件耐刮擦試驗方法》十字刮擦法，采用電動劃格儀測試立柱飾板的抗刮傷性能，試驗加載力10 N，十字刮擦值標準為刮擦痕跡變化量△L≤ 2，視覺測出數(shù)據(jù)為0.54，完全達到標準要求。

1.5 高光澤度

PMMA/ASA制件高光澤度測試按照JJG 696—2002 《鏡向光澤度計和光澤度板檢定規(guī)程》的要求,選擇三角度光澤度儀20°測量角儀器和方法，測得PMMA/ASA合金材料光澤度為80，光澤度大于70屬于高光澤效果，說明PMMA/ASA合金材料達到高光澤效果。

2 PMMA/ASA合金材料應用實例

制備高光澤免噴涂PMMA/ASA合金材料的組分按質量份數(shù)大致有：丙烯腈-苯乙烯共聚物(AS)樹脂20～40份、ASA高膠粉和PMMA樹脂35～40份、改性金屬粉2～4份、抗氧劑0.5～1份、潤滑劑1～2份。對金屬粉進行了表面改性，改善了金屬粉與樹脂之間相容性和材料整體流動性，提高了材料綜合性能，并有效避免注塑成型中的流痕現(xiàn)象。PMMA/ASA合金材料具有較好的力學性能、耐化學品、耐候性和加工性能，自帶金屬質感，可以不用噴漆處理，降低了制造成本，在汽車進氣格柵等汽車零件上應用[7]。

在汽車的整體設計中，進氣格柵(見圖1)的作用是保護和冷卻水箱。水箱的作用是冷卻發(fā)動機，一旦發(fā)動機得不到冷卻，就會發(fā)燙，從而發(fā)生故障，也會造成其他部件因為高溫而遭到破壞。另外，汽車在高速行駛時可能會被飛來的昆蟲、石子破壞水箱，流線型設計車身可以將大部分的威脅彈開，而進氣格柵則會抵擋住氣流無法彈開的體積較大的蟲子和石頭。進氣格柵起到追求外型美感同時兼顧功能的作用。

圖1 進氣格柵示意圖

圖1所示的汽車進氣格柵質量為600 g左右，考慮鎖模因素，一般模具在1 000 t注塑機上生產(chǎn)，做出的產(chǎn)品盡量沒有飛邊，減少修剪成本。

后視燈是一個組合件(見圖2)，安裝在汽車前門上，便于駕駛員觀察行駛中車后及車兩邊的情況，組合件中的2個零件單個質量都是100 g左右。后視燈有左右件之分,由后視燈支架和后視燈外殼兩副模具分別生產(chǎn)后再組裝，后視燈支架和后視燈外殼一般選擇在200～240 t注塑機上加工，以選用設備開模距離為主。

以往的汽車立柱飾板材料主要有聚氯乙烯(PVC)人造皮革、聚氨酯(PU)人造革等。但考慮耐光照、耐低溫韌性、阻燃、低霧化等性能，這些人造材料存在或多或少的問題，不能夠滿足大眾消費者對內(nèi)飾材料的要求。選擇PMMA/ASA合金材料能滿足汽車立柱飾板的要求，可以增加乘客舒適度，提供優(yōu)雅的內(nèi)飾外觀。立柱飾板為鈑金、車身零件、電子線束和側撞塊等提供經(jīng)久耐用的包覆功能，并為功能件如杯托、儲物盒等提供裝接面，還可為喇叭提供聲音傳輸和裝接結構[8]。汽車立柱飾板是2個不同的立柱飾板，汽車中不同位置有不同形狀的立柱飾板，其大致厚度在2.0～2.5 mm，質量為100～200 g,成型比較容易(見圖3)。

(a)后視燈支架

(b)后視燈外殼

(a)立柱正面板

(b)立柱側面板

后霧燈蓋板(見圖4)用在后霧燈上，實際上起到一個護殼的作用，在后霧燈蓋板的外面還有一個配光鏡的外殼，蓋板是個內(nèi)飾件，有個別部位進行鍍鋁處理，加上PMMA/ASA合金材料屬于免噴涂材料，可以直接鍍鋁，不需要進行噴底漆固化后再鍍鋁，減少環(huán)境的污染。PMMA/ASA合金材料可以直接鍍鋁后用于汽車后燈體上。

圖4 后霧燈蓋板示意圖

為了達到PMMA/ASA制件高光澤的效果，在注塑中可以采用高光澤加工方式，使用急冷急熱的模溫機。一般ASA、ABS這類材料為了達到表面較好的光澤度，采用定模型腔的模溫比動模型芯的模溫高10～15 K，制件的冷卻時間延長了，生產(chǎn)周期也延長了，對于批量大的產(chǎn)品而言生產(chǎn)效率就低了。使用急冷急熱的模溫機，就是在注塑時采用高溫提高表面高光澤的效果，冷卻時較快地降低模具溫度，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。

PMMA/ASA合金材料的耐熱溫度為90 ℃，這與2種材料的耐熱溫度有關。PMMA耐熱性并不高，它的玻璃化溫度雖然達到104 ℃，但連續(xù)使用溫度卻隨工作條件不同在65～95 ℃，熱變形溫度約為96 ℃[9]；ASA樹脂的熱變形溫度與通用ABS樹脂相似，為80～85 ℃[10]。PMMA與ASA合成后耐熱溫度并不高，這給PMMA/ASA合金材料的使用帶來了局限性。

3 結語

伴隨著國家環(huán)保力度加大，環(huán)境問題也影響著材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。傳統(tǒng)的電鍍和噴漆工藝會環(huán)境污染，因而受到越來越嚴峻的考驗。在此背景下，環(huán)保性能出眾的免噴涂材料迎來巨大的發(fā)展前景。相比于電鍍和噴涂材料，免噴涂材料不僅具有優(yōu)異的性能和高光澤外觀，而且還有一定的成本優(yōu)勢。目前，免噴涂的PMMA/ASA合金材料已經(jīng)廣泛應用于進氣格柵、后視鏡外殼、支架、門把手等汽車外飾件。未來，隨著技術端和應用端的日漸成熟，將有越來越多的汽車格柵及其他部件等(包括汽車燈具)采用免噴涂材料。